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Antennes Yagi
L'antenne Yagi ou antenne Yagi-Uda (du nom de ses inventeurs, Hidetsugu Yagi et Shintaro Uda) est une antenne à éléments parasites utilisable des HF aux UHF. Mécaniquement simple à réaliser, elle est très utilisée en télévision terrestre, en liaisons point à point et par les radioamateurs. Elle fut inventée peu avant la Seconde Guerre mondiale et utilisée pour les premiers radars.
Sommaire
Principe de fonctionnement
Une antenne Yagi peut 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.
Une autre image simplifiée est celle d'une focalisation : l'ensemble des éléments parasites se comporte comme une lentille diélectrique.
On peut démontrer que les propriétés (impédance, gain, etc.) d'une antenne quelconque sont les mêmes en transmission qu'en réception. Comme il est plus facile de comprendre le fonctionnement d'une antenne Yagi-Uda en transmission qu'en réception, nous commencerons par l'antenne en transmission.
Fonctionnement en émission
Comme indiqué plus haut, une antenne Yagi-Uda est formée par un élément alimenté (en général un simple dipôle ou un « trombone ») plus un ou plusieurs éléments isolés (de simples baguettes métalliques) et non alimentés. Ces éléments reçoivent le nom injuste d'éléments « parasites ». Le courant électrique qui circule dans l'élément alimenté produit par rayonnement un champ électromagnétique, lequel induit des courants dans les autres éléments. Le courant induit dans les éléments parasites produit à son tour d'autres champs rayonnés qui induisent du courant dans les autres éléments y compris sur l'élément alimenté. Finalement le courant qui circule dans chaque élément est le résultat de l'interaction entre tous les éléments. Ce courant dépend de sa position et de ses dimensions. Le champ électromagnétique rayonné par l'antenne dans une direction donnée sera la somme des champs rayonnés par chacun des éléments. Cette somme est compliquée par le fait que l'amplitude et la phase du courant qui circule dans chaque élément est différente. De plus, comme la distance à chaque élément dépend de la direction dans laquelle se situe le point de mesure du champ, la phase des différents champs et, en conséquence, leur somme dépendra de la direction.
Yagi élémentaire à deux éléments
Prenons l'exemple le plus simple : une antenne avec un élément alimenté et un seul élément parasite. Nous prendrons comme repère de phase le courant dans l'élément alimenté. La phase du courant qui circulera sur l'élément parasite dépendra de la distance entre les deux éléments et de la longueur et de la grosseur de l'élément parasite. L'amplitude du courant dépendra aussi de la position et de la longueur, mais elle est, en général, comparable au courant dans l'élément alimenté.
Plaçons l'élément parasite devant l'élément alimenté à une distance de
(où 
est la longueur d'onde) et ajustons sa longueur pour que le courant ait un retard de phase de 
. Dans ce cas, le calcul montre que le courant dans l'élément parasite est 1,19 fois plus grand que celui qui circule dans l'élément alimenté. Le champ rayonné vers l'arrière sera la somme du champ produit par l'élément alimenté plus celui rayonné par l'élément parasite. Mais ce champ a été émis avec un retard de 144° et comme il doit parcourir une distance supplémentaire de 
il subira en plus un retard de 36° ce qui fait que, vers l'arrière, les deux champs seront en opposition de phase et leur addition sera minimale. Par contre, dans l'émission vers l'avant, le champ émis par l'élément parasite gagnera 36° (au lieu de les perdre) et son retard ne sera que de 
. L'addition des deux champs sera maximale.Dans cet exemple précis l'amplitude E du champ électrique de l'onde électromagnétique rayonnée dans une direction
est donnée par la formule : 
Où 
est le champ produit par l'élément alimenté seul. Le gain est de 8,96 dBi.Antenne yagi à multiples éléments
Ce type d'élément parasite placé vers l'avant de l'antenne et qui renforce le champ vers l'avant s'appelle un « directeur ». Les éléments situés à l'arrière de l'antenne mais qui ont le même effet de renforcer le champ vers l'avant s'appellent « réflecteurs ». Mais il ne faut pas les confondre avec des surfaces ou des grillages réflecteurs utilisés dans d'autres types d'antennes.
On ajoute, en général, un seul réflecteur et plusieurs directeurs. Leurs positions et leurs longueurs sont calculés de sorte que les phases des courants résultants soient telles que l'addition des champs soit minimale vers l'arrière et maximale vers l'avant.
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 ».
Fonctionnement en réception
Pour l'antenne en réception, la phase et l'amplitude des courants induits dans les éléments est telle que le courant induit dans l'élément alimenté (cette fois l'élément relié au récepteur), est minimale pour les ondes venant de l'arrière et maximale pour les ondes venant de l'avant.
Antenne Yagi multibande
Antenne Yagi HF tribandeUne antenne Yagi fonctionnant sur plusieurs bandes de fréquence peut être réalisée, par exemple comme antenne de réception VHF et UHF pour la télévision terrestre, ou pour plusieurs bandes radioamateur. Des éléments de longueur adaptés aux bandes à utiliser sont montés autour d'un élément radiateur commun, ou les éléments sont rendus multibande par des circuits accordés série (ou traps).
Un exemple courant est l'antenne Yagi tribande des radioamateurs, avec trois ou quatre éléments pour 14 MHz 21 MHz et 28 MHz.
Modélisation
La détermination des espacements et longueurs de brins d'une antenne Yagi à plusieurs éléments peut s'effectuer avec des logiciels spécialisés, éventuellement libres comme MMANA. L'exemple ci-contre montre la modélisation d'une antenne à 28 MHz, en plan horizontal et transversal, y compris l'effet du sol.
Lien externe
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