Антенна Яги-Уда: конструкция и применение.

Введение

Яги-Уда антенна, или просто антенна Яги, — это направленная антенна, состоящая из двух или более параллельных резонансных антенных элементов в линейном массиве. Эти элементы чаще всего представляют собой металлические стержни (или диски), работающие как полуволновые диполи. Антенны Яги-Уда состоят из одного активного элемента, подключенного к радиопередатчику или приемнику (или к обоим) через линию передачи, и дополнительных пассивных излучателей без электрического соединения, обычно включающих один так называемый рефлектор и любое количество директоров. Она была изобретена в 1926 году Синтаро Удой из Императорского университета Тохоку, Япония.

Type of radio antenna

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,

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).

Рефлекторные элементы (обычно используется только один) немного длиннее активного диполя и располагаются позади него, противоположно направлению предполагаемой передачи. Директора, напротив, немного короче и располагаются перед активным элементом в нужном направлении. Однако имя Яги стало более известным, в то время как имя Уды, который реализовал эту идею на практике или установил концепцию экспериментально, часто опускается. Это, по-видимому, произошло из-за того, что Яги основывал свою работу на предварительных результатах Уды. Яги подал заявку на патент в Японии на эту новую идею, не упоминая имя Уды, а затем передал патент компании Marconi в Великобритании. К слову, в США патент был передан корпорации RCA. Более широкую полосу пропускания также можно достичь с помощью "ловушек", как описано ниже. Антенны Яги-Уда, используемые в любительском радио, иногда проектируются для работы на нескольких диапазонах. Эти сложные конструкции создают электрические разрывы вдоль каждого элемента (с обеих сторон), в которые вставляется параллельная LC-цепь (индуктор и конденсатор). Эта так называемая ловушка укорачивает элемент на более высокой частоте, делая его приблизительно равным половине длины волны. На более низкой частоте весь элемент (включая остаточную индуктивность из-за ловушки) близок к полуволновому резонансу, реализуя другую антенну Яги-Уда. Используя второй набор ловушек, можно создать "тридиапазонную" антенну, резонирующую на трех различных диапазонах. Учитывая связанные с этим затраты на установку антенны и системы поворота на мачте, объединение антенн для трех любительских диапазонов в одном устройстве является практичным решением. Однако использование ловушек не лишено недостатков, поскольку они уменьшают полосу пропускания антенны в каждом диапазоне, снижают ее электрическую эффективность и предъявляют дополнительные механические требования (ветровая нагрузка, попадание воды и насекомых).

Теория действия

Рассмотрим антенну Яги–Уда, состоящую из отражателя, активного элемента и одного директора, как показано на рисунке. Активный элемент обычно представляет собой диполь длиной 1/2λ или сложенный диполь и является единственным элементом структуры, который непосредственно возбуждается (электрически подключен к линии передачи). Все остальные элементы считаются пассивными. То есть они переизлучают мощность, которую они получают от активного элемента. Они также взаимодействуют друг с другом, но эта взаимная связь не учитывается в следующем упрощенном объяснении, применимом к условиям дальней зоны. Один из способов понимания работы такой антенны – рассматривать пассивный элемент как нормальный дипольный элемент конечного диаметра, питаемый в его центре, с коротким замыканием в точке питания. Основная часть тока в нагруженной приемной антенне распределяется так же, как и в центрально-питаемой антенне. Она пропорциональна эффективной длине антенны и находится в фазе с падающим электрическим полем, если пассивный диполь возбуждается точно на своей резонансной частоте. Теперь представим ток как источник волновой мощности в (короткозамкнутом) порту антенны. Как известно из теории линий передачи, короткое замыкание отражает падающее напряжение с фазовым сдвигом 180 градусов. Таким образом, можно смоделировать работу пассивного элемента как суперпозицию дипольного элемента, принимающего мощность и отправляющего ее по линии передачи к согласованной нагрузке, и передатчика, отправляющего такое же количество мощности по линии передачи обратно к элементу антенны. Если бы передаваемая волна напряжения была сдвинута по фазе на 180 градусов относительно принимаемой волны в этой точке, суперпозиция двух волн напряжения дала бы нулевое напряжение, что эквивалентно короткому замыканию диполя в точке питания (делая его цельным элементом, как это и есть). Однако ток обратной волны находится в фазе с током падающей волны. Этот ток вызывает переизлучение (пассивного) дипольного элемента. На некотором расстоянии переизлученное электрическое поле описывается компонентой поля излучения дипольной антенны в дальней зоне. Его фаза включает в себя задержку распространения (связанную с током) и дополнительный фазовый сдвиг в 90 градусов. Таким образом, переизлученное поле можно рассматривать как отстающее по фазе на 90 градусов от падающего поля. Пассивные элементы, используемые в антеннах Яги–Уда, не являются точно резонансными, но несколько короче (или длиннее) 1/2λ, чтобы фаза тока элемента была изменена относительно его возбуждения от активного элемента. Так называемый отражатель, будучи длиннее 1/2λ, имеет индуктивное реактивное сопротивление, что означает, что фаза его тока отстает от фазы напряжения разомкнутой цепи, которое было бы индуцировано принимаемым полем. Таким образом, фазовый сдвиг больше 90 градусов, и если отражатель достаточно длинный, можно представить, что фазовый сдвиг приближается к 180 градусам, так что падающая волна и волна, переизлученная отражателем, будут деструктивно интерферировать в прямом направлении (то есть, если смотреть от активного элемента к пассивному элементу). Директор, с другой стороны, будучи короче 1/2λ, имеет емкостное реактивное сопротивление, при котором фаза напряжения отстает от фазы тока. Таким образом, фазовый сдвиг меньше 90 градусов, и если директор достаточно короткий, можно представить, что фазовый сдвиг приближается к нулю, и падающая волна и волна, переизлученная директором, будут конструктивно интерферировать в прямом направлении. Интерференция также происходит в обратном направлении. На эту интерференцию влияет расстояние между активным и пассивным элементом, поскольку необходимо учитывать задержки распространения падающей волны (от активного элемента к пассивному элементу) и переизлученной волны (от пассивного элемента обратно к активному элементу). Для иллюстрации эффекта предположим фазовый сдвиг в 0 и 180 градусов для переизлучения директора и отражателя соответственно, и предположим расстояние в четверть длины волны между активным и пассивным элементом. При этих условиях волна, переизлученная директором, будет деструктивно интерферировать с волной, излучаемой активным элементом, в обратном направлении (от пассивного элемента), а волна, переизлученная отражателем, будет конструктивно интерферировать. В реальности фазовый сдвиг пассивных дипольных элементов не достигает крайних значений 0 и 180 градусов. Таким образом, элементы имеют правильную длину и расстояние между ними, чтобы радиоволны, излучаемые активным элементом, и переизлучаемые пассивными элементами, все достигали передней части антенны в фазе, чтобы они складывались и усиливали сигнал в прямом направлении. Другими словами, гребень прямой волны от отражателя достигает активного элемента как раз в тот момент, когда гребень волны излучается этим элементом. Эти волны достигают первого директора как раз в тот момент, когда гребень волны излучается этим элементом, и так далее. Волны в обратном направлении деструктивно интерферируют, гася друг друга, поэтому мощность сигнала, излучаемая в обратном направлении, мала. Таким образом, антенна излучает направленный луч радиоволн с передней (директорной) стороны антенны.

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.