Antenne Yagi-Uda
alimenté
Figure 1 : Une section d’antenne Yagi-Uda
alimenté
Figure 1 : Une section d’antenne Yagi-Uda
Une antenne très commune est celle de Yagi-Uda (du nom de ses inventeurs japonais), raccourcit le plus souvent comme d’antenne Yagi. Elle a été développée pour les courtes longueurs d’onde allant jusqu’à la bande UHF. Elle est très répandue à cause de sa simplicité et de son fort gain directionnel. On les voit le plus souvent pour la réception radio et télévisuelle mais elles sont également utilisées dans certains radars.
Une section d’antenne Yagi consiste en une antenne dipolaire et une série d’éléments parasites, montés parallèlement par leur centre sur une tige conductrice. Les éléments parasites sont le plus souvent soudés à la tige mais l’antenne dipolaire, qui est alimentée en son centre, ne l’est pas. Le dipôle reçoit et transmet le signal ce qui induit un courant dans les éléments parasites, la tige qui les relie n’interférant pas dans le processus. Elle peut donc être assimilée à une antenne réseau dont les éléments seraient alimentés par induction mutuelle.
Si les espacements et longueurs des brins sont optimaux, le diagramme de rayonnement et le gain est celui d'un réseau. L'ensemble des éléments parasites se comporte comme une lentille diélectrique. La bande passante d’une antenne Yagi-Uda est déterminée par la longueur, le diamètre et l’espacement des éléments. Dans la plupart des cas, elle est typiquement quelques pourcents de la fréquence d’opération.
Dans la figure 1, on peut voir une section d’antenne Yagi-Uda. On y retrouve une section dipolaire repliée pour en augmenter l’impédance et donc la puissance émise, trois éléments parasites appelés « directeurs » dans la direction où on veut émettre et un autre élément parasites appelé « réflecteur » à l’arrière du dipôle.
Principe d’opération
Figure 2 : Une antenne à deux éléments, un dipôle demi-onde résonant comme source et une tige parasite plus courte. On peut voir l’interaction des ondes émises par ces éléments (en rouge et bleu) qui donne le résultat en vert.
Figure 2 : Une antenne à deux éléments, un dipôle demi-onde résonant comme source et une tige parasite plus courte. On peut voir l’interaction des ondes émises par ces éléments (en rouge et bleu) qui donne le résultat en vert.
Une antenne Yagi comporte minimalement trois éléments: le dipôle, un directeur et un réflecteur. La longueur des parasites doit différer de celle du dipôle pour ne pas avoir la même fréquence de résonnance. L’espacement entre les éléments n’est pas uniforme non plus afin que les ondes transmises par le dipôle et par les éléments parasites soient en phase dans la direction désirée mais hors-phase dans la direction opposée.
Si le parasite est plus long que l’antenne dipôle, habituellement de 15 %, il aura une inductance et travaillera comme un réflecteur pour l’onde vers le dipôle. Les parasites plus courts, généralement de 5 % pour chaque brin successif, agiront comme une capacité dans un circuit et seront appelés « directeurs » car ils semblent diriger l’onde du dipôle vers la direction désirée tout en l’amplifiant. En général, plus le nombre d’éléments parasites utilisé est important, plus le gain et la capacité à focaliser sont grands. Cependant, en augmentant ce nombre, on diminue la bande passante.
Pour comprendre le fonctionnement de l’antenne, prenons le dipôle avec un seul parasite plus court (directeur) de la figure 2. L’onde du dipôle crée une onde par induction sur le parasite. Celle-ci aura un délai par rapport à l’onde incidente à cause du temps de réaction de la capacité du parasite en tension et courant. Si la distance est bien choisie, soit une distance entre les éléments égale au délai, les deux ondes seront en phase et s’additionneront dans la direction du directeur et se soustrairons dans la direction inverse car elle y seront hors-phase.
Figure 3 : Une antenne Yagi-Uda à trois éléments et le diagramme montrant la superposition des oscillations (vert) causées par le réflecteur (cyan), le dipôle (rouge) et le directeur (bleu foncé).
Figure 3 : Une antenne Yagi-Uda à trois éléments et le diagramme montrant la superposition des oscillations (vert) causées par le réflecteur (cyan), le dipôle (rouge) et le directeur (bleu foncé).
Cet assemblage simple peut être amélioré en ajoutant un élément réflecteur dans la direction opposée au directeur. En choisissant bien la distance au dipôle et la longueur de cet élément, son onde sera additive avec celle du directeur dans la direction désirée et minimisera le signal dans la direction opposée. Si on raccourci légèrement la longueur du directeur et si on le place à une distance plus faible que la demi-longueur d’onde du signal, on peut augmenter le gain jusqu’à 6 dB en synchronisant la phase des trois ondes produites.
L’ajout d’éléments directeurs à l’antenne Yagi-Uda se fait en optimisant la distance de ceux-ci pour amplifier le signal sortant. Pour un nombre raisonnable d’éléments, le gain est plus ou moins proportionnel à celui-ci mais l’effet diminue en augmentant le nombre de brins. Par exemple, une antenne Yagi à trois éléments a un gain de 5 à 6 dB mais en ajoutant un brin, on augmente le gain de seulement 2dB. Électriquement, le prix à payer pour cette directivité est une diminution de la partie résistive de l'impédance de l'antenne. Pour un même courant d'alimentation, le champ rayonné est plus faible. On le compense en remplaçant le dipôle simple alimenté par un dipôle double dit « trombone ».
L’antenne-réseau ainsi créée est une antenne à onde progressive, c’est-à-dire une antenne où l’onde se propage dans une seule direction d’un élément à l’autre et sans réflexion à son extrémité. L’onde initiée par le dipôle se propage vers les directeurs et le courant induit dans ceux-ci est à peu près le même de l’un à l’autre mais l’onde qu’ils réémettent à un délai temporel progressif. Cette propagation du signal dans l’antenne est d’environ 0,7 à 0,9 fois la vitesse de la lumière.
Figure 4 : Radar utilisant un groupe d’antennes Yagi-Uda, (P-18 « Spoon Rest D ») avec gain G = 69