L'anatomie d'une Antenne Yagi : un rafraîchissement rapide

Avant de plonger dans les calculs, elle aide à revoir la structure de base. Un Yagi standard se compose de trois types d'éléments montés sur une flèche : un seul élément entraîné (généralement un dipôle à demi-onde ou un dipôle replié), un réflexeur[ placé derrière l'élément entraîné, et un ou plusieurs réacteurs[] devant. Le réflecteur est légèrement plus long que l'élément entraîné, tandis que les directeurs sont progressivement plus courts. Cette disposition crée une structure itinérante d'onde où l'énergie est couplée de l'élément entraîné aux éléments parasitaires, et rééradiquée avec des changements de phase qui produisent une interférence constructive dans la direction avant et une interférence destructrice à l'arrière.

Comprendre le point focal dans les antennes Yagi

En optique, un réflecteur parabolique amène des ondes planes incidentes à un point focal unique où l'antenne d'alimentation doit être placée. Le réflecteur Yagi n'est pas une parabole continue, mais le principe de collimation de l'énergie dans un lobe principal est analogue. Lorsqu'une onde plane arrive de l'avant, l'élément réflecteur se comporte comme un disperseur résonant. Son champ ré-réalisé se combine avec l'onde directe à l'élément entraîné, et le renforcement le plus fort se produit lorsque la distance entre le réflecteur et l'élément entraîné est choisie pour placer l'élément entraîné au point focal effectif du champ dispersé du réflecteur.

Définition de la distance focale efficace

Dans un Yagi, il n'y a pas de focalisation physique unique parce que le réflecteur est un dipole fini plutôt qu'un miroir incurvé. Cependant, les simulations numériques et les études empiriques ont constamment montré que le rapport et le gain de front à dos sont atteints lorsque l'élément moteur est situé 0.1λ à 0.2λ en avant du réflecteur. Cette distance est souvent appelée l'espacement dirigé par le réflecteur et est le paramètre de conception qui influence directement l'addition constructive de la vague réfléchie. Pour un Yagi conventionnel avec un seul réflecteur droit, le placement optimal de l'élément moteur qui maximise la concentration du champ à l'élément moteur tombe généralement autour 0.15λ, bien que les valeurs exactes se déplacent légèrement avec la longueur de l'élément, la forme du réflecteur (rod, coin, écran) et la conductivité de la flèche.

Influence de la longueur du réflecteur sur la zone focale

Le point focal effectif n'est pas indépendant des dimensions du réflecteur. Un réflecteur qui est exactement une demi-longueur d'onde à la fréquence de conception apparaît comme un dipole résonant; son champ ré-réalisé est en phase avec l'onde incidente. Le champ électrique qui conduit à l'annulation, mais nécessite un certain changement de phase pour l'addition vers l'avant. Pour produire l'avance de phase nécessaire, le réflecteur est généralement fait 0.5λ à 0.52λ long. La longueur légèrement plus longue rend le réflecteur inductif, ce qui fait que l'onde ré-aspirée est légèrement en phase. Ce décalage, combiné au retard spatial de l'espacement, donne l'alignement de phase vers l'avant désiré à l'élément entraîné après avoir pris en compte le double chemin (onde incidente au-delà du réflecteur + réflexion en arrière).

Le rôle du Centre de Phase

Pour un dipole résonant, le centre de phase est proche du centre de l'élément, mais comme le réflecteur est allongé (fait inductif), le centre de phase se déplace légèrement loin du centre physique. Ce déplacement peut être modélisé analytiquement : l'angle de phase du courant de réflecteur par rapport à l'onde incidente est égal à arctan(X/R) où X est la réactivité et R la résistance au rayonnement. Pour un réflecteur avec une longueur donnant une réactivité inductive (X positive), le décalage de phase augmente, déplaçant efficacement le centre de phase vers le bas. L'élément entraîné doit alors être placé à une distance qui aligne la phase de l'onde réfléchie avec l'onde directe à l'élément entraîné. L'espacement optimal d est donné approximativement par :

d -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

où φ est le déplacement de phase introduit par le réflecteur (en radians). Pour un réflecteur typique avec λ φ 0,3 rad (17°), d φ 0,15λ. Cette formule fournit une base théorique pour la plage empirique 0,1λ–0,2λ. En pratique, la différence entre 0,15λ et 0,18λ peut être seulement de quelques millimètres à UHF, mais qui peut déplacer l'impédance du point d'entrée par des dizaines d'ohms et modifier le rapport front-à-arrière par plusieurs décibels.

Calcul du point focal Étape par étape

La détermination de la région focale commence par la longueur d'onde de fonctionnement:

λ = c / f, où c = 299,792,458 m/s (souvent arrondi à 300 Mm/s pour les calculs en champ rapide) et f est la fréquence en hertz.

  • Pour une antenne de bande marine VHF à 156,8 MHz, λ λ 1,91 m.
  • Pour une liaison Wi-Fi de 2,4 GHz, λ λ 0,125 m (12,5 cm).
  • Pour un système de 5,8 GHz, λ λ 0,0517 m (5,17 cm).

Ensuite, décidez du style du réflecteur. Un réflecteur standard à tige unique est le point de départ le plus courant. Sa longueur est généralement réglée à 0,5λ à 0,52λ. L'utilisation de la valeur de 0,52λ pour 2,4 GHz donne environ 6,5 cm. Ensuite, l'élément entraîné doit être placé 0,1λ à 0,2λ devant le réflecteur. Pour de nombreux modèles, 0,15λ fournit un bon équilibre entre le gain et le rapport avant-arrière. À 2,4 GHz, 0,15 × 12,5 cm -1,88 cm.

Pour les antennes utilisant un réflecteur de coin ou un écran réflecteur multi-rodes, le concept de point focal est plus littéral ; l'élément entraîné est placé au centre géométrique de la surface réfléchissante. Dans ces cas, la distance entre le vertex du coin et l'élément entraîné est généralement de 0,25λ à 0,35λ, et les tiges de réflecteur sont espacées de 0,1λ ou moins. Ces calculs sont au-delà d'un simple Yagi mais il convient de noter si vous augmentez la direction.

Pour affiner le point focal, vous pouvez utiliser une technique appelée impédance locus mapping[. Mesurer l'impédance d'entrée de l'élément entraîné, car l'espacement entraîné par réflecteur est varié en petites étapes (p. ex. 0,01λ). L'espacement qui donne la partie réelle la plus élevée et une faible réactivité (près de 0 ohms) correspond généralement au couplage le plus fort avec l'onde réfléchie, c'est-à-dire le point focal efficace. Cette méthode est particulièrement utile pour construire un Yagi à partir de zéro sans simulation.

Espacement des éléments : le moteur de la Directivité

Alors que l'espacement par réflecteur détermine la concentration du champ à l'élément entraîné, les distances entre l'élément entraîné et les directeurs, et entre les directeurs successifs, contrôlent le couplage et le modèle des champs re-réaménagés qui façonnent le faisceau avant. L'espacement incorrect peut dégrader le gain, réduire la bande passante d'impédance ou introduire des lobes latéraux indésirables.

Espacement entre l'élément conduit et le premier directeur

Le premier directeur assume une grande partie de la responsabilité de diriger l'énergie vers l'avant. Son espacement depuis l'élément entraîné est généralement 0.15λ à 0,25λ. Un espacement plus étroit (plus étroit à 0,15λ) augmente le couplage, ce qui peut augmenter l'amplitude du courant sur le directeur et améliorer le gain, mais au prix de réduire l'impédance à l'élément entraîné à des valeurs très basses. Un espacement plus large (0,2λ–0,25λ) augmente la résistance au point d'alimentation, ce qui facilite souvent l'obtention d'une correspondance de 50 ohm sans réseaux d'appariement complexes.

Espacement entre directeurs

Pour les réalisateurs multiples, l'espacement uniforme est courant pour la simplicité, mais les designs Yagi optimisés permettent souvent de réduire la distance. La plage typique pour chaque metteur en scène est 0.15λ à 0.3λ. L'utilisation d'une constante 0.15λ peut maximiser le nombre d'éléments sur une longueur de boom donnée, fournissant une plus grande direction, mais diminue encore l'impédance et réduit la bande passante. Un espacement plus large de 0,25λ à 0,3λ par metteur en scène améliore la bande passante et rend l'antenne plus tolérante aux tolérances de fabrication.

La cohérence de la phase et le facteur de répartition

Pour qu'un Yagi fonctionne comme une structure d'onde itinérante, les ondes réémanées de chaque élément doivent arriver à un point éloigné en phase. L'espacement entre les éléments, ainsi que le décalage de phase introduit par chaque élément (longeur = inductif, plus court = capacitif), déterminent la phase relative. Si l'espacement est mal choisi, l'erreur cumulative de phase peut faire diviser ou déconnecter le lobe principal. La cohérence de phase est maintenue lorsque le délai de propagation entre les éléments équivaut au décalage de phase introduit par chaque directeur. C'est pourquoi les tables de conception standard recommandent souvent une relation de longueur spécifique par rapport à l'espacement, comme les lignes directrices de conception DL6WU, qui ont été validées par de vastes simulations 4nec2 et des mesures du monde réel. Le facteur de tableau pour un Yagi peut être exprimé comme la somme des contributions de chaque élément, chacune avec sa propre amplitude et phase actuelles.

L'approche de conception DL6WU

Günter Hoch (DL6WU) a publié une méthode de conception largement utilisée pour les longs Yagis (10 éléments ou plus) qui met l'accent sur l'espacement optimisé pour maximiser le gain tout en maintenant une courbe d'impédance lisse. La conception DL6WU utilise un espacement non-uniforme qui est plus serré près de l'élément entraîné et plus lâche vers la fin de la boom. Une table d'espacement DL6WU typique pour un espacement 10 éléments 2-m Yagi peut avoir : entraîné par réflecteur 0,18λ, entraîné par réflecteur 0,12λ, D1‐D2 0,12λ, D2‐D3 0,14λ, D3‐D4 0,15λ, D4‐D5 0,16λ, D5‐D6 0,17λ, D6‐D7 0,18λ, D7‐D8 0,19λ. Cette progression maintient un tableau échelonné qui produit des gains de 12 à 14 dBi. La calculatrice DL6WU Yagi est un excellent

Tout mettre en place : un exemple de conception pratique

Let ès conçoit un Yagi 5 éléments (réfléchissant, élément entraîné et trois directeurs) pour 433 MHz, une bande ISM commune pour la télémétrie à distance, les capteurs IoT et les applications radio de jambon.

  1. ] λ = 300 / 433 - 0,6928 m (69,3 cm).
  2. La longueur du réflecteur: Un bon point de départ est 0.51λ .35.3 cm pour une tige en espace libre; cependant, avec l'épaisseur finie de la flèche et de l'élément, la simulation le paragera. Nous utiliserons 35 cm comme valeur initiale. Pour une longueur de départ plus précise, appliquer une correction pour le diamètre de l'élément: si l'utilisation de tubes de 6 mm (diamètre .0.0870λ), réduire d'environ 1 à 2 % à 34,5 cm.
  3. Espacement entraîné par le réflecteur: 0,15λ = 10,4 cm. L'élément entraîné se trouve dans la zone focale approximative. Pour un contrôle rapide, 0,15λ est un pari sûr; si vous voulez une impédance de point d'alimentation légèrement plus élevée, essayez 0,18λ (12,5 cm).
  4. Longueur de l'élément moteur: Idéalement, un dipôle à demi-onde corrigé pour les effets finaux. La demi-longueur de l'espace libre est de 34,6 cm, mais un dipôle résonant est d'environ 0,47–0,48λ en raison de la capacité de rupture aux extrémités.
  5. Longueur du premier directeur:[ Typiquement 0,45λ à 0,48λ. Nous choisissons 0,46λ = 31,9 cm.
  6. Deuxième directeur: Longueur 0,44λ = 30,5 cm. Espacement par rapport au premier directeur: 0,2λ = 13,9 cm.
  7. Troisième réalisateur: Longueur 0,43λ = 29,8 cm. Espacement: 0,25λ = 17,3 cm (dédoublé vers l'extérieur pour améliorer la bande passante).

Avec ces dimensions, le gain avant devrait être d'environ 8–9 dBi et le rapport front-à-dos supérieur à 15 dB après réglage de simulation. L'impédance de l'élément entraîné sera probablement faible, autour de 12–25 ohms, de sorte qu'un balun à demi-onde ou un dipole plié (qui monte l'impédance 4×) serait nécessaire pour correspondre à 50 ohms. Vous pouvez aussi ajuster l'espacement pour augmenter l'impédance : augmenter l'espacement dirigé par réflecteur à 0,18λ et l'espacement dirigé-D1 à 0,25λ peut amener la résistance du point d'alimentation à 50 ohms à un coût légèrement plus élevé (environ 0,5 dB).

Stratégies avancées de spacing

L'espacement du directeur variable pour les Yagis ultra-wideband

Si vous devez couvrir une gamme de fréquences plus large, comme la bande de télévision UHF de 470 à 698 MHz pour l'utilisation d'antennes en direct, les espacements fixes qui fonctionnent à l'extrémité inférieure peuvent entraîner un rétrécissement du lobe principal à l'extrémité supérieure. Une technique empruntée à l'array Dipole de Log‐Periodic consiste à appliquer une progression géométrique à la fois aux longueurs d'éléments et aux espacements. Par exemple, fixer l'espacement dirigé par le réflecteur à 0,13λ à la fréquence la plus élevée, et les écarts entre les directeurs et les directeurs à 0,12, 0,14, 0,16 et 0,18λ pour un design à 6 éléments. Cet espacement logarithmique peut maintenir un profil de rayonnement plus cohérent sur une bande passante de 1,5:1, bien que le gain soit légèrement inférieur à un design à une seule fréquence. Une approche plus sophistiquée utilise un modèle «rhéostat» où l'espacement de chaque directeur est fonction de son indice; des tableaux pour ces modèles sont disponibles dans le Livre d'antenne de l'ARL.

Compensation du matériel de boom

Lorsque les booms métalliques traversent les éléments sans isolation, le boom introduit une capacité parasitaire entre les éléments et allonge efficacement chaque élément électriquement. Pour compenser, l'espacement physique doit être recalculé en considérant la constante diélectrique efficace de la région de boom. Sinon, le montage isolé peut préserver l'espacement électrique, mais le boom doit être isolé électriquement à intervalles réguliers pour éviter les courants de longue ligne. Pour les conceptions utilisant un boom en aluminium carré avec des éléments montés sur des blocs isolés, l'effet est minimal et les formules standard d'espace libre s'appliquent. Cependant, pour le montage par boulonnage, une correction typique consiste à réduire les longueurs des éléments de 2 à 3 % et à augmenter les espacements de 1 à 2 % pour maintenir la résonance.

Correspondance d'impédance par réglage de l'espacement

En déplaçant légèrement le premier directeur par rapport à l'élément entraîné (dans la fenêtre 0.15λ–0.25λ), vous pouvez déplacer l'impédance du point d'alimentation sur le graphique Smith. Le déplacement du directeur plus près de l'élément entraîné réduit l'impédance (plus de couplage, plus de courant, plus de résistance); le déplacement augmente l'impédance. Ceci peut être utilisé pour affiner le match à 50 ohms sans ajouter de match balun ou gamma. De même, l'espacement dirigé par réflecteur peut aussi être varié, mais il a un effet plus fort sur le rapport front-back et la symétrie de motif.

Erreurs communes lors de la fixation des espaces et des points focaux

  • L'utilisation de réflecteurs de longueur égale à l'élément entraîné: Ceci élimine l'effet de directive. Le réflecteur doit être plus long d'au moins quelques pour cent. Une erreur typique est de couper tous les éléments de la même longueur pour la simplicité; le modèle résultant est presque omnidirectionnel.
  • Placer l'élément entraîné trop près du réflecteur: Les espacements inférieurs à 0,08λ conduisent à une impédance extrêmement faible (moins de 5 ohms) et à une bande passante étroite, et le point focal effectif est omis. Le rapport front-arrière devient faible parce que l'onde réfléchie annule le signal avant.
  • Diamètre de l'élément imprégnant:[ Le rapport longueur-diamètre affecte la fréquence de résonance. Pour les éléments épais, la longueur électrique est plus courte que la longueur physique; des corrections d'espacement sont souvent nécessaires parce que le centre de phase se déplace. Une bonne règle du pouce: si le diamètre de l'élément dépasse 0,005λ, réduire la longueur de l'élément de 1 à 2 % et éventuellement augmenter légèrement l'espacement. Par exemple, un élément de 1/2 pouce à 144 MHz (λ=2,08m) est 0,006λ; cela nécessite une réduction de la longueur d'environ 2 %.
  • Espacement court uniforme pour tous les directeurs : Cela peut causer une forte impédance et un mauvais patron aux bords de bande. La taperation aide à maintenir une progression de phase constante. Même une simple augmentation de 0,15λ à 0,2λ entre trois directeurs peut lisser la courbe SWR.
  • Négligence de l'effet des objets voisins :[ Lors de la conception d'un Yagi à monter sur un mât, le mât métallique derrière le réflecteur agit comme un élément passif supplémentaire et déplace le point focal effectif. Laisser au moins 0,25λ entre le réflecteur et tout grand support métallique. Si le mât est plus proche, envisager d'ajouter une longueur d'étouffement coaxial ou une perle ferrite pour le découpler.
  • Ignorer le type d'élément dynamisé: Un dipôle plié a une impédance différente et un centre de phase légèrement différent par rapport à un simple dipôle à demi-onde. Ajuster l'espacement entraîné par réflecteur d'environ 0,01λ lorsqu'il utilise un dipôle plié pour compenser la géométrie de l'élément plus large.

Outils de simulation et d'optimisation

Bien que les calculs manuels fournissent un point de départ solide, le logiciel moderne de simulation d'antenne permet une itération et un réglage précis rapides. Des outils gratuits ou peu coûteux tels que 4nec2, MMANA‐GAL[, et EZNEC (fondé sur le code numérique électromagnétique) peuvent modéliser les tableaux Yagi avec une grande précision. 4nec2 est particulièrement populaire pour son interface graphique et son optimisation qui peuvent régler automatiquement la longueur des éléments et les espacements pour maximiser le gain ou le rapport de front à dos tout en maintenant une impédance cible. EZNEC offre une interface conviviale pour les débutants et une documentation étendue.

Pour une optimisation sérieuse, envisagez d'utiliser des optimisateurs génétiques basés sur l'algorithme (comme celui intégré dans 4nec2) qui peuvent simultanément varier de 10 paramètres (longueurs d'éléments, espacements et diamètres) pour atteindre un objectif multi-objectifs : gain élevé, faible lobe latéral, bon rapport front-à-dos et impédance de 50 ohm. Une telle optimisation peut donner des conceptions qui surpassent les tables conventionnelles de 1-2 dB, surtout pour Yagis avec 8 éléments ou plus. La clé est de définir une fonction de fitness adéquate qui pondère ces objectifs; une approche commune est de maximiser le gain tout en maintenant le VSWR maximum en dessous de 1,5:1 dans la bande.

Vérification mondiale réelle

Une fois l'antenne construite selon des dimensions calculées et simulées, utilisez un analyseur de réseau vectoriel (VNA) ou un analyseur d'antenne pour mesurer l'entrée VSWR. Un Yagi bien conçu devrait montrer une diminution à la fréquence de conception avec une bande passante (VSWR 2:1) de 3 à 5 % pour les conceptions à bande étroite et jusqu'à 10 % pour les espacements plus larges. Si la résonance est déplacée trop basse, les éléments sont trop longs ou trop petits; si trop haut, tailler légèrement les éléments. Un essai de terrain comparant la force de signal reçue à un dipole de référence connu peut confirmer que le positionnement du point focal et l'espacement du directeur produisent le gain avant attendu et le rejet front-à-dos. Le ARRL Antenna Book offre des techniques détaillées pour la mesure et l'étalonnage de Yagi, y compris l'utilisation d'un compteur de résistance de champ et d'une source de transmission éloignée.

Une méthode pratique de validation : mettre en place un dipôle de référence à distance fixe (au moins 10λ) et mesurer le niveau de signal reçu. Ensuite, remplacer le dipôle par votre Yagi, le pointant directement à la source. La différence de dB (après avoir pris en compte les pertes de câbles) est le gain en avant par rapport à un dipôle (dBd). Ajouter 2.15 dB pour convertir en dBi. Mesurer également le niveau lorsque le Yagi est tourné à 180° pour obtenir le rapport front-back. Si le front-to-back est inférieur à 10 dB, l'espacement dirigé par réflecteur doit probablement être ajusté. Pour un design plus performant, vous pouvez également mesurer le rapport front-side (à 90°) pour vérifier les lobes latéraux excessifs. Répétez les mesures à plusieurs fréquences à travers la bande afin d'assurer une performance cohérente.

Conseils pour la construction pour des résultats cohérents

Si vous devez utiliser le métal, isoler chaque élément avec des douilles en nylon ou une courte section de tubes en plastique où il passe à travers la flèche. Cela préserve la longueur électrique et empêche la flèche d'agir comme une ligne de transmission raccourcie. Gardez la longueur de l'élément cohérente dans ±0,5% pour éviter le skew de motif. Pour l'élément entraîné, utilisez une boîte de connecteurs étanches aux intempéries et scellez tous les joints contre l'humidité; l'entrée en eau peut déplacer la résonance de plusieurs MHz. Enfin, envisagez d'utiliser un balun au point d'alimentation : un balun à 1:1 actuel (choke de ferrite) supprime les courants de mode commun sur le bouclier coaxial qui fausseraient autrement le modèle.

Conclusion

L'espacement des points focals et des éléments dans une antenne Yagi n'est pas une simple curiosité théorique, ce sont les boutons fondamentaux qui ajustent le gain, le rapport frontal-arrière et l'appariement d'impédance. En comprenant que l'élément entraîné doit s'asseoir entre 0,1λ et 0,2λ devant le réflecteur pour intercepter le champ réfléchi concentré, et que l'espacement des directeurs va de 0,15λ à 0,3λ la formation de faisceaux de commande, vous pouvez créer avec confiance des antennes qui fonctionnent comme prévu. Commencez par les formules de base, puis par affiner par la simulation et la mesure de l'antenne. Que vous construisiez un Yagi de 2 mètres à main pour le travail par satellite ou un réseau de 24 GHz, les mêmes principes s'appliquent.