Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Кіріспе
Радио антеннасының түрі
Type of radio antenna
Яги-Уда антеннасы, немесе жай ғана Яги антеннасы – екі немесе одан көп параллельді резонанстық антенна элементтерінен тұратын бағытталған антенна. Бұл элементтер көбінесе жарты толқынды диполь ретінде жұмыс істейтін металл таяқшалар (немесе дискілер) болып табылады. Яги-Уда антенналары радио таратушы немесе қабылдағышқа (немесе екеуіне де) тарату желісі арқылы қосылған бір қозғалтқыш элементтен және электр байланысы жоқ қосымша пассивті сәулелендіргіштерден тұрады, әдетте бір рефлектор және кез келген саны директорлардан. Оны 1926 жылы Тохоку Императорлық университетінің Шинтаро Уда ойлап тапты, Жапонияда.
A Yagi–Uda antenna, or simply Yagi antenna, is a directional antenna consisting of two or more parallel resonant antenna elements in an end fire array; these elements are most often metal rods (or discs) acting as half wave dipoles. Yagi–Uda antennas consist of a single driven element connected to a radio transmitter or receiver (or both) through a transmission line, and additional passive radiators with no electrical connection, usually including one so called reflector and any number of directors. It was invented in 1926 by Shintaro Uda of Tohoku Imperial University, Japan,
Рефлектор элементтері (әдетте тек біреуі қолданылады) қозғалтқыш дипольдан сәл ұзын және қозғалтқыш элементтің артына, жоспарланған таралым бағытына қарама-қарсы орналастырылады. Ал директорлар керісінше, сәл қысқа және қозғалтқыш элементтің алдына, жоспарланған бағытта орналастырылады. Дегенмен, Яги есімі көбірек танымал болды, ал идеяны тәжірибеде қолданған немесе тәжірибе арқылы тұжырымдаманы қалыптастырған Уданың есімі көбінесе еске алынбайды. Бұл Ягидің өз жұмысын Уданың бұрынғы жарияланымдарына негіздегендігіне байланысты, Яги жаңа идея бойынша Жапонияда патент алуға өтінім берді, бірақ онда Уданың аты болмады, кейіннен патентті Ұлыбританиядағы Marconi компаниясына берді. Сонымен қатар, АҚШ-та патент RCA корпорациясына берілді. Кеңірек жолақты кеңістікке қол жеткізу үшін төменде сипатталған "тұзақтарды" пайдалануға болады. Әуесқой радио үшін қолданылатын Яги-Уда антенналары кейде бірнеше жиілік диапазонында жұмыс істеуге арналған. Бұл күрделі конструкциялар әр элементтің бойында (екі жағынан) электрлік үзілістер жасайды, сол жерде параллель LC (индуктор және конденсатор) тізбегі орнатылады. Бұл тұзақ деп аталатын элемент жоғары жиілікті диапазонда элементті қысқартып, оның ұзындығы шамамен жарты толқынға тең етеді. Төменгі жиілікте бүкіл элемент (тұзақтан қалған индуктивтілікпен қоса) жарты толқындық резонансқа жақын болады, басқа Яги-Уда антеннасын іске қосады. Екінші тұзақтарды пайдаланып, "үш жолақты" антенна үш түрлі жиілік диапазонында резонансқа түсуі мүмкін. Антенна мен ротатор жүйесін мұнараның үстіне орнатудың қымбаттығын ескере отырып, үш әуесқойлық жиілік диапазонына арналған антенналарды бір құрылғыда біріктіру – практикалық шешім. Дегенмен, тұзақтарды қолданудың кемшіліктері де бар, өйткені олар жеке жиілік диапазондарында антеннаның жолақтығын азайтады, антеннаның электр тиімділігін төмендетеді және антеннаны қосымша механикалық талаптарға (жел жүктемесі, су мен жәндіктердің енуі) ұшыратады.
Reflector elements (usually only one is used) are slightly longer than the driven dipole and placed behind the driven element, opposite the direction of intended transmission. Directors, on the other hand, are a little shorter and placed in front of the driven element in the intended direction. However, the name Yagi has become more familiar, while the name of Uda, who applied the idea in practice or established the conception through experiment, is often omitted. This appears to have been due to the fact that Yagi based his work on Uda's pre announcement Yagi filed a patent application in Japan on the new idea, without Uda's name in it, and later transferred the patent to the Marconi Company in the UK. Incidentally, in the US, the patent was transferred to RCA Corporation. Wider bandwidth can also be achieved by the use of "traps", as described below. Yagi–Uda antennas used for amateur radio are sometimes designed to operate on multiple bands. These elaborate designs create electrical breaks along each element (both sides) at which point a parallel LC (inductor and capacitor) circuit is inserted. This so called trap has the effect of truncating the element at the higher frequency band, making it approximately a half wavelength in length. At the lower frequency, the entire element (including the remaining inductance due to the trap) is close to half wave resonance, implementing a different Yagi–Uda antenna. Using a second set of traps, a "triband" antenna can be resonant at three different bands. Given the associated costs of erecting an antenna and rotator system above a tower, the combination of antennas for three amateur bands in one unit is a practical solution. The use of traps is not without disadvantages, however, as they reduce the bandwidth of the antenna on the individual bands and reduce the antenna's electrical efficiency and subject the antenna to additional mechanical considerations (wind loading, water and insect ingress).
Жұмыс істеу теориясы
Яги-Уда антенналарының рефлектор, қозғалтқыш элемент және бір директордан тұратынын қарастырайық. Қозғалтқыш элемент әдетте 1/2λ диполь немесе бүктелген диполь болып табылады және тікелей қозғалтын (азық желісіне электрлік қосылған) құрылымның жалғыз мүшесі болып табылады. Қалған элементтердің барлығы паразиттік болып саналады. Яғни, олар қозғалтқыш элементтен алатын қуатын қайта сәулелендіреді. Олар бір-бірімен өзара әрекеттеседі, бірақ бұл өзара әрекеттесу төмендегі қарапайым түсіндірмелерде ескерілмейді, олар алыс дала жағдайларына қатысты. Мұндай антеннаның жұмыс істеуін түсінудің бір жолы – паразиттік элементті ортасында қысқа тұйықталған, тамақтандыру нүктесі арқылы тамақтанатын шекті диаметрлі қалыпты дипольдік элемент деп қарастыру. Ток ағынының негізгі бөлігі жүктелген қабылдау антеннасында орталықтан басқарылатын антеннадағыдай таралады. Ол антеннаның тиімді ұзындығына пропорционалды және егер пассивті диполь дәл өзінің резонанстық жиілігінде қозғалтын болса, онда түскен электр өрісімен фазада болады. Енді токты антеннаның (қысқа тұйықталған) портындағы қуат толқынының көзі ретінде елестетеміз. Тарату желісі теориясында белгілі болғандай, қысқа тұйықталу кезіндегі кернеуді фазадан 180 градусқа ауыстырады. Сондықтан паразиттік элементтің жұмысын дипольдік элементтің күштерді қабылдап, оны сәйкес жүкке жеткізу желісі арқылы жіберуі және бірдей күштерді жеткізу желісі арқылы қайтадан антенна элементіне жіберу арқылы модельдеуге болады. Егер жіберілген кернеу толқыны сол кездегі алынған толқынмен 180 градус фазадан тыс болса, екі кернеу толқынының суперпозициясы нөлдік кернеу береді, бұл диполдың қоректену нүктесінде қысқа тұруымен тең (оны қатты элемент етіп, ол сияқты). Алайда, кері толқынның тогы соққы беретін толқынның тогымен фазада болады. Бұл ток (пассивті) диполь элементінің қайта сәулеленуін басқарады. Белгілі бір қашықтықта қайта сәулеленген электр өрісі дипольді антеннаның сәулелену өрісінің алыс дала компонентімен сипатталады. Оның фазасына таралудың кешігуі (токқа қатысты) және қосымша 90 градус артта қалған фазалық ауытқу кіреді. Осылайша, қайта сәулеленген өріс түскен өріске қатысты 90 градус артта қалған фазаға ие деп ойлауға болады. Яги-Уда антенналарына қатысатын паразиттік элементтер дәл резонанстық емес, бірақ 1/2λ-ден сәл қысқа (немесе ұзын), сондықтан элементтің ток фазасы оның қозғалған элементтен қоздыруына байланысты өзгертіледі. 1/2λ-ден ұзын болатын рефлектор элементі индуктивті реактансқа ие, яғни оның ток фазасы алынған өріспен индукцияланатын ашық контур кернеуінің фазасынан артта қалады. Фазалық кідіріс 90 градустан артық және егер рефлектор элементі жеткілікті ұзақ болса, фазалық кідіріс 180 градусқа жақындауы мүмкін, сондықтан түскен толқын мен рефлектор қайта жіберген толқын алдыңғы бағытта (яғни қозғалған элементтен пассивті элементке қарай) қиратушылық араласады. Директор элементі, керісінше, 1/2λ-ден қысқа, ол сыйымдылық реактансына ие, кернеу фазасы токқа қарағанда артта қалады. Фазалық кідіріс 90 градустан аз және егер директор элементі жеткілікті қысқа болса, фазалық кідіріс нөлге жақындап, түскен толқын мен рефлектор қайта жіберген толқын алдыңғы бағытта конструктивті кедергі келтіреді. Тосқауылдар кері бағытта да пайда болады. Бұл кедергіге қозғалатын элемент пен пассивтік элементтің арасындағы қашықтық әсер етеді, өйткені түсу толқынының (жегілетін элементтен пассивтік элементке) және қайта сәулеленген толқынының (пассивтік элементтен қозғалатын элементке) таралу кешіктіруін ескеру керек. Эффектті көрсету үшін, директор мен рефлектордың қайта сәулеленуі үшін нөлдік және 180 градус фазалық кідіріс деп есептейміз және қозғалатын және пассивті элемент арасындағы толқын ұзындығының төрттен бір бөлігі деп есептейміз. Осы жағдайда директордың қайта жіберген толқыны кері бағыттағы (пассивті элементтен алыс) қозғалған элементтің жіберген толқынына деструктивті түрде кедергі келтіреді, ал рефлектордың қайта жіберген толқыны конструктивті түрде кедергі келтіреді. Шын мәнінде, пассивті диполь элементтерінің фазалық кідірісі нөл және 180 градустың шектен тыс мәндеріне жетпейді. Осылайша, элементтерге дұрыс ұзындығы мен арақашықтығы беріледі, сондықтан қозғалтқыш элемент сәулеленетін радио толқындар мен паразиттік элементтер сәулеленетіндер антеннаның алдыңғы жағына фазада келеді, сондықтан олар үстіне түсіп, күшейеді, алдыңғы бағытта сигнал күшін арттырады. Басқаша айтқанда, рефлектор элементінен шыққан алдыңғы толқынның шыңы қозғалтқыш элементке дәл сол толқын шыққан кезде жетеді. Бұл толқындар бірінші директор элементіне дәл сол толқын шыққан кезде жетеді, және т.с.с. Кері бағыттағы толқындар қиратушылық араласады, өшіріледі, сондықтан кері бағытта сәулеленген сигнал күші аз. Осылайша, антенна алдыңғы жағынан (директор жағынан) радио толқындарының бір бағытты сәулесін сәулелендіреді.
Consider a Yagi–Uda consisting of a reflector, driven element and a single director as shown here. The driven element is typically a 1/2λ dipole or folded dipole and is the only member of the structure that is directly excited (electrically connected to the feedline). All the other elements are considered parasitic. That is, they reradiate power which they receive from the driven element. They also interact with each other, but this mutual coupling is neglected in the following simplified explanation, which applies to far field conditions. One way of thinking about the operation of such an antenna is to consider a parasitic element to be a normal dipole element of finite diameter fed at its centre, with a short circuit across its feed point. The principal part of the current in a loaded receiving antenna is distributed as in a center driven antenna. It is proportional to the effective length of the antenna and is in phase with the incident electric field if the passive dipole is excited exactly at its resonance frequency. Now we imagine the current as the source of a power wave at the (short circuited) port of the antenna. As is well known in transmission line theory, a short circuit reflects the incident voltage 180 degrees out of phase. So one could as well model the operation of the parasitic element as the superposition of a dipole element receiving power and sending it down a transmission line to a matched load, and a transmitter sending the same amount of power up the transmission line back toward the antenna element. If the transmitted voltage wave were 180 degrees out of phase with the received wave at that point, the superposition of the two voltage waves would give zero voltage, equivalent to shorting out the dipole at the feedpoint (making it a solid element, as it is). However, the current of the backward wave is in phase with the current of the incident wave. This current drives the reradiation of the (passive) dipole element. At some distance, the reradiated electric field is described by the far field component of the radiation field of a dipole antenna. Its phase includes the propagation delay (relating to the current) and an additional 90 degrees lagging phase offset. Thus, the reradiated field may be thought as having a 90 degrees lagging phase with respect to the incident field. Parasitic elements involved in Yagi–Uda antennas are not exactly resonant but are somewhat shorter (or longer) than 1/2λ so that the phase of the element's current is modified with respect to its excitation from the driven element. The so called reflector element, being longer than 1/2λ, has an inductive reactance, which means the phase of its current lags the phase of the open circuit voltage that would be induced by the received field. The phase delay is thus larger than 90 degrees and, if the reflector element is made sufficiently long, the phase delay may be imagined to approach 180 degrees, so that the incident wave and the wave reemitted by the reflector interfere destructively in the forward direction (i. e. looking from the driven element towards the passive element). The director element, on the other hand, being shorter than 1/2λ, has a capacitive reactance with the voltage phase lagging that of the current. The phase delay is thus smaller than 90 degrees and, if the director element is made sufficiently short, the phase delay may be imagined to approach zero and the incident wave and the wave reemitted by the reflector interfere constructively in the forward direction. Interference also occurs in the backward direction. This interference is influenced by the distance between the driven and the passive element, because the propagation delays of the incident wave (from the driven element to the passive element) and of the reradiated wave (from the passive element back to the driven element) have to be taken into account. To illustrate the effect, we assume zero and 180 degrees phase delay for the reemission of director and reflector, respectively, and assume a distance of a quarter wavelength between the driven and the passive element. Under these conditions the wave reemitted by the director interferes destructively with the wave emitted by the driven element in the backward direction (away from the passive element), and the wave reemitted by the reflector interferes constructively. In reality, the phase delay of passive dipole elements does not reach the extreme values of zero and 180 degrees. Thus, the elements are given the correct lengths and spacings so that the radio waves radiated by the driven element and those re radiated by the parasitic elements all arrive at the front of the antenna in phase, so they superpose and add, increasing signal strength in the forward direction. In other words, the crest of the forward wave from the reflector element reaches the driven element just as the crest of the wave is emitted from that element. These waves reach the first director element just as the crest of the wave is emitted from that element, and so on. The waves in the reverse direction interfere destructively, cancelling out, so the signal strength radiated in the reverse direction is small. Thus the antenna radiates a unidirectional beam of radio waves from the front (director end) of the antenna.