Anteny radarowe

Antena Yagi

Anteny Yagi odnoszą się do promienników wzdłużnych i wykorzystują elementy wzbudzane przez promieniowanie. Nazwa tego typu anteny pochodzi od jednego z jej wynalazców, japońskiego profesora Yagi. Termin „anteny Yagi-Uda“ jest często używany, zwłaszcza w literaturze francuskojęzycznej. Uda to nazwisko jednego z kolegów profesora Yagi. Ta konstrukcja anteny została opracowana specjalnie dla zakresu fal radiowych od wysokich częstotliwości (HF) do górnej części zakresu bardzo wysokich częstotliwości (VHF, UHF). Anteny Yagi są bardzo popularne ze względu na ich prostą konstrukcję i stosunkowo wysoki zysk. Z reguły są one klasyfikowane jako anteny wysoce kierunkowe. Oprócz radia, anteny tego typu są również wykorzystywane w radiolokacji.

Anteny Yagi wykorzystują interakcję między elementami, które wytwarzają fale prądu stojącego, co skutkuje falą ruchomą o wyraźnym wzorze promieniowania. Taka antena składa się z jednego lub więcej aktywnych wibratorów (dipoli) i dodatkowych elementów pasywnych. Elementy anteny Yagi są zwykle przyspawane do przewodzącego pręta lub rury zwanej wysięgnikiem. Punkt połączenia odpowiada środkowi elementu. Konstrukcja ta ma na celu jedynie zapewnienie wytrzymałości mechanicznej anteny i nie wpływa na jej działanie. Ponieważ element aktywny jest zasilany centralnie, nie jest on przyspawany do pręta nośnego. Impedancja wejściowa anteny może zostać zwiększona poprzez zastosowanie wibratora pętlowego jako elementu aktywnego.

Elementy tworzące antenę Yagi pokazano na rysunku 1. Odległości między nimi nie są takie same. Jedynym elementem anteny wzbudzanym przez nadajnik jest aktywny wibrator. Wszystkie pozostałe elementy są pasywne, ale odgrywają ważną rolę w kształtowaniu promieniowania anteny. Promieniowanie elementów sumuje się w fazie podczas propagacji w kierunku do przodu i w przeciwfazie podczas propagacji w kierunku przeciwnym. Szerokość pasma anteny Yagi zależy od długości i średnicy elementów oraz odstępów między nimi. W przypadku większości konstrukcji szerokość pasma wynosi zwykle tylko kilka procent częstotliwości, dla której antena została zaprojektowana.

Antena Yagi pokazana na rysunku 1 ma jeden reflektor, jeden wibrator pętlowy jako element aktywny i trzy direktory. Ogólnie rzecz biorąc, im więcej elementów pasywnych (direktorów i reflektorów), tym większy zysk anteny. Zwiększenie liczby tych elementów prowadzi do zmniejszenia szerokości wiązki anteny, ale jednocześnie do zawężenia jej pasma przenoszenia. Dlatego prawidłowe dostrojenie anteny ma ogromne znaczenie. Zysk anteny nie wzrasta wprost proporcjonalnie do wzrostu liczby użytych elementów. Na przykład, trzyelementowa antena Yagi ma względny zysk mocy od 5 do 6 dB. Dodanie dodatkowego direktora powoduje wzrost tego parametru o około 2 dB. Jednak dodawanie kolejnych direktorów ma coraz mniejszy wpływ.

Zasada działania

Rysunek 2: Dwuelementowa matryca z dipolem rezonansowym o połowie długości fali jako elementem aktywnym i krótszym dipolem jako elementem pasywnym.

Rysunek 2: Dwuelementowa matryca z dipolem rezonansowym o połowie długości fali jako elementem aktywnym i krótszym dipolem jako elementem pasywnym.

Podstawowy element Yagi składa się z trzech części. Długość każdego elementu pasywnego różni się od połowy długości fali, która jest długością fali rezonansowej anteny. Jeśli jest dłuższa (zwykle o około 15 procent), element ma właściwości indukcyjne i działa jako reflektor. Jeśli jest mniejsza niż połowa długości fali (w krokach co 5 procent), element ma właściwości pojemnościowe i jest definiowany jako direktor, ponieważ powoduje wzmocnienie promieniowania w kierunku od aktywnego wibratora do direktora. Aby zrozumieć zasadę działania, rozważ dipol rezonansowy i dodaj do niego element pasywny, umieszczając go w niewielkiej odległości. Promieniowanie z dipola wzbudza element pasywny z różnicą faz określoną przez odległość między nimi. Charakter pojemnościowy wynikający z mniejszej długości elementu pasywnego powoduje dodatkowe opóźnienie prądów i napięć w tym elemencie, a w konsekwencji w fazie promieniowanego przez niego pola. Ponieważ różnica faz odpowiada odległości między elementami, dwa wypromieniowywane pola (elementy aktywne i pasywne) są w fazie w jednym kierunku i w przeciwfazie w drugim kierunku. Ponieważ amplitudy drgań w elementach anteny nie są równe, suma ich pól promieniowanych wzrasta w jednym kierunku i maleje w drugim kierunku.

Rysunek 3: Trzyelementowa antena Yagi, superpozycja oscylacji wywołanych przez element aktywny, reflektor i direktor.

Rysunek 3: Trzyelementowa antena Yagi, superpozycja oscylacji wywołanych przez element aktywny, reflektor i direktor.

Pojawienie się pojedynczej wiązki poprzecznej przy użyciu jednego wibratora aktywnego i jednego elementu pasywnego sugeruje, że jeszcze większy zysk można osiągnąć, stosując reflektor i direktor po przeciwnych stronach wibratora aktywnego. Tak jest w rzeczywistości. Trzyelementowa antena Yagi ma zysk aż 6 dB. Prąd jest indukowany w reflektorze, który ma długość większą niż połowa długości fali, co z kolei jest źródłem fali, która tłumi falę z aktywnego wibratora. Kierownice są nieco krótsze, ich rezystancja ma charakter pojemnościowy i muszą być rozmieszczone w odległości nieco mniejszej niż połowa długości fali, aby zapewnić, że fale z aktywnego wibratora i kierownice są w fazie. Zysk anteny Yagi można zwiększyć poprzez zwiększenie liczby elementów, ale każdy nowy dodatkowy element będzie wnosił coraz mniejszy wkład. Dla umiarkowanej liczby elementów, zysk jest proporcjonalny do tej liczby.

Układ elementów Yagi można opisać jako strukturę wolnofalową. Dlatego anteny Yagi są klasyfikowane jako anteny o fali bieżącej. W takiej strukturze utrzymywana jest niezmniejszająca się fala w kierunku do przodu, a prądy w direktorach mają w przybliżeniu pojedyncze wartości, choć z rosnącym opóźnieniem fazowym. Prędkość fazowa fali w tym przypadku wynosi od 0,7 do 0,9 prędkości światła.

Rysunek 4: Trójwymiarowa reprezentacja wzoru anteny Yagi z 8 elementami, w tym wibratorem pętlowym zasilanym mocą 11 dBm

Rysunek 4: Trójwymiarowa reprezentacja wzoru anteny Yagi z 8 elementami, w tym wibratorem pętlowym zasilanym mocą 11 dBm.

Rysunek 5. Radar wykorzystujący antenę Yagi (P-18 „Spoon Rest D“) o zysku G = 18,4 dB