www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основи на радиолокацията

Яги антенаv

директори
активен
вибратор
рефлектор

Изображение 1: Компоненти на антената Яги

директори
активный
вибратор
рефлектор

Изображение 1: Компоненти на антената Яги

Яги антена

Яги антените се отнасят за надлъжни излъчватели и използват елементи, възбудени чрез излъчване. Този тип антена е наречена на името на един от нейните изобретатели, японския професор Яги. Във френскоезичната литература се използва наименованието «антени Яги-Уда», а в рускоезичните източници такива антени се наричат антени тип «вълнови канал». Тази конструкция на антената е разработена специално за диапазона на радиовълните от високите честоти (ВЧ, КВ) до горната част на диапазона на много високите честоти (УКВ, СВЧ). Яги антените са много популярни поради простата си конструкция и сравнително високия коефициент на усилване. По правило те се класифицират като силно насочени антени. Освен в радиото, антените от този тип се използват и в радиолокацията.

Яги антените използват взаимодействието между елементи, които произвеждат вълни с постоянен ток, в резултат на което се получава движеща се вълна с ясно изразен модел на излъчване. Такава антена се състои от един или повече активни вибратори (диполи) и допълнителни пасивни елементи. Елементите на Яги антената обикновено са заварени към проводяща пръчка или тръба, наречена стрела. Точката на свързване съответства на центъра на елемента. Тази конструкция има за цел само да осигури механична здравина на антената и не влияе на нейните характеристики. Тъй като активният елемент се захранва централно, той не е заварен към опорния прът. Входното съпротивление на антената може да се увеличи, като за активен елемент се използва вибратор с примка.

Елементите, от които се състои антената Яги, са показани на фигура 1. Разстоянията между тях не са избрани да бъдат еднакви. Единственият елемент на антената, който се възбужда от предавателя, е активният вибратор. Всички останали елементи са пасивни, но играят важна роля при формирането на излъчването на антената. Излъчванията на елементите се сумират във фаза, когато се разпространяват в права посока, и в обратна фаза, когато се разпространяват в обратна посока. Широчината на честотната лента на антена Yagi се определя от дължината и диаметъра на елементите и разстоянието между тях. При повечето конструкции ширината на честотната лента обикновено е само няколко процента от честотата, за която е проектирана антената.

Яги антената, показана на фигура 1, има един рефлектор, един контурен вибратор като активен елемент и три директори. По принцип колкото повече пасивни елементи (директори и рефлектори) се използват, толкова по-голямо е усилването на антената. Увеличаването на броя на тези елементи води до намаляване на широчината на лъча на антената, но в същото време и до стесняване на нейната честотна лента. Затова правилната настройка на антената е от голямо значение. Коефициентът на усилване на антената не се увеличава правопропорционално на увеличаването на броя на използваните елементи. Например, антена Яги с три елемента има относително усилване на мощността от 5 до 6 dB. Добавянето на допълнителен директор води до увеличаване на този параметър с около 2 dB. Добавянето на следващи директори обаче има все по-малък ефект.

Принцип на работа

Изображение 2: Комплект от два елемента с резонансен дипол с дължина половин вълна като активен елемент и по-къс дипол като пасивен елемент.

The Function of a director as a parasitic radiator, 
© 2011 Christian Wolff www.radartutorial.eu

Изображение 2: Комплект от два елемента с резонансен дипол с дължина половин вълна като активен елемент и по-къс дипол като пасивен елемент.

Основният Яги елемент се състои от три съставни части. Дължината на всеки пасивен елемент се различава от половината от дължината на вълната, която е резонансната дължина на вълната за антената. Ако тя е по-дълга (обикновено с около 15 %), елементът има индуктивни свойства и работи като рефлектор. Ако е по-малък от половината от дължината на вълната (на стъпки от 5 %), елементът има капацитивни свойства и се определя като директор, тъй като предизвиква усилване на излъчването в посока от активния вибратор към директора. За да разберете принципа на действие, разгледайте резонансен дипол и добавете към него пасивен елемент, като го поставите на малко разстояние. Излъчването от дипола възбужда пасивния елемент, и то с фазова разлика, определена от разстоянието между тях. Капацитетният характер, дължащ се на по-малката дължина на пасивния елемент, води до допълнително забавяне на токовете и напреженията в този елемент и съответно на фазата на излъчваното от него поле. Тъй като фазовата разлика съответства на разстоянието между елементите, двете излъчвани полета (активен и пасивен елемент) са фазови в едната посока и антифазови в другата посока. Тъй като амплитудите на трептенията в елементите на антената не са равни, сумата на излъчваните от тях полета се увеличава в едната посока и намалява в другата посока.

РИзображение 3: Триелементна Яги антена, суперпозиция на трептенията, причинени от активния елемент, рефлектора и директора.

Трехэлементная антенна Яги, суперпозиция колебаний, вызванных активным элементом, рефлектором и директором, 
© 2011 Christian Wolff www.radartutorial.eu

Изображение 3: Триелементна Яги антена, суперпозиция на трептенията, причинени от активния елемент, рефлектора и директора.

Появата на един напречен лъч при използване на един активен вибратор и един пасивен елемент предполага, че може да се постигне още по-голямо усилване чрез използване на рефлектора и директора от противоположните страни на активния вибратор. Всъщност това е така. Триелементна Яги антена има коефициент на усилване до 6 dB. В рефлектора, който има дължина, по-голяма от половината от дължината на вълната, се индуцира ток, който от своя страна е източник на вълна, която заглушава вълната от активния вибратор. Директорите са малко по-къси, съпротивлението им е капацитивно по природа и те трябва да са разположени на разстояние малко по-малко от половината дължина на вълната, за да се гарантира, че вълните от активния вибратор и от директорите са във фаза. Коефициентът на усилване на антената Яги може да се увеличи чрез увеличаване на броя на елементите, но всеки нов допълнителен елемент ще допринася все по-малко. При умерен брой елементи усилването в права посока е пропорционално на този брой.

Масивът от Яги елементи може да се опише като структура с бавна вълна. Затова антените Яги се категоризират като антени с подвижни вълни. В такава структура се поддържа ненамаляваща вълна в права посока и токовете в директорите имат приблизително еднакви стойности, макар и с нарастващо фазово закъснение. Фазовата скорост на вълната в този случай е между 0,7 и 0,9 от скоростта на светлината.

Изображение 4: Триизмерно представяне на схемата на антената Яги с 8 елемента, включително контурния вибратор, захранван с мощност 11 дБм

Изображение 4: Триизмерно представяне на схемата на антената Яги с 8 елемента, включително контурния вибратор, захранван с мощност 11 дБм

P-18 in Greding 
(Кликнете за да увеличите снимката:  700·560 пиксел = 85 килобайт)

Изображение 5. Радар, използващ антенна решетка тип Яги (П-18 «Терек», по класификацията на НАТО «Spoon Rest D») с коефициент на усилване G = 18,4 dB