Les explications ci-dessous sont principalement pour la fréquence 5.8GHz car c'est majoritairement celle qui est utilisée en FPV.
Familles d'antennes, Directionnelle vs. Omni directionnelle
Il en existe principalement 2 "familles" d'antennes et voici leur différences (des explications concrètes sur les types d'antennes existants peuvent être trouvées plus bas).
Omni-directionnelle
C'est une antenne qui peut émettre/recevoir avec la même "qualité" dans toutes les directions, autour d'un axe donné généralement par le câble qui vient à l'antenne. Ces antennes sont présentes sur les multi et généralement sur les récepteurs aussi.
Directionnelle
Prévue pour travailler dans une direction donnée, avec plus au moins d'angle (voir la section sur le dBi pour plus d'informations). C'est une antenne qui ne sera jamais utilisée sur un multi mais uniquement sur les récepteurs.
dBi
On va déjà commencer par les histoires de dBi dont on parle généralement pour les antennes.
Le dBi est l'unité pour exprimer le gain d'une antenne. Plus le gain est élevé, meilleure la qualité du signal sera. En lisant ça, on se dit qu'il n'y a qu'a prendre des antennes avec des gros gains et on aura un signal magnifique. En théorie oui... mais il y a un petit "inconvénient" à ceci.
Généralement, plus on augmente dans les dBi, plus on diminue l'angle ou plutôt "l'angle de fonctionnement" (ou "cône de fonctionnement" si directionnelle) de l'antenne. On appelle ça le "beamwidth" en anglais et il est généralement exprimé en degrés. J'explique:
Suite au visionnement de la vidéo suivante, des corrections ont été apportées sur les dBi. Les anciennes explications sont en rouge (pour voir la différence)
Contrairement à ce qui a été expliqué en premier lieu, les dBi ne permettent pas de définir (ou d'en déduire) la famille d'antenne (directionnelle ou omni-directionnelle). Voilà ce que les dBi représentent pour les 2 familles d'antennes.
Directionnelle
Le nombre de dBi est généralement élevé (9-14). Et comme dit avant, plus c'est haut, moins l'angle de réception est grand. Cependant, reste à voir si c'est vérifié ou pas mais certaines antennes d'un certain prix ont beaucoup de dBi et un grand angle pour le cône de fonctionnement... mais à défaut d'avoir du matériel pour le contrôler...
Omni-directionnelle
Généralement un faible dBi, entre 0.3 et 2 (ou plus) environ. Pour cette famille d'antennes, je parlerais plus de "cône" mais "d'angle" de fonctionnement. En effet, et c'est ce que j'ai appris dans la vidéo mentionnée avant, le nombre de dBi pour une antenne omni-directionnelle a non seulement une influence sur la qualité de réception de celle-ci mais également sur l'angle de fonctionnement. On va maintenant tenter d'expliquer cet notion d'angle de fonctionnement.
Prenez une antenne omni-directionnelle qui est à la verticale, elle va recevoir les signaux qui viennent de 360° autour d'elle.
- Si elle a un nombre de dBi faible, en la gardant verticale, vous pourrez prendre plus d'altitude avec votre multi et toujours capter un signal correct.
- Si elle a un nombre de dBi élevé, elle prendra toujours à 360° mais dans une zone verticale plus concentrée si on peut dire. Tout comme pour l'antenne directionnelle, on va réduire l'angle à l'intérieur duquel on a une réception de bonne qualité. Donc si on prend trop d'altitude, on sortira de cet angle et le signal reçu deviendra de mauvaise qualité. C'est seulement en penchant la tête d'un côté qu'on pourra retrouver un signal meilleur car on se retrouvera dans la zone de fonctionnement de l'antenne.
Ces antennes omni-directionnelle avec un nombre de dBi élevé est donc plus adapté si vous faites uniquement du low riding car vous serez théoriquement toujours dans la zone de fonctionnement optimale de l'antenne.
Avec peu de dBi (0.3-2), on peut utiliser l'antenne sur 360°, le signal pourra être capté-émis sur les 360°. Ceci est donc idéal pour un émetteur (vTX) en mouvement tel qu'un quadricopter. On parlera dans ce cas d'antenne "omnidirectionnelle"
Avec beaucoup de dBi (9-14), l'angle de fonctionnement de l'antenne diminue, on passe en quelque sorte vers des antennes directionnelles. Plus les dBi sont grands, plus l'angle de fonctionnement sera petit. Cet angle de fonctionnement est appelé beamwidthen anglais et est généralement exprimé en degrés.
Ce type d'antenne est donc plus dédié aux récepteurs (vRX) car il suffit de pointer l'antenne dans la direction du quadri. Ce type d'antenne est qualifié de "directionnelle"
Zones mortes (ou "null zone")
Juste avant, dans la partie où je parlais des dBi, j'ai mentionné les angles d'émission-réception des antennes. Ces angles, principalement dans le cas des antennes à faible gain (donc 360°), sont valables pour l'émission-réception du signal majoritairement à l'horizontale. En fait, dans 99% des cas, le signal pourra être correctement émis-reçu à l'exception du cas où le récepteur se trouverait à la verticale de l'antenne émettrice.
Ou pour expliquer ça différemment, imaginez que vous tirez un trait imaginaire dans le prolongement de la tige de votre antenne. Si votre récepteur se trouve sur ce trait, ou a proximité, vous aurez beaucoup moins, voir pas du tout de signal. Ceci provient du design des antennes, elles ne peuvent pas émettre à 360° dans toutes les directions, ceci pour la simple raison qu'il faut bien, à un endroit, faire un branchement pour amener le signal. On a donc là un angle mort au niveau du signal. Cela se manifeste donc seulement si vous volez juste au-dessus de votre tête.
[mode: c'est-pas-sorcier=ON] pour ceux qui ne le savent pas, c'est la même chose au niveau de nos yeux, on a un angle mort dans les "capteurs" de réception de la lumière, ceci pour la simple raison qu'il faut bien à un moment relier l’œil au cerveau pour passer les informations. Et on ne le voit pas, ou on n'en a pas conscience, car vu qu'on a 2 yeux, ben l'un "remplace" l'autre pour cette "zone morte" [mode]
On revient aux antennes :
A priori, cette zone morte n'est pas très importante quand on fait du racing car, on est généralement à ras du sol et pas souvent au-dessus de notre tête (ou alors pas longtemps vu la vitesse à laquelle on avance). ça peut cependant être plus dérangeant si on fait de la prise d'image et qu'on monte par exemple en altitude à la verticale de soit. J'ai eu ce problème quand je suis monté à 500m avec mon Xugong. J'ai dû me déplacer un peu (20-30m) pour avoir à nouveau à peu près un signal.
Polarisation circulaire
Pour expliquer la polarisation circulaire, faut déjà que j'explique autre chose, la "non polarisation circulaire". Celle-ci est appelée "polarisation linéaire".
Par défaut, les antennes "basiques" comme les antennes bâton (décrites plus bas) n'ont pas de polarisation circulaire. Cela signifie en gros (si j'ai bien compris) que les ondes se déplacent en ligne droite. C'est bien, c'est un peu ce qu'on leur demande mais ça a un inconvénient. Cet inconvénient c'est que dans tous les cas, quand une onde heurte un objet solide (genre un mur), ben une partie va faire demi-tour. Va y avoir un "rebond" si on peut dire. Et ce rebond peut poser problème.
Explication:
Imaginez que vous êtes avec une antenne bâton pour votre récepteur. Derrière vous, à quelques mètres se trouve un bâtiment. Vous volez et vous vous trouvez entre votre quadri et le bâtiment. Toutes les ondes envoyées par le quadri vont commencer par arriver sur l'antenne de votre récepteur (vRX) et vous aurez l'image. Mais il y a aussi des ondes qui vont passer à côté de vous, qui vont aller heurter le mur et être renvoyée vers votre vRX depuis l'arrière. Vous aurez donc la même information qui va arriver quelques millisecondes (ou centièmes de secondes) plus tard que celle qui vous a déjà été affichée. Et pendant que vous recevez ce "rebond" d'image, il y aura déjà une autre image qui arrivera directement sur votre vRX. Du coup, votre vRX recevra en même temps 2 images différentes donc à voir comment il traite ceci... mais il risque d'y avoir un effet de "ghosting".
Maintenant qu'on a vu comment fonctionnaient les antennes "bâton" ainsi que ce problème de rebond d'onde, ça va permettre d'expliquer la raison de la polarisation circulaire.
La polarisation circulaire permet de s'affranchir de ce problème de rebond afin que l'on ne soit plus affecté par celui-ci. ça consiste à faire en sorte que l'onde se déplace en ligne droite (ça, ça ne change pas) mais en tournant sur elle-même. On pourrait comparer ça à une balle de fusil qui trace en ligne droite mais avec une rotation sur elle-même.
Cette rotation peut être "horaire" ou "anti-horaire".
Une rotation "horaire" est ce qu'on appelle "RHCP" pour "Right Hand Circular Polarized". Et une rotation "anti-horaire", c'est "LHCP" pour "Left Hand Circular Polarized".
Comment ça fonctionne avec la polarisation circulaire?
La rotation de l'onde, admettons qu'elle soit "horaire" (RHCP), va changer de direction si elle heurte le même mur qu'on a encore et toujours derrière soi, car y'a pas d'autre spot de vol à proximité. Donc, l'onde arrive en rotation "horaire" (RHCP) contre le mur, rebondit sur celui-ci et repars toujours en tournant mais en "anti-horaire" (LHCP). Vous me direz, "ok, ben on a toujours un rebond donc qu'est-ce qui change??". Simple!
Une antenne "polarisée circulaire" RHCP ne pourra émettre et recevoir que des ondes RHCP. Cela signifie que lorsque le rebond de l'onde (qui sera passé en LHCP) arrivera à l'antenne, il ne va simplement rien se passer.
En plus du fait qu'une antenne soit polarisée dans un sens ou dans un autre, il y a une notion appelée "axis" (si je me souviens bien de la vidéo que j'ai vue). Celle-ci est un chiffre (max=1) qui représente jusqu'à quel point une antenne est polarisée dans le sens où elle doit être polarisée. Plus le nombre "axis" est élevé (proche de 1), plus l'antenne sera polarisée fortement. Une antenne avec un "axis" faible aura bien une polarisation dans un sens donné mais sera potentiellement plus sensible aux signaux émis dans la polarisation inverse.
Avant, je parlais des rebonds des signaux sur des objets et de la manière dont la polarisation s'inversait. Dans la vidéo, il est conseillé, dans le cas où plusieurs pilotes volent dans un environnement avec une grande capacité à faire rebondir les ondes (genre vol en intérieur) d'avoir des antennes avec un axis élevé. Car sinon, une antenne avec un faible axis aura plus de chances de réceptionner également des signaux de la polarisation inverse, ce qui n'est... pas cool...
L'utilisation des antennes "polarisées circulaire" est donc recommandé pour le FPV. Mais attention à ce que les 2 antennes soient polarisées de la même façon!! La majorité des antennes existantes sont RHCP. Cependant, ceci est presque un peu dommage. Car comme mentionné dans la vidéo, dans le cas d'un vol à plusieurs, avoir la moitié des pilotes avec des RHCP et l'autre moitié avec des LHCP permettrait de moins se polluer. Il faut arriver à affecter correctement les antennes aux 8 fréquences afin de ne pas polluer les fréquences adjacentes ou celles qui sont dans les harmoniques. C'est un raisonnement qui est tout à fait logique mais personnellement, j'avais jamais pensé jusque là
Il est également possible d'utiliser une antenne "bâton" (non polarisée circulaire) en tant qu'antenne vRX, ça fonctionnera mais on aura une perte de signal...
Types d'antennes
Maintenant, on passe en revue les différents types d'antennes.
Bâton
On commence par celle qui est livrée avec la totalité (quasi) des vTX et vRX, il s'agit de l'antenne bâton.
Même si ces antennes sont estampillées FatShark ou ImmersionRC, elles ne sont pas idéales pour le FPV. Bien sûr, ça va fonctionner mais il y a aura l'inconvénient du rebond que j'ai expliqué avant.
Ces antennes ont généralement un gain assez faible (2-3dBi) du fait qu'elles émettent à 360° (omnidirectionnelle)
Gain: faible
Polarisation: linéaire
Champ d'action: omnidirectionnel
Utilisation: Pas recommandée
Cloverleaf ou antenne trèfle
C'est généralement l'antenne que l'on utilise le plus en FPV.
Celle-ci peut avoir 3, 4 ou même 5 lobes. Après quelques lectures sur le net, j'ai pu voir que c'était recommandé d'utiliser une 3 lobes pour le vTX et une 4 lobes pour le vRX. On pourrait se dire que plus il y a de lobes, meilleur le signal sera mais en fait, selon les explications que j'ai lues, avec 4 lobes, le signal ne sera pas forcément meilleur et la consommation d'énergie sera même supérieure et simplement dissipée autour de l'antenne. Donc pas très recommandé. C'est pour ça que les set d'antennes que l'on peut acheter différencient bien le vTX du vRX sur l'antenne.
Ces antennes sont polarisées circulaire, RHCP ou LHCP et leur gain est assez faible (2-3dBi) comme les antennes bâtons car elle émettent aussi à 360° (omnidirectionnelle)
En plus des 3 et 4 lobes, il y a aussi les 5 lobes. J'ai pu voir certains commentaires qui disaient que l'on avait 15% de signal en plus. Il y a un site français qui fabrique et vend ces antennes (http://www.lafabriquecirculaire.fr/section%205-8Ghz%20SL.htm) mais il n'y a pas de prix. Je les ai contacté pour avoir des infos mais jamais eu de réponse...
J'ai aussi pu lire que des gens avaient fait des 6 et 8 lobes par eux-mêmes mais comme ça ne s'est jamais démocratisé parmi les fabricants d'antennes, je ne sais pas ce que ça vaut...
Gain: faible
Polarisation: RHCP ou LHCP
Champ d'action: omnidirectionnel
Utilisation: vTX et vRX en faisant attention au nombre de lobes.
Exemples:
http://www.banggood.com/Foxeer-5_8G-3dBi-TXRX-RHCP-Omni-FPV-Antenna-RP-SMASMA-p-1069903.html?rmmds=search
http://www.banggood.com/Aomway-5_8GHz-FPV-4-Leaf-Clover-AV-Transmission-RHCP-Antenna-1-Pair-p-961730.html?rmmds=search
PinWheel
Peut aussi être utilisée pour le FPV mais visiblement moins efficace que la "Cloverleaf" car elle a moins de gain.
Gain: très faible
Polarisation: RHCP ou LHCP
Champ d'action: omnidirectionnel
Utilisation: vTX et vRX
MushroomSpironet
Ces antennes sont simplement des cloverleaf ou des PinWheel avec une protection pour mieux résister aux crashs.
Gain: faible
Polarisation: RHCP ou LHCP
Champ d'action: omnidirectionnel
Utilisation: vTX et vRX
Airscrew
Ressemble pas mal à une Spironet ou Mushroom mais je n'ai pas trouvé énormément d'informations sur ce qu'elle avait de plus qu'une cloverleaf standard.
Cette antenne a été conçue par IBCrazy, un gars connu dans le monde du FPV mais comme j'ai dit, j'ai pas capté son "avantage" par rapport aux cloverleaf... En anglais, il est dit qu'il y a un "balun" qui empêche les interactions avec les câbles d'extension mais j'ai eu beau chercher, j'ai pas trouvé de traduction pour "balun"...
Donc aucune idée des différences de cette antenne comparé à une cloverleaf à part le fait qu'elle est drastiquement plus chère!! faut compter environ 33$ pour une antenne. Mais ça les vaut largement d'autant plus que l'antenne est très très résistante aux chocs!
Gain: faible?
Polarisation: RHCP ou LHCP
Champ d'action: omnidirectionnel
Utilisation: vTX et vRX
Skew Planar Wheel
Un peu comme la "cloverleaf" mais elle a 4 lobes au lieu de 3 (bien que l'on trouve aussi des "cloverleaf" avec 4 lobes...)
Le gain de cette antenne est d'environ 1dBi et elle est très difficile à fabriquer. Et étonnamment, malgré le fait qu'elle soit omnidirectionnelle, elle est plutôt conseillée pour les vRX.
Si vous êtes intéressé, y'a un tuto pour les fabriquer ici : http://flitetest.com/articles/The_Skew_Planar_Wheel_Antenna
Gain: faible
Polarisation: RHCP ou LHCP
Champ d'action: omnidirectionnel
Utilisation: plutôt vRX
Helical
Antenne avec un gain plus élevé donc avec un champ d'utilisation plus faible. Elle entre donc dans la catégorie des antennes "directionnelles".
Si je ne me trompe pas, le nombre de spirales de l'antenne détermine le gain, plus il y a de spirales, plus le gain est élevé. Cependant, un nombre élevé de spirales fera que l'antenne sera plus longue et donc quelque peu encombrante voir fragile.
Vu que le gain est élevé, elle est donc directionnelle et son utilisation n'est donc pas adaptée en tant que vTX. Sauf bien sûr si votre vTX ne bouge pas et que le but est uniquement de passer du signal entre 2 objets fixes. Ces antennes sont donc plus recommandées pour être sur le vRX.
Gain: élevé
Polarisation: RHCP ou LHCP
Champ d'action: directionnel
Utilisation: vRX
Exemples :
http://www.banggood.com/Aomway-11dbi-7-Turn-5_8GHz-Helical-Antenna-RHCP-p-952615.html?rmmds=search
Crosshair
On reste dans la catégorie "directionnelle" avec cette antenne.
Tout comme le type "helical", cette antenne offre un gain élevé mais avec un encombrement beaucoup plus faible que l'helical. Elle est assez légère et pas trop fragile.
Niveau prix, on trouve de tout, du pas cher (14$) au bien cher (70$). Après comparaison des différentes antennes et de leur gain, j'ai pu voir qu'à gain égal, l'angle de fonctionnement (beamwidth) pouvait sensiblement varier, de 35° (14dBi) à 85° (13.5dBi). Et généralement, plus l'angle est grand, plus le prix l'est également. Après, à voir si le confort d'avoir un angle d'utilisation plus élevé justifie le prix. En FPV "long range", je pense que non car vu qu'on va loin, on s'en fiche d'avoir un grand angle. Mais en FPV "racing", c'est différent.
La crosshair une antenne assez recommandée pour les vRX dans le monde du FPV.
Gain: élevé
Polarisation: RHCP ou LHCP
Champ d'action: directionnel
Utilisation: vRX
Patch
Tout comme l'antenne "crosshair", l'antenne "patch" est directionnelle mais offre un encombrement encore plus faible.
Egalement conseillée pour le vRX.
Et il faut également voir en fonction des prix car l'angle de fonctionnement (beamwidth) peut sensiblement varier.
Gain: élevé
Polarisation: RHCP ou LHCP
Champ d'action: directionnel
Utilisation: vRX
Exemples :
http://www.banggood.com/Aomway-5_8GHz-14dBi-High-Gain-Flat-FPV-Receiver-Antenna-p-947148.html?rmmds=search
http://www.banggood.com/Aomway-FPV-5_8G-6dB-Panel-Antenna-Mini-Enhanced-Antenna-for-Receiver-SMA-RP-SMA-p-1041209.html?rmmds=search
Diversity
Bon, là on ne parle plus d'antenne mais de système pour avoir 2 vRX différents et prendre le signal du meilleur des 2 pour être affiché sur l'écran. Un système diversity n'est pas très pertinent si les 2 antennes dessus sont exactement les mêmes. En effet, 2 antennes identiques séparées de quelques dizaines de cm auront 99.99% de chance d'avoir exactement la même puissance au niveau du signal reçu.
Il est plutôt recommandé d'avoir 2 antennes de type différent. Par exemple une directionnelle et une omnidirectionnelle.
Il suffit ensuite de se positionner pour voler au maximum dans l'espace couvert par l'antenne directionnelle tout en ayant l'omnidirectionnelle pour se permettre de faire des passages derrière soi-même.
Exemple de récepteur diversity : http://www.banggood.com/Boscam-FR632-Diversity-5_8GHz-32CH-Auto-Scan-LCD-AV-Receiver-p-958097.html?rmmds=search
Connectique
Maintenant qu'on a vu les antennes, on va juste parler de la connectique. Il faut en effet faire assez attention à celle-ci lorsque l'on commande une antenne car il faut que celle-ci puisse idéalement se connecter directement sur l'équipement que l'on a.
Il est bien évidemment possible de mettre des adaptateurs si besoin mais là, il y a risque d'avoir perte au niveau de la puissance du signal reçu.
Voici les connectiques existantes (et les types "coudés" ou "droits")
Récepteurs (vRX)
Je sais, c'est supposé être un sujet qui parle des antennes et pas forcément des récepteurs. Mais récemment, j'ai pu constater quelque chose pas négligeable du tout dans les récepteurs.
Disposant de FatShark, j'avais un récepteur avec une sensibilité de -85dBm. Pour diverses raisons, j'ai acheté un autre récepteur mais sans forcément faire attention à ses caractéristiques. Celui-ci a une sensibilité de -90dBm. ça fait que 5 de différence et on passe de -85 à -90 donc seulement 5.8% d'augmentation. Ben en fait, c'est vraiment mais alors vraiment pas négligeable!! ces 5dBm de différence me permettent d'avoir un bien meilleur signal de réception sur le même spot où j'avais déjà volé avec les -85dBm.
Faites donc attention à cette sensibilité sur les vRX.
Conclusion
Oui parce qu'il faut toujours une conclusion ^^
- Il est plutôt conseillé d'utiliser des antennes polarisées circulaire. A vous de choisir si vous voulez du RHCP ou LHCP
- L'antenne idéale pour le quadri (vTX) doit être omnidirectionnelle et avoir le plus gros gain possible malgré tout. Il y a donc le choix entre les "cloverleaf", "pinwheel", "airscrew", "mushroomspironet" et "Skew Planar Wheel". A vous de voir.
- Pour le récepteur (vRX), ça dépend d'une part du budget et de l'utilisation que vous avez de votre quadri. [list]
- Si c'est pour du "long range", il vaut mieux privilégier une antenne directionnelle à gain élevé du type "helical", "crosshair" ou "patch". Le prix n'est pas trop grand si on prend un petit angle de fonctionnement (beamwidth)
- Si c'est pour du vol FPV prèsautour de vous: [list]
- Si vous arrivez à toujours voler relativement devant vous et que le budget le permet, c'est conseillé d'utiliser une antenne directionnelle avec un gain élevé du type "helical", "crosshair" ou "patch". Par contre, il faudra y mettre le prix pour que l'angle de fonctionnement (beamwidth) soit assez grand. Et il reste aussi toujours la possibilité de tourner la tête de temps en temps pour avoir un meilleur signal. Je le fais avec mon antenne et c'est pas si contraignant
- Si vous volez principalement autour de vous et que le budget est serré, mieux vaut se contenter d'une antenne omnidirectionnelle. Le gain sera plus petit qu'une directionnelle mais au moins, vous pourrez voler dans tous les coins
- Et si vous volez devant vous mais que vous passez de temps en temps derrière vous et que le budget le permet, on peut envisager un dispositif diversity avec d'une part une antenne directionnelle pour quand vous volez devant vous (majorité du temps) et une autre omnidirectionnelle quand vous volez derrière (de temps en temps).
Pour cette solution, il faudra idéalement avoir une antenne directionnelle avec un grand angle de fonctionnement ou alors souvent tourner la tête. Dans le cas contraire, c'est principalement l'antenne omnidirectionnelle qui risque d'avoir un meilleur signal que la directionnelle. On perd donc quelque peu l'avantage du diversity et de l'antenne à gain élevé.
[/list]
Si vous avez des compléments à ajouter ou des commentaires/corrections qu'il faudrait que j'apporte, faites-le moi savoir
Outils
C'est en anglais mais ça permet de se donner une idée de la portée et plus particulièrement de l'influence du changement d'une des valeurs sur la portée. Pour en revenir au chapitre sur les récepteurs, passer de -85dBm à -90dBm me fait passer de 5.7km à 9km de portée. Je vais jamais aussi loin bien sûr mais ça montre que le signal reçu est mieux géré.
http://www.maxmyrange.com
EDIT:
20.01.2016
- Petit complément sur antennes IBCrazy
- Corrections sur les informations données pour les dBi car pas 100% correctes.
- Ajout de l'info "axis" dans la partie de la polarisation circulaire
) les décibels fonctionnent sur une échelle logarithmique on multiplie par 2 quand on augmente de 3dB.