Antenne Yagi-Uda et sa méthode de conception

L'antenne Yagi-Uda est une antenne directionnelle largement utilisée dans les communications radio, réputée pour son gain élevé, sa forte directivité et sa structure relativement simple. Inventé par les scientifiques japonais Hidetsugu Yagi et Shintaro Uda dans les années 1920, il est principalement utilisé dans des domaines tels que la réception télévisuelle, les communications radio et les systèmes radar. Cet article détaillera les principes de base, la composition structurelle et les méthodes de conception de l'antenne Yagi-Uda.

I. Principes de base de l'antenne Yagi-Uda

L'antenne Yagi-Uda est un réseau d'antennes en bout de tir et son principe de fonctionnement est basé sur le rayonnement et la réception d'ondes électromagnétiques. Il obtient un rayonnement directionnel grâce à plusieurs oscillateurs disposés en parallèle (généralement des tiges métalliques). Ces oscillateurs comprennent un élément actif (généralement un dipôle demi-onde) et plusieurs éléments passifs (y compris des réflecteurs et des directeurs). L'élément actif est directement connecté au chargeur et est responsable de la transmission ou de la réception des ondes électromagnétiques ; les éléments passifs interagissent avec l'élément actif par couplage électromagnétique pour ajuster la direction de rayonnement des ondes électromagnétiques.

La directivité de l'antenne Yagi-Uda dépend principalement de la disposition et de la longueur des éléments passifs. Le réflecteur est situé derrière l'élément actif, généralement légèrement plus long que l'élément actif, et est utilisé pour réfléchir les ondes électromagnétiques afin d'améliorer le rayonnement vers l'avant de l'antenne. Le directeur est situé devant l'élément actif, généralement légèrement plus court que l'élément actif, et est utilisé pour guider les ondes électromagnétiques afin d'améliorer encore le rayonnement vers l'avant. En concevant raisonnablement la longueur et l'espacement du réflecteur et du directeur, à gain élevé et étroit - b

Les caractéristiques de rayonnement du faisceau peuvent être obtenues.

II. Composition structurelle de l'antenne Yagi-Uda

La structure de base de l'antenne Yagi-Uda comprend les parties suivantes :

Élément actif : L'élément actif est la partie centrale de l'antenne Yagi-Uda, généralement un dipôle demi-onde, responsable de la transmission ou de la réception des ondes électromagnétiques. Il est directement connecté au chargeur et est généralement situé au centre de l'antenne.

Réflecteur : Le réflecteur est situé derrière l'élément actif, généralement 5 à 10 % plus long que l'élément actif. Sa fonction est de réfléchir les ondes électromagnétiques, de réduire le rayonnement vers l’arrière et d’améliorer le rayonnement vers l’avant. Il n'y a généralement qu'un seul réflecteur, mais plusieurs réflecteurs peuvent également être conçus pour améliorer encore la directivité.

Directeur : Le directeur est situé devant l'élément actif, généralement 5 à 10 % plus court que l'élément actif. Son rôle est de guider les ondes électromagnétiques et d’améliorer encore le rayonnement vers l’avant. Le nombre de directeurs peut être ajusté en fonction des exigences de gain et de directivité de l'antenne, allant généralement de 1 à 10.

Flèche : La flèche est utilisée pour fixer l'élément actif, le réflecteur et le directeur, et est généralement une longue tige en métal ou en matériaux non métalliques. La conception de la perche doit prendre en compte la résistance mécanique et la répartition du poids de l'antenne.

Ligne d'alimentation : La ligne d'alimentation est utilisée pour connecter l'élément actif à l'émetteur ou au récepteur, généralement un câble coaxial ou une paire torsadée. L'impédance de la ligne d'alimentation doit correspondre à l'impédance de l'élément actif pour réduire la réflexion et la perte du signal.

III. Méthode de conception de l'antenne Yagi-Uda

Lors de la conception d'une antenne Yagi-Uda, plusieurs paramètres doivent être pris en compte, notamment la fréquence de fonctionnement, le gain, la directivité et l'adaptation d'impédance. Voici les étapes de base pour concevoir une antenne Yagi-Uda :

Déterminer la fréquence de fonctionnement : Tout d’abord, il est nécessaire de déterminer la plage de fréquences de fonctionnement de l’antenne. La taille de l'antenne Yagi-Uda est étroitement liée à la fréquence de fonctionnement ; plus la fréquence est élevée, plus la taille de l'antenne est petite. Généralement, la gamme de fréquences de fonctionnement de l'antenne Yagi-Uda va de plusieurs dizaines de MHz à plusieurs GHz.

Sélectionnez le type d'élément actif : L'élément actif est généralement un dipôle demi-onde et sa longueur est d'environ la moitié de la longueur d'onde de fonctionnement. La longueur du dipôle demi-onde peut être calculée par la formule suivante :

（où L est la longueur de l'oscillateur et λ est la longueur d'onde de fonctionnement. 0,95 est le coefficient de raccourcissement.）

Concevez le réflecteur et le directeur : la longueur du réflecteur est généralement de 5 à 10 % plus longue que celle de l'élément actif, et la longueur du directeur est généralement de 5 à 10 % plus courte que celle de l'élément actif. La distance entre le réflecteur et l'élément actif est généralement de 0,15 à 0,25 longueurs d'onde, et la distance entre le directeur et l'élément actif est généralement de 0,1 à 0,15 longueurs d'onde. La longueur et l'espacement spécifiques peuvent être optimisés grâce à un logiciel de simulation ou à des formules empiriques.

Déterminez le nombre de directeurs : Le nombre de directeurs affecte directement le gain et la directivité de l'antenne. Plus il y a de directeurs, plus le gain de l'antenne est élevé et plus la largeur du faisceau est étroite. Cependant, un nombre excessif de directeurs augmentera la complexité et la taille de l'antenne. Habituellement, le nombre d'administrateurs varie de 1 à 10, et le nombre spécifique doit être pondéré en fonction des exigences de la candidature.

Adaptation d'impédance : L'impédance de l'élément actif est généralement de 50 Ω ou 75 Ω, ce qui doit correspondre à l'impédance du chargeur. L'adaptation d'impédance peut être obtenue en ajustant la longueur et le diamètre de l'élément actif ou en utilisant un réseau d'adaptation d'impédance.

Simulation et optimisation : Une fois la conception terminée, un logiciel de simulation électromagnétique (tel que HFSS, CST, etc.) peut être utilisé pour simuler l'antenne afin de vérifier ses performances. Le gain, la directivité et l'adaptation d'impédance de l'antenne peuvent être optimisés en ajustant des paramètres tels que la longueur et l'espacement des oscillateurs.

Fabrication et tests : un prototype d'antenne est fabriqué selon les résultats de conception et testé à l'aide d'équipements tels qu'un analyseur de réseau et un analyseur de spectre pour vérifier les performances réelles de l'antenne. Une optimisation supplémentaire est effectuée en fonction des résultats des tests.

IV. Avantages et inconvénients de l'antenne Yagi-Uda

Avantages

· Gain élevé : l'antenne Yagi-Uda a un gain relativement élevé, généralement de 10 à 20 dBi, ce qui convient aux communications longue distance.

· Forte directivité : l'antenne Yagi-Uda a une largeur de faisceau étroite et une forte directivité, ce qui peut réduire efficacement les interférences.

· Structure simple : La structure de l'antenne Yagi-Uda est relativement simple, ce qui la rend facile à fabriquer et à entretenir.

· Faible coût : le coût matériel de l'antenne Yagi-Uda est faible, ce qui la rend adaptée aux applications à grande échelle.

Inconvénients :

· Bande passante étroite : La bande passante de l'antenne Yagi-Uda est relativement étroite, généralement 5 à 10 % de la fréquence de fonctionnement, elle ne convient donc pas aux applications à large bande.

· Grande taille : La taille de l'antenne Yagi-Uda est inversement proportionnelle à la fréquence de fonctionnement. Les antennes dans la bande basse fréquence ont une grande taille, ce qui ne convient pas aux applications avec un espace limité.

Direction fixe : la directivité de l'antenne Yagi-Uda est fixe et doit être ajustée manuellement, elle ne convient donc pas aux scénarios où la direction doit être changée fréquemment.

V. Applications de l'antenne Yagi-Uda

L'antenne Yagi-Uda est largement utilisée dans les domaines suivants :

· Réception de télévision : L'antenne Yagi-Uda est une forme courante d'antenne de réception de télévision, utilisée pour recevoir des signaux de télévision terrestres.

· Communication radio : l'antenne Yagi-Uda est utilisée dans les systèmes de communication tels que la radio amateur, les stations de radiodiffusion et les réseaux locaux sans fil.

· Systèmes radar : L'antenne Yagi-Uda est utilisée pour la détection et le suivi de cibles dans les systèmes radar.

Communication par satellite : L'antenne Yagi-Uda est utilisée pour recevoir les signaux de télévision par satellite et les signaux de communication par satellite.

VI. Conclusion

L'antenne Yagi-Uda est une antenne directionnelle classique présentant les caractéristiques d'un gain élevé, d'une forte directivité et d'une structure simple. D'excellentes performances de rayonnement peuvent être obtenues en concevant raisonnablement la longueur et l'espacement de l'élément actif, du réflecteur et du directeur. Bien que l'antenne Yagi-Uda présente des inconvénients tels qu'une bande passante étroite et une grande taille, sa large application dans des domaines tels que la réception de télévision, les communications radio et les systèmes radar prouve son importance et son caractère pratique. Avec le développement de la technologie de simulation électromagnétique, la conception et l'optimisation de l'antenne Yagi-Uda sont devenues plus efficaces et plus précises, et elle jouera toujours un rôle important dans le domaine des communications sans fil à l'avenir.