Yagi-Uda antennák az elméletben és a gyakorlatban - az antennák tervezésében!

A Yagi-Uda vagy ismertebb nevén a Yagi antenna az egyik legnépszerűbb fajtája az antennáknak. Jellemzőjük, hogy viszonylag egyszerű felépítésűek, és nagy nyereségűek, amely általában meghaladja a 10 dBi-t. A Yagi-Uda antennák a HF-től UHF-ig terjedő sávokban működhetnek (3 MHz és 3 GHz között), bár a Yagi antennáknak üzemi sávja gyakran kicsi.

A Yagi-Uda antenna Japánban Shintaro Uda-nál 1926-ban találták ki és Japánban tették ezt közre. A munkát először az angol professzor Yagi mutatta be, aki azután Amerikába ment, és nagyban hozzájárult ahhoz, hogy széles körben használják a tervet.

Egy Yagi-Uda antenna alapvető geometriája az alábbi ábrán látható. Az antenna csak egyetlen aktív (vezérelt) elemmel rendelkezik, jellemzően egy fél hullámú dipól, vagy hajtogatott, hajlított dipól. Ez azt jelenti, hogy az antennának csak ez a tagja (W) a működő elem (táplálja/meghajtja a tápvezetéket egy generátorról). A többi komponensek parazita elemek (passzív sugárzók) és segítenek továbbítani az energiát egy adott irányba. A dipól szinte mindig a második elem a végétől számítva (az ábra bal oldalán), amelyek hosszát úgy választjuk meg, hogy a jelenlévő más elemekkel együtt a rezonancia a kívánt működési frekvencia legyen (a dipól optimális hossza a passzív elemekkel valahol a 0,45-0,48 közötti hullámhossz).

A Yagi-Uda antennák geometriája

A dipól elem mögött található a reflektor (R). Ez az elem valamivel hosszabb, mint az aktív elem. Általában nincs szükség több reflektor hozzáadására, hogy azok a teljesítmény javítása érdekében még azt enyhén is növeljék. A reflektor fontos az antenna front-to-back (előre-hátra-viszony) meghatározásában. Tehát, a jelenléte csökkenti az antenna relatív szintű visszirányú sugárzását, és ezért csökkenti a kisugárzott energiát ellentétes irányba, ezáltal növeli az antenna nyereségét. A megnövelt hossz a reflektor tekintetében az aktív elem számára két előnyt jelent. Először is, a hosszabb elem vissza tükrözi a hullámokat hatékonyabban, így növeli az antenna nyereséget. Másodszor, ha a reflektor hosszabb, mint a rezonáló dipól, az impedancia induktív jellegű (a feszültség fázisa a reflektoron át a jelenlegi). A direktorok esetében (D1, D2, ... - a parazita elemek a dipóltól (W) jobbra találhatók, amelyek rövidebbek, mint a dipól, az impedancia kapacitív (áram a feszültség). Ilyen elosztása az impedancia elemeknek biztosítja a fázis progresszióját az antenna tengelye mentén, ami azt jelenti, hogy az antenna hosszirányban sugároz.

Jellemzően, a direktorok száma 1-20-ig terjedhet, attól függően, hogy az antenna kívánt nyeresége mennyi és a megengedhető mérete milyen legyen. A távolság(ok) a direktorok között általában állandó, és a direktorok hossza csökken a dipóltól való távolság növekedésével, a szükséges impedancia elosztása érdekében a fent leírtak alapján.

A legnépszerűbb aktív eleme a Yagi-Uda antennáknak egy hajlított dipól. A vázlat a hajlított dipólt (lent) egy téglalapként mutatja be, ahol az egyik oldal sokkal rövidebb, mint a másik (d << L).

A hajlított dipól vázlata

A hajlított dipól talán úgy is elemezhető, mint két párhuzamos rövidre zárt távvezeték, amelynek hossza L/2 (középpontjában külön a tápvonal). Tehát, a hajlított dipól impedanciája függ az átviteli vonalaktól. Továbbá, mivel az áramok egymást erősítik a gyengítés helyett (mint a félhullámú dipól), a bemeneti impedancia függ, az impedancia átviteli vonalának hosszától is L.

Egy példa a balun kialakítására mikrosztrip technológiában FR4 vörösréz borítású laminált lemeznek a használatával, amelynek vastagsága H = 1,52 mm, relatív permittivitásnál jellemzően εr = 4,4. A balun elrendezését az alábbi ábra mutatja. A szükséges rövidzárlat a DC számára megvalósul két hullámvonal révén magas hullám impedanciával, megszűnik egy rövidzárlatnál (a laminált lemezen keresztül a földeléshez). Nincs szükség 50-ohmos kimeneti vonalra, az antennahurok mint terhelés közvetlenül garantálja az impedancia illesztést. Ez a megoldás lehetővé tette a szimmetrizáló transzformátor (balun) méretének csökkentését.

Egy balun sematikus megjelenítése

A minta Yagi antenna kialakítása kifejezetten erre a célra szolgáló szoftver használatával történt az ilyen antennák modellezésére és optimalizálására. A projekt célja az volt, hogy dolgozzanak ki egy Yagi-Uda antennát aktív elemének tagjának PCB hajlított dipól formájában, tizenhárom direktorral, és egy reflektorral, amelyik a 2 GHz-es sávban működik. A fejlett antenna geometriáját az alábbi ábra mutatja, és a következő ábra szemlélteti a nyomtatott áramköri lapot, ahol a balun csatlakozik a hajlított dipóllal. A sugárzási minta szimulációja 2 GHz, az állóhullám arány és az antenna nyeresége a balunnal, mint a frekvencia függvényében mutatjuk be a következő sorrendben rajzokat. Meg kell jegyeznünk, hogy a központi frekvencia (2 GHz) az antenna nyeresége kb. 17 dBi és az állóhullám aránya nem haladja meg 1,15.

A PCB hajlított dipól és balun nézete

A sugárzási minta 2 GHz-nél

Állóhullám arány a frekvencia függvényében (szimuláció) a 1800-2200 MHz-es tartományon belül

Energia nyereség a frekvencia függvényében (szimuláció) a 1800-2200 MHz-es tartományon belül