www.radartutorial.eu Grundlagen der Radartechnik

Yagiantennen

Direktoren
Strahler
Reflektor

Bild 1: Elemente einer Yagi- Antenne

Yagiantenne: auf einem schmalen waagerechten Antennenträger ist am einen Ende der Reflektor angebracht. In einem gewissen Abstand folgt der Strahler (hier ein Dipol) und dann (hier) drei Direktoren, deren Länge sich stetig verkürzt, deren Abstand zueinander sich aber vergrößert.
Direktoren
Strahler
Reflektor

Bild 1: Elemente einer Yagi- Antenne

Yagi-Antennen gehören zu den Längsstrahlern und verwenden strahlungserregte Elemente. Diese Antennenform ist speziell für den Bereich der Funkwellen von Kurzwelle bis in den oberen UHF- Bereich hinein entwickelt worden. (Ihren Namen erhielt sie nach dem japanischen Erfinder, Professor Yagi.) Jedoch auch im Radarbereich wird sie verwendet.

Yagi-Antennen bestehen aus einer Gruppe von aktiven und passiven (parasitären) Elementen, welche durch gegenseitige Mitkopplung ein gemeinsames stark ausgeprägtes Richtdiagramm erzeugen. Sie bestehen aus oft nur einem gespeisten Element (meist ein Dipol) mit einer Anzahl von parasitär strahlungsgespeisten Elementen.

Die in der Grafik gezeigte Yagiantenne hat als aktiven Strahler einen Dipol und als passive Elemente einen Reflektor und drei Direktoren in unregelmäßigen Abständen. Je mehr passive Elemente verwendet werden, desto größer ist der Antennengewinn. Gleichzeitig verringert sich die Bandbreite und das Antennendiagramm wird schmaler.

Wellenleitersystem der Yagi-Antenne

Bild 2: Funktion eines Direktors als parasitärer Strahler, die Phasenverschiebung im Direktor durch kapazitiven Blindwiderstand überlagert sich mit der Phasenverschiebung durch den Laufzeitunterschied bei der Kopplung (Momentaufnahme der Wanderwellen)

Funktion eines Direktors als parasitärer Strahler, 
© 2011 Christian Wolff www.radartutorial.eu

Bild 2: Funktion eines Direktors als parasitärer Strahler, die Phasenverschiebung im Direktor durch kapazitiven Blindwiderstand überlagert sich mit der Phasenverschiebung durch den Laufzeitunterschied bei der Kopplung.

Die kleinste Yagi-Antenne besteht aus drei Elementen. Die Länge der Elemente variiert um die halbe Wellenlänge um +15% (Reflektoren) bis zur schrittweisen Verringerung um jeweils 5% bei den Direktoren. Jeder Direktor schwingt angeregt durch den gespeisten Dipol, entzieht diesem etwas Energie und wird deswegen auch „parasitärer Strahler” genannt. Die Direktoren der Yagi-Antenne bilden zusammen ein sogenanntes Wellenleitersystem und schwingen mit dem Erreger mit. Diese Schwingung geschieht aber nicht im gleichen Takt, sondern in Ausbreitungsrichtung jeweils leicht verzögert. Diese Verzögerung bewirkt eine Phasenverschiebung, die jedoch nicht nur durch die Laufzeit, sondern auch durch die Länge des Direktors bestimmt wird. Durch die Abweichung von der resonanten Länge ergeben sich für den Direktor kapazitive Eigenschaften, mit entsprechenden Phasenverschiebungen der Ströme. Ist der Dipol etwas kürzer als die halbe Wellenlänge des Strahlungsfeldes, so wird er unterhalb seiner Resonanzfrequenz betrieben, der Widerstand ist kapazitiv und der Strom um etwa λ/2 der Spannung voreilend. Umgekehrt wird der Strom der induzierten Spannung und damit der elektrischen Feldstärke um etwa λ/2 nacheilen, wenn der Dipol etwas länger als λ/2 ist.

Da der Direktor auch um etwa diese Verzögerung vom Strahler entfernt montiert ist, überlagert sich seine Schwingung mit der des Erregers in der gewünschten Richtung fast phasengleich. In der Gegenrichtung jedoch addiert sich die Phasendifferenz mit der Laufzeitdifferenz der zusätzlichen Entfernung vom Strahler, so dass sich die beiden Teilstrahlungen in dieser Richtung gegenseitig teilweise aufheben. Nur teilweise: weil selbst bei optimaler Abstimmung der Entfernung zur Phasendifferenz immer noch Verluste auftreten, so dass der Direktor nicht mit der gleichen Amplitude schwingen kann, wie der Erreger.

Bild 3: 3–Element-Antenne, Überlagerung der Einzelfelder von Reflektor, Strahler und Direktor (Momentaufnahme der Wanderwellen)

Überlagerung der Einzelfelder von Reflektor, Strahler und Direktor, 
© 2011 Christian Wolff www.radartutorial.eu

Bild 3: 3–Element-Antenne, Überlagerung der Einzelfelder von Reflektor, Strahler und Direktor

Der Antennengewinn nur durch diesen einen Direktor beträgt bis zu 3 dB, das heißt, in der gewünschten Richtung ist diese 2–Element-Antenne fast doppelt so empfindlich, wie ein einfacher Dipol! Ob ein Element als Reflektor oder als Direktor arbeitet, ist ausschließlich abhänging von der Reaktanz, hier also von seiner Länge. Der Reflektor mit seinem induktiven Verhalten schiebt die Phase der Schwingung in die andere Richtung als der Direktor mit seinem kapazitiven Verhalten. Insgesamt überlagern sich die Einzelschwingungen in der gewünschten Richtung konstruktiv und in der Gegenrichtung destruktiv.

Die Anordnung im Bild 3 lässt vermuten, dass eine Erweiterung um zusätzliche Elemente die Richtwirkung der Antenne noch erhöhen kann. Das ist tatsächlich der Fall. Das macht man sich bei langen Yagi-Antennen zu Nutze. Direktoren und Reflektoren werden mit einem gespeisten Dipol oder Faltdipol so kombiniert, dass in einer Richtung maximale Strahlung und in der anderen eine Unterdrückung der Abstrahlung auftritt. Die Verbesserung des Antennengewinns ist allerdings nicht linear. Zum Beispiel bei einer Antenne aus 3 Elementen beträgt der Antennengewinn etwa 5  bis 6 dB. Das Hinzufügen von einem zusätzlichen Direktor bringt noch einen Gewinn von etwa 2 dB. Ein weiteres Hinzufügen von Direktoren hat einen stetig verringerten Effekt.

Das Feld von Antennenelementen wird manchmal auch als Wellenleitersystem bezeichnet. Es verzögert die Phase des gesendeten Signals. Diese Phasenverzögerung bewirkt, dass sich die Schwingung von Direktor zu Direktor etwas langsamer als die Lichtgeschwindigkeit fortpflanzt: dieser Effekt wird „Phasengeschwindigkeit” genannt. Diese Phasengeschwindigkeit beträgt je nach Antenne etwa das 0,7 bis 0,9-fache der Lichtgeschwindigkeit. Weitere Dipole müssen also mit etwas geringerer Entfernung als die halbe Wellenlänge von ihrem Vorgänger entfernt montiert und müssen ihrerseits wieder etwas kürzer dimensioniert werden. Die Yagi-Antenne gehört wegen dieser phasenverschobenen Kopplung zur Klasse der Wanderfeldantennen.

Bild 4: 3D- Darstellung des Antennendiagramms einer Yagi-Antenne mit 8-Elementen und einem Faltdipol als Erreger, der mit 11 dBm gespeist wird.

Bild 4: 3D- Darstellung des Antennendiagramms einer Yagi-Antenne mit 8-Elementen und einem Faltdipol als Erreger, der mit 11 dBm gespeist wird.

P-18 in Greding 
(click to enlarge: 700·560px = 85 kByte)

Bild 5: Radargerät mit Yagiantennengruppe, (P-18 „Spoon Rest D”) Antennengewinn G = 69