Concevoir une antenne Yagi : pourquoi l'élément Longueur de la matière

Une antenne Yagi-Uda est un ensemble directionnel d'éléments parallèles qui concentre l'énergie radio dans une direction tout en rejetant les signaux de derrière. La conception utilise trois types d'éléments : un élément entraîné connecté à la ligne d'alimentation, un réfléchissant derrière lui, et un ou plusieurs réalisateurs devant. Chaque élément a une fonction électromagnétique spécifique, et les couper à la bonne longueur est la différence entre une antenne qui fonctionne brillamment et une qui fonctionne à peine.

L'élément entraîné est le seul composant directement connecté à votre émetteur ou récepteur. Le réflecteur, coupé plus longtemps que l'élément entraîné, annule le rayonnement à l'arrière. Les directeurs, progressivement plus courts à mesure qu'ils s'étendent vers l'avant, concentrent l'énergie vers l'avant. Lorsqu'ils sont bien ajustés, les courants des directeurs retardent derrière l'élément entraîné, créant des interférences constructives vers l'avant et destructrices derrière.

Pour obtenir les longueurs d'éléments correctement, il faut comprendre la longueur d'onde, tenir compte de l'épaisseur du conducteur et des matériaux de boom, et suivre un processus systématique d'accordage.

En commençant par la longueur d'onde

Toutes les longueurs d'éléments Yagi sont des fractions de la longueur d'onde de l'espace libre à votre fréquence cible. La relation fondamentale est :

λ (mètres) = 300 / f (MHz)

La constante 300 provient de la vitesse de la lumière en millions de mètres par seconde. Pour la bande amateur de 2 mètres centrée sur 145 MHz:

λ = 300 / 145 φ 2,069 mètres

Pour 70 cm à 435 MHz : λ = 300 / 435 φ 0,690 m. Une antenne à bande ISM de 915 MHz donne λ λ 0,328 m. Utilisez toujours la fréquence centrale exacte sur laquelle vous comptez utiliser, car un déplacement de fréquence de 1% modifie de façon mesurable la longueur des éléments.

La réalité du facteur de vélocité

La longueur d'onde libre suppose un vide. Dans l'air, la différence est négligeable, mais lorsque les éléments passent par des matériaux isolants ou sont revêtus, la longueur électrique effective change. Les barres d'aluminium à barres dans l'air sont les plus prévisibles. Si vous utilisez des revêtements isolés en fil ou diélectrique, attendez un facteur de vitesse de 0,95 à 0,98 - ce qui signifie que les éléments physiques doivent être plus courts que les calculs en espace libre.

Les booms métalliques créent des effets supplémentaires. Lorsque les éléments traversent une boom métallique sans isolation, la boom agit comme une charge capacitive, réduisant la longueur électrique. De nombreux constructeurs ajoutent une correction de boom de 0,5 à 1 mm par millimètre de diamètre de boom à la longueur physique. Une boom carrée de 25 mm peut nécessiter l'ajout de 10 à 15 mm à chaque élément avant le parage.

Calcul de l'élément d'entraînement

L'élément entraîné se comporte comme un dipole à demi-onde. Dans l'espace libre, un dipole résonant mesure 0,5λ, mais des facteurs réels comme l'épaisseur du conducteur et les effets finaux le raccourcissent. La formule pratique utilise un facteur de vitesse k, généralement 0,95 pour l'aluminium nu:

Longueur de l'élément moteur = 0,5 × λ × k

En mètres, la formule traditionnelle est L = 142.5 / f (MHz), qui explique déjà les effets finaux en fils raisonnablement épais.

L = 142.5 / 145 φ 0,983 m par côté, total = 1,966 m

L'élément d'entraînement peut être un dipole simple, un dipole replié (l'impédance de l'augmentation à environ 300 Φ pour faciliter l'appariement avec un balun 4:1), ou un dipôle jumelé gamma. Les dipôles repliés utilisent la même formule à demi-onde mais nécessitent l'accordage des stubs correspondants.

Effets du diamètre de l'élément

Un dipole de 145 MHz, fabriqué à partir de tubes en aluminium de 12 mm, peut mesurer 1,92 m au lieu de 1,97 m. L'amélioration de la bande passante vaut la peine d'être calculée. Un Yagi avec des éléments de 12 mm peut couvrir deux fois la portée d'un câble de 3 mm.

Les programmes comme EZNEC et 4NEC2 intègrent automatiquement des corrections de diamètre. L'ARRL fournit des ressources de conception, et des générateurs en ligne comme Le concepteur Yagi de K4HCG donnent des dimensions de départ rapides. Utilisez-les comme estimations de premier passage, puis vérifiez avec simulation.

Réglage du réflecteur

Le réflecteur est situé derrière l'élément entraîné, coupe 3 à 5 % plus long. Pour le fil mince, commencer à environ 0,503λ à 0,51λ. À 145 MHz:

  • 0,503λ = 1,040 mètres
  • 0,510λ = 1,055 mètres
  • 0,520λ = 1,076 mètres

L'espacement entre le réflecteur et l'élément entraîné varie généralement de 0,15λ à 0,2λ. L'espacement plus étroit soulève l'impédance et augmente la charge; l'espacement plus large réduit l'interaction.

Une erreur courante est de faire le réflecteur trop long, qui pousse le null de l'avant vers l'arrière plus bas en fréquence et réduit le gain de l'avant. Un réflecteur trop court agit comme un second réalisateur, la direction dégradante. Avec une flèche métallique et des éléments à travers, ajouter la correction de la flèche avant de la taille. Effectuer un balayage de réflecteur: parage en 2 mm et enregistrer le rapport de l'avant vers l'arrière.

Directeurs de l'écoute

Les directeurs sont coupés plus court que l'élément entraîné.

  • Directeur 1: 0,455λ (pour 145 MHz: 0,941 mètres)
  • Directeur 2: 0,445λ (0,921 mètres)
  • Directeur 3: 0,435λ (0,900 mètres)
  • Directeur 4: 0,425λ (0.880 mètres)

Ces valeurs changent avec la correction de la flèche. Un conducteur sur une flèche métallique se comporte comme si électriquement plus longtemps en raison de la capacité de la flèche. Une règle du pouce: ajouter environ 0.002λ pour chaque 0,01λ de correction du diamètre de la flèche. Le logiciel de simulation gère automatiquement cela.

Si un réalisateur est trop court, la résonance de l'élément entraîné se déplace vers le haut et VSWR s'élève. La séquence pratique : régler le réflecteur, ajouter le premier réalisateur, vérifier la résonance. Si VSWR minimum se déplace au-dessus de votre fréquence cible, allonger le réalisateur; si ci-dessous, raccourcir. Chaque réalisateur supplémentaire tire la résonance à nouveau. Beaucoup de constructeurs expérimentés coupent tous les réalisateurs à la longueur calculée, les installent, puis ajustent seulement le premier réalisateur et le réflecteur pour apporter tout dans l'alignement.

Espacement et ses effets

La longueur de l'élément ne garantit pas la performance. L'espacement est également critique :

  • Réflecteur à élément entraîné: 0,15λ à 0,2λ
  • Élément conduit au premier réalisateur : 0,1λ à 0,2λ
  • Directeur à directeur: 0.15λ à 0.25λ

Un espacement plus large augmente la longueur de la flèche et donne un gain légèrement plus élevé au coût des lobes latéraux.

Si votre Yagi montre une bonne immersion VSWR mais une impédance de point d'alimentation loin de 50 ↓, ajustez d'abord l'espacement réflecteur-à-drivé. L'augmentation de cet espacement augmente l'impédance; diminue l'espacement des directeurs a des effets secondaires mais aide à affiner la bande passante. Gardez des notes détaillées — un tableur reliant les changements aux minima VSWR est inestimable pour reproduire une construction réussie.

Travaux pratiques de construction

Aucun calcul ne remplace le réglage empirique. Ce workflow s'est avéré fiable pour les constructeurs de maisons de bois :

  1. Choisir des matériaux:[ Choisir une fréquence centrale et un matériau d'élément — 6061-T6 L'aluminium est un bon équilibre de résistance et de conductivité pour l'utilisation en extérieur.
  2. Calculer les longueurs théoriques:[ Commencez par les fractions de longueur d'onde et d'élément de l'espace libre. Appliquer 0,95 facteur de vitesse pour les conducteurs minces, 0,92–0,93 pour les tubes épais. Ajouter la correction de la flèche pour les booms métalliques.
  3. Construisez l'élément d'entraînement en premier:[ Assemblez avec le réseau correspondant, montez sur la flèche. Mesurez la fréquence de résonance avec un analyseur d'antenne. Trim symétriquement jusqu'à ce que VSWR plonge à la fréquence cible. Trimez également les deux côtés — l'asymétrie provoque une déformation du motif et une polarisation croisée.
  4. Ajouter le réflecteur:[ Installer à l'espacement prévu sans directeurs. Mesurer le modèle en marchant une source de signal derrière l'antenne. Régler la longueur du réflecteur jusqu'à ce que le rejet arrière culmine à la fréquence de conception.
  5. Installer les directeurs un par un:[ Ajouter le premier directeur, mesurer l'impédance et le motif, parage au besoin. Ajouter le second directeur, répéter. Chaque élément parasite tire légèrement la résonance de l'élément entraîné. Le directeur final peut avoir besoin de ±3 mm de réglage.
  6. Vérification d'impédance finale :[ Un Yagi bien ajusté présente 50 ↓ (ou 200 ↓ avec 4:1 balun). Si l'impédance est faible, augmenter l'espacement des directeurs ou réduire l'espacement des réflecteurs; si élevé, faire le contraire. Changer une variable à la fois. Quelques millimètres d'espacement peuvent déplacer la dentelure de 2–3 MHz.
  7. Une fois que les vis sont bien ajustées, il faut utiliser un composé anti-oxydation sur les joints en aluminium et appliquer de la graisse diélectrique en silicone sur les fixations.

Utilisation du logiciel de simulation

Le calcul manuel enseigne les fondamentaux, mais la conception de Yagi à plusieurs éléments est extrêmement avantageuse pour la modélisation informatique. EZNEC et 4NEC2 sont des normes de l'industrie. Ils vous permettent d'entrer les coordonnées, les diamètres et les matériaux des éléments, puis de simuler le gain, le rapport front-arrière, l'impédance et les modèles de rayonnement.

Les calculatrices en ligne offrent des dimensions de démarrage rapides. Le K4HCG Yagi Designer est un choix populaire. Utilisez-les pour les conceptions de premier passage, puis vérifiez avec un simulateur 3D complet. Pour le micro-ondes Yagis (2,4 GHz Wi-Fi), longueurs physiques tombent à l'échelle millimètre, rendant la précision mécanique critique.

Lors de l'utilisation du logiciel, vérifiez le réglage du plan de sol. La plupart des modèles NEC-2 supposent de l'espace libre, adapté à la conception initiale. La vérification finale devrait inclure un modèle réel au sol à la hauteur prévue de montage.

Considérations concernant la largeur de bande et les bandes multiples

Pour une couverture plus large (144-148 MHz), les éléments épaississent. Certains modèles utilisent des directeurs piégés ou des éléments à bande multiple, mais les Yagis piégés nécessitent un réglage minutieux. Pour la plupart des projets de brassage à domicile, un Yagi à bande unique avec gain modéré est le choix pragmatique.

Pour une utilisation de 2 mètres à travers des fractionnements simples et répéteurs, conception pour une fréquence centrale de 146 MHz avec des éléments de 8 à 10 mm de diamètre. La bande passante résultante couvrira de façon confortable 144 à 148 MHz. Pour les modes à bande étroite comme SSB ou CW, optimiser pour une fréquence unique et accepter 1,5:1 VSWR aux bords de bande – parfaitement acceptable pour la plupart des émetteurs-récepteurs.

Exemple du monde réel : Yagi à 2 mètres 5 éléments

Exécutons un design pratique pour 145,0 MHz en utilisant des tiges en aluminium de 6 mm sur une boom métallique carrée de 25 mm avec des supports isolés à travers le boom (facteur de vitesse 0,97).

  • Élément d'entraînement (dipole replié): longueur de départ = 0,97 × 0,5λ = 1,003 mètres de côté, boucle totale ~2,006 mètres. Longueur de la tige généralement 0,02λ à 0,04λ avec court coulissant pour l'accordage.
  • Réflecteur : 0,503λ × 0,97 = 1,010 mètres, plus correction de la flèche de 12 mm = 1,022 mètres.
  • Directeur 1: 0,455λ × 0,97 = 0,914 mètres + 12 mm = 0,926 mètres.
  • Directeur 2: 0,445λ × 0,97 = 0,894 mètres + 12 mm = 0,906 mètres.
  • Directeur 3: 0,435λ × 0,97 = 0,874 mètres + 12 mm = 0,886 mètres.

Espacement : entraîné par réflecteur = 0,2λ (0,414 m), entraîné par D1 = 0,15λ (0,310 m), D1–D2 = 0,25λ (0,517 m), D2–D3 = 0,3λ (0,621 m), valeurs de départ — simuler d'abord, puis parage dans une plage d'essai en champ ouvert. Gain attendu : 10-11 dBi avec avant-arrière supérieur à 20 dB. Utiliser un balun 4:1 pour l'impédance de 200 γ du dipole replié et parage le court glissement jusqu'à ce que le VSWR se concentre sur 145,0 MHz.

Effets terrestres et écrasement

Tous les calculs de l'espace libre changent lorsque vous montez l'antenne près du sol. Les réflexions au sol modifient le motif d'élévation et l'impédance. Couple Yagis polarisé verticalement avec la terre, résonance d'éléments changeants.

Le cumulage de deux Yagis – colinéaire ou large – nécessite un harnais de graduation qui dépend de la mise en place de l'élément, rendant la précision de la longueur encore plus critique. Le cumul de l'élément utilise généralement un espacement vertical de 1λ à 1,5λ. Le cumul de l'élément de graduation utilise un espacement horizontal de 0,5λ à 1λ. Le harnais de graduation doit avoir des longueurs électriques égales à chaque antenne.

Problèmes et solutions communs

Même les constructeurs expérimentés rencontrent des problèmes. Voici des problèmes fréquents:

  • La résonance est trop basse: Tous les éléments sont probablement trop longs. Trim de 1 à 2 % et revérifier. Si seulement le réflecteur déteigne, vérifiez sa distance de montage de la boom.
  • Impédance loin de 50 ↓: L'espacement incorrect est la cause habituelle. Ajustez d'abord l'espacement des réflecteurs, puis l'espacement des directeurs. Considérez un match gamma ou un chapeau capacitif pour un contrôle fin.
  • Le mauvais rapport avant-arrière:[ Longueur ou espacement du réflecteur. Vérifiez également l'asymétrie des éléments — la différence de 2 mm entre les moitiés gauche et droite peut dégrader le motif. Utilisez un calliper pour vérifier la parure symétrique.
  • La bande passante étroite:[ Utiliser des éléments plus épais. Si le diamètre change, la résonance se déplace, recalculer les longueurs avec le nouveau diamètre.
  • Pattern squint:[ Cause par des éléments asymétriques ou courant à mode commun sur la ligne d'alimentation. Installez un balun de ferrite choke au point d'alimentation : 8-10 tours de coax à travers un noyau de ferrite à 31 mélanges.

Outils et matériaux

La coupe de précision nécessite une bonne mesure de bande métrique, une scie à hacker fine-toothed et un outil de débrayage. Marquer avec un tranchant mais couper de 1 à 2 mm à l'extérieur de la ligne et de fichier à la longueur finale. Ne jamais couper les deux côtés simultanément sans mesurer. Pour les bandes UHF et micro-ondes, un calliper numérique est essentiel.

Pour les installations extérieures, utilisez des écrous en acier inoxydable et des écrous en nylon. Appliquer Noalox ou un antioxydant similaire aux joints en aluminium. Bracez la botte de manière adéquate pour le poids de l'élément — un Yagi de 10 éléments de 2 mètres crée une charge de vent importante. Utilisez un rotateur évalué pour au moins 1,5 fois le couple calculé de la zone de vent.

Les pensées finales

Les formules de graine — 0.5λ, 0.52λ, 0.45λ — vous donnent un point de départ, mais des dimensions optimales émergent de la modélisation et des réglages à l'appui de la mesure. Que vous construisiez une antenne 3 éléments légère pour le travail par satellite ou un réseau de tropo-scatter multi-éléments, en respectant ces principes physiques, le métal brut devient un radiateur efficace et directionnel. Commencez par un calcul solide, simulez, construisez et accordez. La récompense est un faisceau qui percute le bruit et tire des signaux faibles avec précision.