Vous en avez assez des portées décevantes avec les petites antennes « caoutchouc » livrées par défaut avec vos modules LoRa ? Souvent mal accordées, ces antennes brident les performances de vos projets IoT. Dans cet article, je vous propose de passer à la vitesse supérieure en fabriquant votre propre antenne Moxon 868 MHz.
Nous ne ferons pas les choses au hasard : de la découpe du cuivre à la mise en boîte en PETG, nous allons suivre un protocole de mesure rigoureux. Grâce au NanoVNA, nous ajusterons chaque millimètre à la lime pour obtenir un accord parfait. Plongez avec moi dans les coulisses de l’ UHF pour offrir à votre passerelle LoRa ou votre module Elecrow la portée qu’ils méritent vraiment !

 

Marre des antennes caoutchouc pour LoRa ? Construisez votre antenne Moxon 868 MHz haute performance

Pourquoi choisir une antenne directive pour le LoRa / Meshtastic ?

Dans le monde de la radio, tout est question de compromis. La petite antenne « caoutchouc » livrée avec votre module est une antenne omnidirectionnelle : elle arrose à 360 degrés. C’est pratique en mobile, mais c’est un gaspillage d’énergie colossal si vous essayez d’établir une liaison stable dans un environnement complexe.

Ici, au Creusot, je suis littéralement adossé au relief du Morvan. Pour mes prochains tests sur les modules Elecrow M6 (Solaire) et M5 -que j’attends avec impatience-, je ne peux pas me contenter d’arroser les collines environnantes au hasard. Dans un réseau Mesh comme Meshtastic, il est parfois crucial de pouvoir « pousser » le signal vers un nœud distant ou une passerelle spécifique pour franchir un obstacle géographique.

Regardez attentivement cette simulation (réalisée avec HeyWhatThat). Les zones en rouge représentent ce qu’une antenne omnidirectionnelle « voit » réellement en ligne de visée directe (LOS – Line of Sight). Le constat est sans appel et illustre parfaitement mon propos précédent :

• Le bouclier du Morvan : À l’Ouest et au Nord-Ouest (vers Saint-Sernin-du-Bois), c’est le « black-out ». Le relief du Morvan bloque net toute velléité de propagation. Inutile d’essayer d’arroser par là, à moins de vouloir chauffer les sapins !
• Le couloir de la chance : On voit nettement que le signal s’échappe naturellement vers le Sud-Est, en direction de Montchanin, Blanzy et Montceau-les-Mines.

C’est précisément ici que la Moxon prend tout son sens. Imaginez la différence entre une ampoule nue qui éclaire faiblement toute une pièce et une lampe de poche qui concentre tout son faisceau sur un point précis. En concentrant l’énergie vers l’horizon qui nous intéresse, on augmente virtuellement la puissance d’émission (le gain) et la sensibilité en réception. J’ai donc choisi cette antenne car j’ai peu d’intérêt à gaspiller de l’énergie vers le Morvan… Ça n’ira pas très loin. La Moxon va concentrer la puissance des modules Meshtastic dans la direction la plus favorable.

Comment ça marche ? La magie du rectangle Moxon

Si vous regardez une antenne Moxon pour la première fois, vous voyez un simple rectangle de fil de cuivre un peu bizarre. Pourtant, derrière cette géométrie se cache une ingéniosité redoutable. C’est ce qu’on appelle une antenne à deux éléments parasites, dérivée de la célèbre antenne Yagi (celle de nos vieux râteaux TV).

Elle se compose de deux parties distinctes :

• Le Radiateur (Driven Element) : C’est la partie « active » de l’antenne, celle qui est reliée à votre câble coaxial. C’est elle qui transforme l’énergie électrique de votre module Elecrow en ondes radio.
• Le Réflecteur : C’est le brin situé à l’arrière. Il n’est relié à rien du tout ! Son rôle est de jouer les miroirs. Il capte l’onde du radiateur et la renvoie vers l’avant par déphasage.

Le secret de la Moxon ? Ses extrémités sont repliées l’une vers l’autre. En « pliant » ainsi un dipôle classique, on obtient une antenne beaucoup plus compacte, mais surtout, on crée un couplage capacitif au niveau des pointes (le fameux « gap » ou espace vide).

C’est ce réglage au millimètre près qui donne à la Moxon ses propriétés exceptionnelles : une excellente directivité et un rapport « Avant/Arrière » très élevé. En clair, elle « pousse » fort devant et ignore royalement ce qui se passe derrière. Idéal quand on a le Morvan dans le dos !

Le matériel : La liste de courses du « Moxonneur »

Pour fabriquer une antenne digne de ce nom, il ne faut pas grand-chose, mais il faut de la qualité. On ne construit pas un instrument de précision avec des matériaux de récupération douteux. Voici ce qu’il vous faut sur l’établi :

• Du fil de cuivre rigide : J’ai opté pour un fil  de diamètre 1,7 mm. C’est le compromis idéal entre la tenue mécanique (pour que l’antenne ne se déforme pas au premier coup de vent) et la facilité de mise en œuvre. C’est du fil de cuivre rigide d’installation électrique domestique.
• Un boîtier en PETG : Le boîtier a été imprimé en 3D. Pourquoi le PETG ? Parce qu’il résiste mieux aux UV et aux intempéries que le PLA. L’antenne va vivre dehors, ne l’oublions pas ! Et puis l’auteur de l’antenne (Constantine) a dimensionné son antenne avec une boîtier en PETG.
• Câble coaxial RG-316 : Un petit pigtail avec un connecteur SMA mâle pour relier l’antenne à nos modules Elecrow ou au NanoVNA.
• Colle T9000 : C’est la botte secrète pour l’étanchéité. Elle reste souple et assure un scellage parfait du boîtier tout en protégeant les soudures de l’oxydation. C’est une colle habituellement utilisée pour les téléphones portables.

Les outils indispensables

C’est ici que l’on sépare le bricoleur du Maker averti. Pour accorder une antenne à 868 MHz, l’oreille ne suffit pas :

• Le NanoVNA : C’est le juge de paix. Sans cet analyseur de réseau vectoriel, vous avancez à l’aveugle. Il va nous permettre de visualiser en temps réel la résonance de l’antenne.
• Un fer à souder : De précision, pour une connexion propre sur le cuivre.
• Une lime fine : Notre outil de réglage « haute fréquence ». On coupe puis on ajuste au dixième de millimètre !

Les secrets de fabrication : Le design de Constantine

Pour ce projet, je me suis appuyé sur le design de Constantine, un maker qui ne se contente pas des calculateurs théoriques. Sa force ? Avoir intégré l’influence du plastique (le diélectrique) directement dans les dimensions de l’antenne. Voici les points clés à retenir pour une réalisation parfaite :

Le Balun « Sleeve » : L’astuce pour un signal propre

C’est le détail qui change tout. Pour éviter que le blindage du câble coaxial ne rayonne et ne fausse le diagramme de l’antenne, Constantine propose un balun simplifié (un manchon de symétrisation) :

1. On récupère la tresse d’un morceau de câble RG-316 de 85 à 90 mm.
2. On enfile cette tresse par-dessus le câble d’alimentation principal.
3. La mesure critique : On étire cette tresse pour qu’elle mesure exactement 59,6 mm (longueur électrique quart d’onde sur 868 MHz). Recoupez la si nécessaire à 59,6mm.
4. Le bas de la tresse est soudé sur le blindage du câble principal (en retirant une petite bague d’isolant de 3 à 4 mm), tandis que le haut reste « en l’air », bloqué par de la gaine thermorétractable.

Assemblage et Polarisation

Le montage est polarisé ! Sur le boîtier, un petit hexagone marque l’élément de droite (où l’on soude l’âme centrale du coaxial). L’élément de gauche reçoit la tresse. Pour une efficacité maximale, les extrémités du cuivre doivent être parfaitement planes (limées) pour garantir un « Gap » précis de moins d’un millimètre.

« Le secret final ? La T9000. On encolle généreusement les gorges et les surfaces planes, on presse le tout avec une forêt de pinces à linge, et on laisse polymériser 24 heures. C’est cette étape qui figera l’accordage final. »

 

Fabrication pas à pas : De la Prusa au fer à souder

La construction d’une antenne à 868 MHz ne supporte pas l’approximation. À cette fréquence, un millimètre de trop sur un brin rayonnant, et votre résonance s’envoie en l’air. Voici ma méthode de travail, étape par étape.

1. L’impression du châssis en PETG

Tout commence sur le plateau de la Prusa Core One. Le boîtier est imprimé en deux parties (base et couvercle). J’ai choisi du PETG pour sa résistance aux UV et sa robustesse mécanique et aussi parce que le design de Constantine est fait pour cette matière.

2. Préparation du cuivre : La rigueur est de mise

On commence par redresser le fil de cuivre de 1,7 mm. Il doit être parfaitement rectiligne avant le pliage. J’ai récupéré du fil électrique rigide utilisé pour les installations intérieures.  Une extrémité dans un étau, l’autre dans une pince (2 ou 3 tours) et je tire très fort. on sent un léger allongement et le cuivre est très droit et rigide. Une fois coupé aux dimensions de Constantine, on le place dans les rainures du boîtier.

Le détail « Expert » : Ne coupez pas le radiateur (le brin actif) au milieu dès le départ. Formez d’abord le radiateur complet, insérez-le dans les gorges du boîtier pour qu’il épouse parfaitement la forme géométrique, marquez le milieu exact, puis retirez-le pour effectuer la coupe. L’ébavurage doit être réalisé à la lime fine : le « gap » (l’espace entre les deux brins du radiateur) doit être net et exempt de toute bavure de coupe pour garantir la précision de l’accord RF.

Pour optimiser la liaison, j’ai pratiqué un méplat sur chaque extrémité du radiateur (avec une mini lime diamant). Celui destiné au côté « tresse » du coaxial est légèrement plus large pour offrir une surface de contact supérieure. L’objectif est double : assurer une prise de soudure irréprochable tout en conservant un diamètre global le plus proche possible de 1,7 mm pour ne pas fausser l’impédance de l’antenne.

L’opération de soudure se fait bien entendu hors du boîtier pour éviter toute déformation thermique du PETG. Pour cet assemblage, j’ai choisi un alliage Sn60PbCu2 (Étain 60 %, Plomb 38 %, Cuivre 2 %). Ce choix répond à deux impératifs techniques :

• Qualité de mouillage : La présence de plomb assure une bien meilleure mouillabilité et une souplesse mécanique du joint de soudure, indispensable pour une antenne soumise aux variations de température extérieures.
• Protection contre la lixiviation : L’ajout de 2 % de cuivre dans l’alliage sature la soudure et empêche cette dernière de « dissoudre » le cuivre de vos brins rayonnants (ou de la panne de votre fer). On obtient une liaison atomique parfaite sans affaiblir la section du conducteur, garantissant que les courants haute fréquence circulent sur une surface intègre.

3. Le câble coaxial et son balun « Sleeve »

 

C’est l’étape la plus délicate. On utilise du RG-316.

Pour éviter les courants de gaine, on fabrique un manchon symétriseur (balun) en récupérant une tresse de blindage que l’on vient glisser par-dessus le câble principal.

• On étire la tresse pour obtenir précisément 59,6 mm. On coupe le surplus en laissant 2 ou 3 mm d’isolant vers les contacts qui seront soudés sur l ‘antenne. Le balun ne doit absolument pas toucher la gaine du câble à l’extrémité.

• On dénude une petite zone d’isolant sur le câble principal à 64 mm environ de l’extrémité, pour souder la base de la tresse qui constitue le balun. Attention de ne pas blesser la tresse du câble en enlevant l’isolant.

• On protège la soudure et on bloque l’extrémité libre avec de la gaine thermorétractable.

4. Soudure et mise en boîte

Une fois le câble préparé, on soude l’âme centrale sur le brin de droite (repéré par un hexagone sur le boîtier) et la tresse sur le brin de gauche. On remet en place dans le boîtier, en plaquant bien le cuivre au fond des gorges.

Vient ensuite l’étape du scellement : on dépose un cordon généreux de T9000 dans les rainures et sur le pourtour.

On referme avec le couvercle et on sort l’artillerie lourde : une forêt de pinces à linge pour maintenir une pression constante pendant les 24h de séchage. Injectez également de la colle dans le trou d’où sort le câble coaxial pour renforcer l’étanchéité.

Le verdict final : Une Moxon de précision

Après un séchage complet de 22 heures, la structure de l’antenne Moxon et sa colle T9000 sont désormais parfaitement stabilisées. Pour obtenir une mesure rigoureuse, j’ai placé l’ensemble sur un plan de travail en bois, l’antenne étant positionnée en bord de table et éloignée d’au moins un mètre de toute masse métallique.

Afin d’éliminer totalement l’effet de main (couplage capacitif) qui décale systématiquement la résonance à ces fréquences, j’ai piloté le balayage à distance depuis le PC. Les résultats obtenus confirment l’excellence du design de Constantine, même avec l’adaptation d’un fil de 1,7 mm.

Analyse des mesures au NanoVNA

Le scan réalisé entre 850 et 890 MHz montre une antenne parfaitement saine :

• Fréquence cible (869,4 MHz) : On obtient un ROS (SWR) de 1,10 avec un Return Loss de -25,9 dB.
• Point de résonance minimal : Il se situe à 874,8 MHz (SWR 1,09). Ce léger décalage vers le haut confirme que l’antenne est « électriquement » un poil courte, mais sa bande passante est tellement large que les performances sur le segment LoRa 868 MHz restent optimales.
• Impédance : La valeur lue est de 51,2 Ω, une adaptation quasiment parfaite pour l’étage de sortie de nos modules Meshtastic.

L’image ci-dessous, issue de la communauté Meshtastic, montre une antenne de ce type utilisée en mode mobile sur un tableau de bord. C’est une configuration très efficace pour établir une liaison directionnelle vers un nœud distante.

En attente des essais de portée

Si la partie antenne est désormais validée et « bonne pour le service », la validation finale sur le terrain devra patienter encore un peu. Les modules M6 solaire et M5 de chez Elecrow n’étant pas encore arrivés à l’atelier, les essais réels de portée (Range Tests) seront effectués et publiés dès réception du matériel. Nous pourrons alors vérifier si la théorie et les mesures de laboratoire se traduisent par des kilomètres de liaison supplémentaires sur le terrain.

Un autre modèle

Créé par Frédéric F4HQJ, cet autre modèle d’antenne Moxon pourra peut être vous sembler plus intéressant que celui de Constantine. Il diffère en particulier par l’attaque du dipôle qui est perpendiculaire au plan de l’antenne.

Conclusion

Cela faisait bien longtemps que je n’avais pas sorti le fer à souder et les pinces pour réaliser un aérien de A à Z. Cette immersion dans le projet Meshtastic a été une excellente opportunité de renouer avec cet aspect passionnant des activités OM, mêlant géométrie rigoureuse et mesures de précision. Retravailler l’adaptation d’impédance et la résonance à l’aide d’outils modernes comme le NanoVNA apporte une dimension technique gratifiante à notre culture Maker. Ce projet prouve qu’avec de la patience et de la précision, il est tout à fait possible de fabriquer soi-même des composants performants qui n’ont rien à envier au matériel du commerce. C’est un retour aux sources rafraîchissant qui, je l’espère, vous incitera à franchir le pas et à confectionner vos propres antennes pour vos futurs réseaux LoRa.

Sources

https://www.printables.com/model/1440866-yet-another-868mhz-moxon-antennahttp://f1rzv.free.fr/moxon/https://cults3d.com/fr/mod%C3%A8le-3d/divers/antenne-moxon-868-mhz-meshtastichttps://electronics.stackexchange.com/questions/612645/how-sleeve-balun-workshttps://www.facebook.com/groups/276059605530869/user/100002648359830/