Test WiFi longue portée : antennes directionnelles, l'histoire du gain et un Yagi fait maison

Tout commence par une couverture sans fil capricieuse à la maison. L'hébergeur utilise une petite antenne sur son routeur plutôt qu'une volumineuse, et se souvient d'un projet antérieur où il avait mesuré côte à côte des designs d'antennes du quotidien. Ce projet laissait une lacune : les antennes directionnelles, ces gros éléments souvent vendus comme des antennes Yagi, qui concentrent le signal en un seul faisceau au lieu de le diffuser uniformément.

Le dispositif est construit à partir de deux cartes ESP32 : l'une sert d'émetteur sous un abri, l'autre de récepteur dans un abri de jardin à une vingtaine de mètres. Une batterie externe alimente l'émetteur, qui émet des paquets sans fil à intervalles réguliers. Le côté réception reste relié à un ordinateur et affiche une valeur RSSI, l'indicateur de puissance du signal reçu, pour chaque paquet capté.

Avec les meilleures antennes du quotidien de la première série installées aux deux extrémités, un lien s'établit mais les chiffres déçoivent : le RSSI tourne autour de moins 65 dBm. Puis trois antennes directionnelles commerciales envoyées par le fournisseur d'électronique Mouser sortent de leurs boîtes : une nageoire compacte, une grande nageoire et un long modèle en forme de perche. Remplacer l'antenne émettrice ordinaire par la petite nageoire fait passer le RSSI à environ moins 50 dBm, un bond qui signifie que la puissance du signal capté a été multipliée par plus de trente.

La grande nageoire et la perche surpassent toutes deux largement la petite, mais quelle unité a obtenu quel score reste un suspense qui pousse les spectateurs curieux vers les fiches techniques. C'est là que le gain entre en scène, et l'hébergeur admet que le mot l'a trompé lui-même : son écho de l'époque des transistors laisse croire qu'une antenne peut amplifier un signal. En réalité, une antenne n'amplifie rien ; elle gère seulement la façon dont la puissance disponible se répartit dans l'espace.

L'étalon de mesure est un radiateur isotrope fictif qui brille également dans toutes les directions, défini comme un gain de un, soit zéro dBi. À mesure que le signal est concentré dans une seule direction, le chiffre grimpe : la perche affiche 14,5 dBi sur sa fiche, la grande nageoire 6,8 dBi. Quand la perche domine le classement RSSI lors du test, cet écart en sort confirmé, et les diagrammes de rayonnement des fiches racontent la même histoire, la perche dessinant un faisceau fin tandis que la grande nageoire balaie une zone plus large.

La vraie surprise se cache sous le capot : les deux produits en forme de nageoire ne sont pas des Yagi au sens strict. Leurs silhouettes étagées en sapin les désignent comme des antennes log-périodiques, ou LPDA. Les longueurs d'éléments et les espacements diminuent du plus grand au plus petit, si bien qu'à toute fréquence seule une petite grappe près de la taille résonante supporte l'essentiel de la charge, tandis que les éléments voisins combinent leurs ondes vers le petit bout et s'annulent partiellement vers l'arrière, ce qui forme le faisceau.

À l'intérieur de la perche se trouve un véritable dipôle rayonnant à la base plus une longue structure avant sans lien filaire avec lui : cet élément parasite capte le champ du dipôle, le rerayonne, et ses ondes s'accumulent dans la direction visée, d'où son nom de directeur. Un Yagi de manuel comporterait aussi un réflecteur plus volumineux derrière l'élément alimenté pour étouffer le rayonnement arrière et renforcer le lobe avant, et cette pièce est absente ici. Une mise en garde légale s'invite entre les deux : en Allemagne, le plafond à 2,4 GHz est de 100 mW EIRP, soit 20 dBm, et une antenne à fort gain peut le dépasser sans effort, c'est pourquoi l'hébergeur a volontairement réduit la puissance d'émission pendant les essais.

Pour comprendre la logique des espacements et de la géométrie, un rapport de conception Yagi du National Bureau of Standards américain devient le plan d'une tentative artisanale : un dipôle, trois directeurs et un réflecteur, le tout monté sur un cadre isolant. Le cadre sort d'une imprimante 3D, les éléments rayonnants sont découpés dans une tige de laiton de 1 mm et fixés avec des écrous et boulons en nylon. La tâche la plus délicate est la soudure de l'alimentation coaxiale, mais le résultat final a fière allure au premier regard.

Une vérification rapide sur un analyseur de réseau vectoriel montre un accord bien en deçà de l'idéal, mais le verdict qui compte vient du terrain. Branchée sur le même dispositif, l'antenne artisanale se place à moins 52 dBm : derrière les modèles commerciaux, nettement devant la meilleure antenne fouet ordinaire. Tournée dans le sens opposé, elle chute à environ moins 60, ce qui constitue au passage la preuve la plus évidente que le faisceau pointe vraiment.

Pour un diagramme de rayonnement comme ceux des fiches commerciales, la simulation laisse place à un dispositif motorisé appelé NanoFarField, bientôt lancé en financement participatif : l'émetteur reste en place tandis que l'antenne artisanale effectue un tour complet et que le logiciel fourni enregistre tout automatiquement. À 2442 MHz, le canal utilisé par le lien ESP32, un faisceau net apparaît, plus rugueux que les courbes commerciales mais indéniablement directionnel. Quelques tiges de laiton, un support imprimé et une littérature d'antennes vieille de plusieurs décennies suffisent donc à réaliser un faisceau WiFi fonctionnel.