La yagi histoire & fonctionnement

par **Mhz** Sam 13 Mai - 23:13

En 1924/25, Shintaro Uda - ingénieur et professeur adjoint à l'Université impériale de Tohoku au Japon - a inventé un système d'antenne multi-éléments hautement directionnel. De 1925 à 1929, il publie ses recherches dans une douzaine d'articles dans le Journal of the Institute of Electrical Engineers au Japon. En 1926, il copublie un premier article hors du Japon (USA, réf. 18D) avec le professeur Hidetsugu Yagi , qui n'a qu'une implication subalterne dans la R&D proprement dite. Ce dernier article propose également d'utiliser ce type d'antenne pour des radiobalises directives. En décembre 1925, Yagi a breveté le système d'antenne au Japon ( 69115 ), se présentant comme le seul inventeur. En 1932, Yagi dépose un brevet similaire en Allemagne ( 475293) et aux États-Unis ( 1860123 ). Ce dernier a Radio Corp. of America (RCA) comme cessionnaire/propriétaire du brevet. RCA était la Marconi Wireless Telegraph Company of America ("American Marconi") jusqu'à ce qu'elle soit acquise par la General Electric Co. en 1919.

Depuis, ce type de système d'antenne est communément appelé antenne "Yagi-Uda", ou pire encore, simplement antenne "Yagi".... Ref. 18A-18C.

Dans sa forme la plus simple, l'antenne "faisceau" Uda est une antenne à 2 éléments. Il comporte un seul élément rayonnant "piloté", c'est-à-dire relié à un émetteur (ou récepteur, ou émetteur-récepteur), et un seul élément passif. Ce dernier n'est pas entraîné. Typiquement, l'élément piloté est un simple dipôle résonnant 1/2 longueur d'onde standard. L'élément passif est un monopôle : essentiellement une tige légèrement plus longue ou plus courte que l'élément entraîné. Cet élément est placé à une certaine distance (typiquement 0,1 - 0,25 longueur d'onde) et parallèlement à l'élément entraîné. Les deux éléments sont couplés électromagnétiquement (EM) : le rayonnement EM de l'élément entraîné induit un courant dans l'élément passif. De cette façon, l'élément passif "se nourrit" de l'élément entraîné. C'est pourquoi l'élément passif est aussi appelé "

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Fig. 2A : Principe d'une antenne Yagi-Uda à 4 éléments
(source : wikipedia.org ; D = directeur, R = réflecteur, E = élément excité/entraîné ; regardez attentivement : l'onde verte émane de E, les ondes rouge, bleue et rose de R, D2 et D1, respectivement)

Les ondes émises par les deux éléments se combinent dans toutes les directions - elles se superposent. Il en résulte un motif d'interférence tridimensionnel autour de l'antenne. En raison de la distance spatiale, il existe un retard de phase entre le rayonnement de l'élément entraîné et le re-rayonnement par l'élément passif. Si l'élément passif est légèrement plus long que l'élément entraîné (typiquement d'environ 5 %), son courant rayonnant est en retard sur la tension induite dans cet élément par l'élément entraîné. Par conséquent, les ondes des deux éléments se combinent de manière constructive (= amplification) du côté de l'élément entraîné qui est éloigné de l'élément passif.

Du côté de l'élément passif de l'élément entraîné, les ondes se combinent de manière destructive (= extinction). Par conséquent, un tel élément passif est appelé "réflecteur". A l'inverse, le courant re-rayonné devance la tension induite si l'élément passif est légèrement plus court que l'élément entraîné. Son re-rayonnement se combine de manière constructive du même côté de l'élément entraîné en tant qu'élément passif. Un tel élément passif est appelé "réalisateur". L'élément entraîné par lui-même a un diagramme de rayonnement qui est symétrique : un tore (en forme de "beignet"), l'élément dépassant des deux côtés du trou du tore. En effet, un réflecteur ou un directeur concentre l'énergie rayonnée par l'élément alimenté dans une direction de "faisceau" particulière, en réduisant l'énergie rayonnée dans toutes les autres directions. Les antennes Uda à plus de deux éléments ont un réflecteur et un ou plusieurs directeurs, tous en parallèle. C'est-à-dire un réseau linéaire. A noter que chaque élément est couplé à tous les autres éléments : tous les re-rayonnements sont re-rayonnés par tous les autres éléments, etc. La taille et l'espacement individuel des éléments déterminent combien l'énergie rayonnée est concentrée dans le lobe du faisceau avant ( = gain avant), combien dans le lobe arrière ( = le rapport avant-arrière ou avant-arrière), les lobes latéraux (le cas échéant), la largeur du faisceau, l'impédance du point d'alimentation (donc la bande passante SWR), etc. Une antenne à faisceau standard à 3 éléments a généralement un gain direct d'environ 6 dB (facteur de puissance 4x). Conformément à l'universelLoi des rendements décroissants , chaque directeur supplémentaire N+1 augmente le gain relativement moins que l'ajout du directeur précédent N .

De toute évidence, sur les fréquences HF (c'est-à-dire en dessous de 30 MHz), les antennes Uda pleine grandeur à plusieurs éléments sont peu pratiques pour l'expérimentation et la plupart des applications. C'est pourquoi les expériences d'Uda se sont concentrées sur les fréquences VHF et au-dessus. Pendant la Seconde Guerre mondiale, les deux parties au conflit ont utilisé des antennes Uda pour les radiobalises et les radars. Depuis la Seconde Guerre mondiale, pratiquement toutes les antennes de réception de radio VHF "FM" et de diffusion de télévision VHF/UHF sur terre sont des antennes "Yagi".

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Exemples d'antennes "Yagi-Uda"

Notez que les antennes ci-dessus sont des réseaux linéaires en phase : tous les éléments sont placés sur la même ligne de base. L'antenne réseau en tant que telle a en fait été inventée par Karl Ferdinand Braun en 1905, vingt ans avant Yagi et Uda ! Réf. 20, 21. Cela a également été mentionné par Marconi et Franklin dans leur brevet australien de 1919 nr. 10922 . Le réseau de Braun comprenait trois antennes unipolaires verticales, placées aux coins d'un triangle équilatéral. Deux des antennes étaient alimentées en phase. Une ligne à retard de phase de 1/4 de longueur d'onde pourrait être mise en série avec la troisième antenne. En sélectionnant les antennes alimentées en phase ou avec un retard de phase, le faisceau pourrait être tourné dans trois directions, espacées de 120°

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La première antenne multi-éléments au monde et son tracé polaire en champ lointain - par KF Braun, 1905
(source : Fig. 13 & 14 dans la réf. 20)
Braun a également inventé le tube cathodique (CRT, Braun's Tube, D: "Brauns'sche Röhre") et l'oscilloscope en 1897, et en 1901, il a introduit le circuit oscillateur condensateur-inductance et a remplacé la "mise à la terre" littérale par un "contrepoids" qui n'était pas connecté à la terre. Après plusieurs nominations, Braun a reçu le prix Nobel de physique de 1909 pour ses contributions à la "télégraphie sans fil". Il a partagé le prix avec Marconi.

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Yagi-Uda à deux éléments et géométrie générale de Yagi-Uda

Les antennes Yagi sont "mono-bande". Il est cependant possible de combiner plusieurs Yagis 2 éléments sur une même lisse, par exemple pour la bande 20-17-15-12-10 mètres (rep. 3).

par **Mhz** Jeu 4 Jan - 18:13

COMPLEMENT ..

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.

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