L’antenne Yagi-Uda : généralités

Historique

C’est vers 1924 que l’ingénieur japonais Shintaro UDA de l’université Tohoru de Sendai (Japon), conçut l’antenne directive qui allait immortaliser le nom de son professeur de l’époque : Hidetsugu YAGI. La première publication de la découverte eut lieu en 1926 en japonais et en 1928 en anglais, dans une revue scientifique spécialisée publiée aux USA sous le nom de “The Proceedings of the Institute of Radio Engineers”. Les radioamateurs commencèrent à l’expérimenter dès 1934. Cette antenne fut largement utilisée pendant la Seconde Guerre mondiale pour les radars mais c’est avec le développement de la télévision dans les années 1950 qu’elle se répandit par millions sur les toits des habitations sous le nom commun de “rateau”.

Description

L’antenne Yagi est une antenne directive dont le gain est supérieur à celui du dipôle dans la direction avant et inférieur dans la direction arrière.

Elle se compose de :

un dipôle demi-onde, alimenté comme il se doit en son milieu, c’est l’élément radiateur
un (ou plusieurs) élément réflecteur, non alimenté
un (ou plusieurs) élément directeur, non alimenté

Les éléments non alimentés sont qualifiés de “parasites” La configuration minimum pour une antenne yagi correspond à un dipôle accompagné d’un seul élément parasite, un réflecteur (le plus souvent) ou un directeur.

Principe de fonctionnement

Si on place un conducteur de longueur égale à une demi-onde à proximité d’un dipôle, le champ électromagnétique rayonné par ce dernier induit un courant HF de même fréquence mais d’amplitude bien moindre dans le conducteur. On peut comparer ce phénomène à celui qui se produit dans un transformateur, le dipôle jouant le rôle d’enroulement primaire. On peut aller plus loin en imaginant deux circuit oscillants accordés sur la même fréquence et couplés l’un à l’autre. Le dipôle, élément rayonnant, est appelé “radiateur” dans une antenne yagi, tandis que les autres éléments qui lui sont subordonnés, sont les éléments parasites.

L’élément parasite qui est le siège d’un courant HF va rayonner, comme le dipôle. Si les deux éléments sont placés parallèlement l’un à l’autre et à une distance qui est de l’ordre de l/10 les champs électromagnétiques vont se perturber mutuellement. Le diagramme de rayonnement du dipôle va être déformé et deux cas peuvent se produire :

l’élément parasite est plus court que le radiateur : le lobe principal de rayonnement du dipôle sera renforcé dans la direction radiateur->élément parasite. L’élément parasite est directeur.
l’élément parasite est plus long que le radiateur : le lobe principal de rayonnement du dipôle sera renforcé dans la direction élément parasite->radiateur. L’élément parasite est réflecteur.

Les performances de l’antenne dépend de la longueur et du diamètre de chacun des éléments et de l’espacement entre éléments. Un directeur, plus court que le radiateur, se comporte comme un dipôle alimenté en son centre et dont l’impédance serait capacitive. Dans le même ordre d’idée l’élément réflecteur, plus long que le radiateur, a une impédance selfique. Le déphasage entre le courant traversant le radiateur et celui induit dans l’élément parasite dépend de l’espacement entre éléments et de la réactance de celui-ci. C’est le déphasage entre les champs électromagnétiques produits par les deux éléments qui détermine le diagramme de rayonnement de l’ensemble.

Caractéristiques

Pour augmenter le gain avant de l’antenne, il suffit d’ajouter des éléments directeurs. Cette pratique a toutefois des limites :

mécaniques car la longueur de l’antenne peut poser des problèmes de réalisation
électriques car le gain n’est pas proportionnel au nombre d’éléments et plafonne assez rapidement.

Le rapport avant-arrière est déterminé principalement par le ou les éléments réflecteurs. La bande passante de l’antenne Yagi est assez étroite mais elle couvre sans problème la totalité d’une bande amateur comme celle des 20 ou 15 m. En télévision UHF, des antennes à large bande sont réalisées à l’aide d’éléments en forme de X. L’impédance au point d’alimentation, c’est à dire au centre du dipôle “radiateur” est généralement de 50 ou 75 ohms. L’adaptation d’impédance étant assurée soit avec un dipôle replié (folded dipole), un gamma-match (ou système équivalent) ou encore un balun transformateur d’impédance.

La directivité de l’antenne Yagi est en étroite relation avec son gain. Une Yagi 7 éléments avec un gain de 12dBi a un angle d’ouverture en polarisation horizontale de l’ordre de 40 degrés à -3dB. La polarisation d’une Yagi ordinaire est celle du dipôle qui joue le rôle de radiateur.

Domaine d’utilisation

Dans le domaine amateur, on rencontre l’antenne Yagi depuis les bandes décamétriques les plus basses jusqu’à 3 GHz.

bande 80 m : exceptionnel. SM2DMU a pourtant érigé une 4 éléments rotative ! On peut trouver aussi des Yagi filaires, donc fixes.
bande 40 m : des Yagi 2 ou 3 éléments “full sized” (non raccourcies) ne sont pas rares
bandes 20 à 10 m : la “beam” à 3 ou 4 éléments est très courante, c’est l’antenne standard pour ceux qui dispose de la place nécessaire.
bandes 6 m à 13 cm : domaine de prédilection de l’antenne Yagi.

Variantes et utilisations particulières

L’antenne quagi est une Yagi dont on a remplacé le réflecteur et le radiateur par des cadres
Deux antennes Yagi dont les plans font un angle droit et correctement couplées permettent de réaliser une antenne à polarisation circulaire utile pour trafiquer via satellite.
Un groupement d’antennes Yagi permet d’obtenir un très grand gain. Le gain du système d’antenne augmente de 3dB à chaque fois que le nombre d’antennes élémentaires double.
On peut réaliser une antenne yagi à 3 ou 4 éléments pour les bandes 10,15 et 20 mètres en intercalant des trappes sur chaque élément.
Il est possible de raccourcir un dipôle en utilisant des selfs (ou des condensateurs à ses extrémités), on peut fabriquer des beams compactes dont les performances sont un peu dégradées.
L’antenne log-périodique est une Yagi particulière à très large bande
L’antenne HB9CV, avec ses deux éléments alimentés, a des performances proches de celles d’une 3 éléments sans en avoir la longueur.
Il est possible de réaliser une antenne Yagi filaire comme on le fait pour un doublet.