Regardez les antennes installées sur un pylône radioamateur. Malgré les transceivers SDR, les modes numériques, les amplificateurs à transistors et les logiciels de simulation, on y retrouve très souvent une vieille connaissance : la Yagi.
Et vieille, elle l’est vraiment ! En 1926, les travaux de Shintaro Uda et Hidetsugu Yagi faisaient connaître une antenne directive utilisant plusieurs éléments métalliques, dont un seul était directement alimenté.
Cent ans plus tard, le principe est toujours là.
Comment une antenne imaginée à l’époque des premiers développements de la radio moderne peut-elle encore équiper nos stations HF, VHF et UHF ? N’avons-nous vraiment rien trouvé de mieux ?
Une invention japonaise devenue universelle
L’histoire commence à l’Université impériale de Tohoku, au Japon. Shintaro Uda travaille sur des réseaux d’éléments permettant de concentrer les ondes dans une direction privilégiée. Les recherches débutent au milieu des années 1920 et donnent naissance à ce qui sera appelé le « wave canal », littéralement un canal à ondes.
Hidetsugu Yagi contribue ensuite largement à faire connaître ces travaux à l’étranger, notamment avec une publication en anglais en 1928. L’antenne passera ainsi à la postérité sous le nom de Yagi, même si l’appellation Yagi-Uda rend davantage justice aux deux chercheurs.
Le plus étonnant est que le principe découvert à cette époque est pratiquement celui que nous utilisons encore aujourd’hui.
Trois types d’éléments et une idée géniale
Prenons une Yagi classique. Nous trouvons successivement : un réflecteur, un élément alimenté et un ou plusieurs directeurs.
Seul l’élément alimenté est relié au câble coaxial. Les autres tubes métalliques ne sont connectés à rien.
Alors, à quoi servent-ils ?
Ils sont appelés éléments parasites. Le champ électromagnétique produit par l’élément alimenté provoque des courants dans ces éléments voisins. Ceux-ci rayonnent à leur tour.
En choisissant soigneusement leurs longueurs et leurs espacements, les différents champs électromagnétiques se combinent favorablement dans une direction et beaucoup moins favorablement dans l’autre.
La directivité de la Yagi apparaît ainsi sans moteur, sans électronique et surtout sans devoir alimenter séparément tous les éléments.
C’est probablement là que réside le coup de génie de Yagi et Uda.
Pourquoi certains éléments sont-ils plus longs ou plus courts ?
Sur une Yagi traditionnelle, le réflecteur est généralement légèrement plus long que l’élément alimenté, tandis que les directeurs sont plus courts.
Ces différences ne sont pas dues au hasard.
Modifier légèrement la longueur d’un élément change la façon dont le courant induit réagit au champ électromagnétique reçu. Sa phase est également modifiée.
Les dimensions et les espacements sont donc calculés afin que les rayonnements produits par tous les éléments se renforcent principalement vers l’avant.
Il ne faut cependant pas imaginer que le réflecteur fonctionne comme un miroir derrière une lampe. Le phénomène est beaucoup plus subtil : c’est l’interaction électromagnétique entre tous les éléments qui construit le diagramme de rayonnement.
Mais d’où vient le gain ?
Voilà une confusion fréquente.
Une antenne Yagi ne crée aucune puissance supplémentaire.
Si nous injectons 10 W dans l’antenne, elle ne transforme évidemment pas ces 10 W en 20 ou 50 W.
Son gain provient de la façon dont elle répartit l’énergie dans l’espace.
Un dipôle rayonne largement autour de lui. Une Yagi concentre davantage cette énergie dans une direction privilégiée. Le signal devient donc plus important dans cette direction et plus faible dans d’autres.
C’est exactement ce qui nous intéresse pour contacter une station DX, travailler un satellite ou réaliser une liaison VHF à grande distance.
Alors ajoutons des directeurs !
L’idée semble évidente : si un directeur améliore la directivité, ajoutons-en dix, vingt ou cinquante !
Cela fonctionne… mais pas indéfiniment.
Ajouter des directeurs et allonger le boom permet généralement d’augmenter le gain, mais chaque nouvel élément apporte progressivement moins d’amélioration.
Les travaux devenus classiques de Peter Viezbicke, publiés par le National Bureau of Standards américain, ont notamment étudié l’influence de la longueur du boom, du diamètre et de l’espacement des éléments.
Une règle importante apparaît : doubler le nombre d’éléments ne double absolument pas le gain.
Il arrive donc un moment où quelques décibels supplémentaires nécessitent une antenne beaucoup plus longue, plus lourde et plus difficile à installer.
Le véritable secret de la Yagi
Après cent ans, nous arrivons peut-être à la véritable raison de son succès.
Une Yagi peut être construite avec : un boom, quelques tubes métalliques et un seul élément alimenté.
Avec cette remarquable simplicité, nous obtenons pourtant un gain appréciable, un faisceau directif, un bon rendement et souvent un rapport avant/arrière intéressant.
Pas besoin d’alimenter individuellement dix éléments avec dix câbles soigneusement ajustés. Pas besoin de déphaseurs électroniques ni de processeurs.
Pour le radioamateur, elle possède également un avantage considérable : elle peut être construite à l’atelier avec des matériaux relativement ordinaires.
Pourtant, la Yagi est loin d’être parfaite
Notre centenaire possède quelques défauts.
Une Yagi optimisée pour un gain élevé peut présenter une bande passante relativement étroite. Son impédance peut devenir assez faible et nécessiter un système d’adaptation.
En HF, ses dimensions deviennent rapidement impressionnantes. Une Yagi pour 20 mètres n’a évidemment plus les dimensions sympathiques d’une petite antenne pour 432 MHz !
Ses performances dépendent également des diamètres, longueurs et espacements des éléments. Le boom, le mât et l’environnement proche peuvent eux aussi modifier son comportement.
La Yagi n’est donc certainement pas l’antenne parfaite.
Et toutes celles qui devaient la remplacer ?
Les concurrentes n’ont pourtant pas manqué.
La log-périodique offre une bande passante considérablement plus importante. La Quad possède des caractéristiques particulièrement intéressantes et reste appréciée de nombreux radioamateurs. La Moxon permet de réaliser une antenne directive compacte avec un excellent rapport avant/arrière.
Aux fréquences plus élevées, la parabole permet d’obtenir des gains considérables.
Et aujourd’hui, les réseaux phasés peuvent même orienter électroniquement leur faisceau sans faire tourner physiquement l’antenne.
Toutes peuvent donc faire « mieux » qu’une Yagi dans un domaine particulier.
Mais généralement au prix d’un autre compromis : encombrement, complexité, bande de fréquence, mécanique, coût ou système d’alimentation.
L’ordinateur n’a pas tué la Yagi
Il lui a même offert une seconde jeunesse.
Yagi et Uda devaient expérimenter physiquement différentes configurations. Aujourd’hui, des logiciels comme 4NEC2, EZNEC ou MMANA-GAL permettent au radioamateur de modifier virtuellement la longueur d’un directeur de quelques millimètres et d’observer immédiatement les conséquences sur le gain, l’impédance ou le rapport avant/arrière.
Les ordinateurs ont ainsi permis de pousser beaucoup plus loin l’optimisation d’un principe vieux d’un siècle.
Les Yagi modernes ne sont donc pas nécessairement de simples copies des antennes des années 1920 : leurs dimensions et leurs espacements peuvent être optimisés avec une précision dont leurs inventeurs ne pouvaient que rêver.
De la HF aux satellites
La Yagi possède enfin une extraordinaire faculté d’adaptation.
Sur les bandes HF, elle est devenue l’une des grandes antennes du trafic DX. Sur 50 et 144 MHz, les longs modèles permettent de concentrer fortement le rayonnement pour la tropo, les concours ou même l’EME.
Sur 145 et 435 MHz, quelques morceaux d’aluminium suffisent pour fabriquer une antenne portable permettant de travailler les satellites radioamateurs.
Le même principe fonctionne encore beaucoup plus haut en fréquence.
Les dimensions changent, mais la physique reste la même.
Alors, personne n’a vraiment réussi à la remplacer ?
En réalité, la question est presque mal posée.
Depuis 1926, nous avons inventé des antennes plus compactes, plus larges bandes, plus directives ou capables d’orienter électroniquement leur faisceau.
Mais il reste extrêmement difficile de réunir simultanément :
gain, rendement, simplicité, robustesse et faible coût.
C’est précisément dans cette zone d’équilibre que la Yagi-Uda demeure extraordinairement compétitive.
Cent ans après les expériences de Shintaro Uda et Hidetsugu Yagi, nous continuons donc à installer leurs réflecteurs et leurs directeurs sur nos pylônes.
La plus grande réussite de ces deux chercheurs n’est peut-être pas simplement d’avoir inventé une bonne antenne.
C’est d’avoir trouvé une solution tellement simple qu’un siècle plus tard, nous cherchons encore une bonne raison de l’abandonner.
Pour aller plus loin
Proceedings of the Japan Academy / Tohoku University — A century of the Yagi-Uda antenna
https://www.jstage.jst.go.jp/article/pjab/101/1/101_pjab.101.001/_article
NIST — Peter Viezbicke — Yagi Antenna Design, NBS Technical Note 688
https://www.nist.gov/publications/yagi-antenna-design
ARRL — UHF Beams — Réalisations et documentation sur les antennes directives UHF
https://www.arrl.org/uhf-beams
IEEE TechNav — Yagi-Uda Antennas — Documentation et publications techniques consacrées à la Yagi-Uda
https://technav.ieee.org/topic/yagi-uda-antennas/
