L'antenne Yagi : simple, flexible et idéale pour les amateurs de DIY, ou à acheter prête à l'emploi

Les antennes et leurs configurations sont disponibles dans un nombre déconcertant de types de base — et de variations au sein de ces types — pour répondre aux besoins de diverses applications. Elles peuvent être aussi simples qu'une longue antenne filaire, ou se transformer en réseaux multibandes complexes, voire en configuration à entrées et sorties multiples (MIMO).

Parmi cet énorme ensemble d'antennes disponibles, il y en a une qui est depuis longtemps la préférée des amateurs de bricolage (DIY) et des concepteurs commerciaux : l'antenne Yagi (ou plus précisément l'antenne Yagi-Uda) (Figure 1).

Figure 1 : L'antenne Yagi de base est une antenne à trois éléments, largement utilisée dans les applications commerciales, résidentielles et militaires. On la voit souvent sur les toits ou sur des mâts. (Source de l'image : EuroCaster/Danemark)

Pourquoi les antennes Yagi sont-elles si populaires ?

La popularité des antennes Yagi s'explique par de nombreuses raisons :

1. Il est facile de calculer les dimensions nécessaires de l'antenne, même si l'analyse électromagnétique sous-jacente est compliquée.
2. Tout ajustement de ces dimensions pour tenir compte de problèmes pratiques (comme l'épaisseur des éléments et les effets de frange d'extrémité) est bien connu et peut être pris en compte dans l'analyse de dimensionnement.
3. Elles sont faciles à construire et compatibles avec les projets DIY.
4. Il est assez facile de fabriquer une version robuste pour l'extérieur en utilisant des tuyaux et des raccords standard disponibles dans les magasins de bricolage.
5. Elles sont de taille modeste pour les performances qu'elles offrent.
6. Elles disposent d'un point d'alimentation simple et unique avec une impédance essentiellement résistive, ce qui facilite l'adaptation à la ligne de transmission si nécessaire.
7. Elles offrent de multiples degrés de liberté en termes de réglages et sont faciles à modifier chez soi ou sur site en ce qui concerne le gain, la directivité, la largeur de bande, les lobes latéraux et d'autres facteurs (dans des limites raisonnables).
8. La conception de base offre un gain correct (typiquement de 8 à 10 décibels [dB]), généralement référencé par rapport à la valeur isotrope (dBi), un rapport avant/arrière élevé (10 à 20 dB typiques), une largeur de bande modeste (10 à 20 % du centre), et il existe des moyens d'améliorer ces chiffres.
9. Elles peuvent être conçues et fabriquées pour fonctionner sur une large gamme de fréquences, et de nombreuses unités commerciales sont disponibles pour la gamme de 30 mégahertz (MHz) à 3 gigahertz (GHz).
10. Leur construction est facilement modulable pour fournir des versions capables de gérer des puissances supérieures, jusqu'à des centaines de watts ou plus.

L'histoire de l'antenne Yagi

L'antenne Yagi a été développée en 1926 au Japon lorsque le professeur Shintaro Uda a présenté la théorie de cette antenne dans un journal japonais. Elle a fait l'objet d'une grande attention lorsqu'une traduction anglaise a été publiée peu de temps après par le professeur Hidetsugu Yagi dans Proceedings of the Imperial Academy (article intitulé Projector of the Sharpest Beam of Electric Waves), ce qui explique pourquoi le nom de Yagi y est étroitement associé.

Avant l'arrivée de la télévision câblée et du streaming sur Internet, la seule option pour recevoir un signal TV était un signal RF radio (OTA, over-the-air) à l'aide d'une antenne physique. Si vous vous trouviez à plus de 16 ou 32 km de l'émetteur TV, selon la puissance de l'émetteur et les spécificités de votre emplacement, vous aviez besoin d'une antenne avec un gain supérieur à celui d'un simple dipôle replié, et l'antenne Yagi était alors l'option la plus courante.

Ces antennes Yagi de télédiffusion étaient un article standard dans presque tous les magasins d'électronique, d'électroménager ou de bricolage, et le sont toujours dans une certaine mesure. Les téléspectateurs OTA qui souhaitaient recevoir les signaux d'émetteurs situés à différents angles de la maison pouvaient même ajouter des mécanismes manuels ou motorisés pour faire pivoter l'antenne Yagi vers l'émetteur qui les intéressait.

De nombreuses maisons dans les quartiers plus anciens ont encore leurs antennes Yagi en place (même si elles ne sont plus utilisées), fixées à la cheminée ou à un mât séparé. Ironiquement, avec la tendance du « cord-cutting » (désabonnement des services câblés), l'intérêt pour la télévision OTA s'est ravivé, et les ventes d'antennes de tous types (y compris Yagi) augmentent.

Au-delà de l'application TV OTA, l'antenne Yagi est largement utilisée dans la radiogoniométrie, la radio amateur, les systèmes militaires et les applications où une directivité élevée, un gain direct, un rapport avant/arrière élevé et des lobes latéraux minimes sont importants.

Les bases du fonctionnement d'une antenne Yagi

L'antenne Yagi la plus simple comporte trois éléments disposés le long d'une poutre de support, qui est généralement métallique (Figure 2). Seul l'élément central est connecté électriquement (désigné comme l'élément « commandé »), et il s'agit soit d'un simple dipôle demi-onde à alimentation centrale, soit d'une antenne dipôle repliée. Derrière l'élément commandé se trouve un élément réflecteur isolé, un peu plus long, et devant l'élément commandé se trouve un élément « directeur » isolé, plus court.

Figure 2 : L'antenne Yagi de base comporte trois éléments, à savoir un élément dipôle commandé (actif) avec un réflecteur passif derrière et un élément directeur passif devant, le tout monté sur une même perche. (Source de l'image : RFWireless-World)

Le réflecteur et le directeur sont parfois appelés éléments « parasites », par opposition à l'élément actif et commandé. Cependant, contrairement aux éléments parasites indésirables qui nuisent aux performances des composants dans leurs circuits, ces éléments parasites sont essentiels au fonctionnement de l'antenne. Le principe de fonctionnement repose sur « l'adaptation » des éléments réflecteur et directeur de manière à ce qu'ils déforment délibérément le champ électromagnétique (EM) de l'élément commandé.

Le réflecteur est dimensionné de façon à apparaître inductif dans la largeur de bande concernée. Les courants électromagnétiques induits dans l'élément commandé sont alors déphasés par rapport à l'élément réflecteur et dévient la puissance de l'élément parasite. L'antenne rayonne ainsi davantage de puissance RF dans la direction opposée à l'élément parasite.

Il est possible de rendre le réflecteur inductif en ajoutant une bobine distincte, mais dans la pratique, on utilise presque toujours la méthode la plus simple et la moins chère qui consiste à rendre le réflecteur plus long que l'élément commandé. En règle générale, il faut qu'il soit 5 % plus long que l'élément commandé.

En revanche, en rendant l'élément parasite capacitif, les courants induits sont déphasés et dirigent la puissance rayonnée par l'antenne entière dans la direction de cet élément. Encore une fois, cela peut se faire grâce à un condensateur distinct, mais la méthode privilégiée consiste presque toujours à le rendre environ 5 % plus court que l'élément commandé.

L'espacement entre l'élément commandé et les éléments passifs est également primordial. Comme point de départ, l'espacement entre l'élément commandé et le réflecteur varie de 0,23 longueur d'onde (λ) à 0,35 λ, tandis que l'espacement entre l'élément commandé et l'élément directeur varie de 0,125 λ à 0,15 λ. Il en résulte un diagramme de rayonnement avec une directivité et un rapport avant/arrière élevés, ainsi que des lobes latéraux modestes (Figure 3).

Figure 3 : Le diagramme de rayonnement générique de l'antenne Yagi simple montre une directivité et un rapport avant/arrière élevés, ainsi que des lobes latéraux modestes. (Source de l'image : Electronics-Club)

Cette antenne Yagi de base apparaît comme une ligne de transmission équilibrée avec une impédance résistive comprise entre 10 ohms (Ω) et 40 Ω, et un circuit d'adaptation d'impédance est donc nécessaire. L'antenne peut également être commandée par un symétriseur d'adaptation d'impédance, qui transforme également une ligne de transmission coaxiale non équilibrée en ligne équilibrée.

Flexibilité de l'antenne Yagi

Comme vous pouvez le constater dans la disposition de base de l'antenne Yagi, celle-ci offre de nombreux degrés de liberté quant aux réglages. En changeant les longueurs et les diamètres de l'élément commandé et des éléments parasites, ainsi que leur espacement, le concepteur peut modifier les paramètres de directivité, de gain, de rapport avant/arrière, de largeur de bande et de lobes latéraux de l'antenne, pour n'en citer que quelques-uns.

La flexibilité de l'antenne Yagi va au-delà de ces changements, puisqu'elle n'est pas limitée à trois éléments seulement. En ajoutant d'autres éléments directeurs (qui sont de plus en plus courts à mesure qu'ils s'éloignent de l'élément commandé), la directivité de l'antenne peut être augmentée et les lobes latéraux peuvent être réduits (Figure 4).

Figure 4 : En ajoutant d'autres éléments directeurs passifs sur une perche rallongée, la directivité et le rapport avant/arrière de l'antenne Yagi peuvent être augmentés, tandis que les lobes latéraux sont réduits. (Source de l'image : Electronics-Notes)

L'espacement entre ces éléments directeurs supplémentaires représente également une fraction de longueur d'onde, offrant ainsi un autre paramètre qui peut être réglé pour affiner les performances de l'antenne Yagi en fonction de l'application. Certaines antennes Yagi possèdent une demi-douzaine d'éléments directeurs ou plus (Figure 5). L'ajout de ces éléments supplémentaires augmente la longueur totale du support principal, mais a peu d'impact sur la complexité.

Figure 5 : L'ajout d'éléments directeurs supplémentaires augmente la longueur de la perche, mais a peu d'impact sur la complexité de la construction, comme le montre cette antenne Yagi avec sept éléments directeurs. (Source de l'image : TreLink Communication Co., Ltd.)

Antennes Yagi disponibles

Des unités Yagi standard sont disponibles pour de nombreuses parties du spectre, en plus de celles conçues expressément pour la télévision OTA dans les anciennes bandes analogiques ou les bandes numériques plus récentes. Par exemple, le 220-6H-MK d'Antenna Technologies Limited Company est une antenne Yagi à six éléments (un élément commandé, un réflecteur, quatre éléments directeurs) centrée à 220 MHz avec une largeur de bande de 3 dB de 215 MHz à 225 MHz (Figure 6).

Figure 6 : L'antenne Yagi 220-6H-MK offre une largeur de bande de 3 dB de 215 MHz à 225 MHz et comporte un élément commandé, un réflecteur et quatre éléments directeurs. (Source de l'image : Antenna Technologies Limited Company)

Cette antenne à usage intensif ne pèse que 1,9 kg, présente un gain de 9 dBi, un rapport avant/arrière de 15 dB et une perche de 1,5 mètre. Elle présente une surface de prise au vent de seulement 0,06 m², ce qui lui permet de résister à des vents jusqu'à 200 km/h.

Pour les fréquences plus élevées, le modèle Oscar 3A quadribande de Siretta Ltd. offre une couverture à des fréquences centrales de 850, 900, 1800 et 1900 MHz pour les applications GSM/GPRS (Figure 7). Cette antenne à polarisation verticale peut gérer jusqu'à 200 watts (W) et présente un gain de 11 dBi avec un rapport d'ondes stationnaires en tension (ROS) inférieur à 1,6 sur toute sa plage de fonctionnement. Elle mesure 570 millimètres (mm) de long × 180 mm de large × 36 mm de haut et est fournie avec un connecteur mâle FME ainsi qu'une pince de fixation universelle pour une utilisation sur des mâts d'antenne standard (Figure 7).

Figure 7 : Le modèle Oscar 3A offre une couverture à des fréquences centrales de 850, 900, 1800 et 1900 MHz et peut supporter jusqu'à 200 W tout en présentant un gain de 11 dBi avec un ROS inférieur à 1,6. Il est fourni avec le matériel de montage de base pour une fixation sur mât. (Source de l'image : Siretta Ltd.)

Conclusion

Vieille de près de 100 ans, l'antenne Yagi-Uda est toujours largement utilisée, car c'est l'une des configurations d'antenne les plus flexibles, polyvalentes et ajustables. Elle est bien adaptée aux applications nécessitant un gain, une directivité et un rapport avant/arrière élevés, ainsi que de faibles lobes latéraux. Cette antenne à l'aspect simple est disponible comme article standard pour de nombreuses bandes de fréquences auprès de sociétés comme Antenna Technologies Company et Siretta. Elle peut également être fabriquée facilement par les bricoleurs et ajustée selon les besoins. En raison de sa popularité et de sa longue histoire, il existe des milliers de références de recherche, s'étendant des analyses EM hautement théoriques aux articles pratiques de conception et d'évaluation.

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