www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Radarové antény

Anténa Yagi

direktory
napájecí
prvek
reflektor

Obrázek 1: Součásti Yagiho antény

direktory
napájecí
prvek
reflektor

Obrázek 1: Součásti Yagiho antény

Anténa Yagi

Antény Yagi se vztahují k podélným zářičům a používají prvky buzené vyzařováním. Tento typ antény je pojmenován po jednom z jejích vynálezců, japonském profesoru Yagim. Termín „antény Yagi-Uda“ je často používán, zejména ve francouzsky psané literatuře. Uda je jméno jednoho z kolegů profesora Yagiho. Tato konstrukce antény byla speciálně vyvinuta pro rozsah rádiových vln od vysokých frekvencí (VF, HF) až po horní část rozsahu velmi vysokých frekvencí (VHF, UHF). Antény Yagi jsou velmi oblíbené díky své jednoduché konstrukci a relativně vysokému zisku. Zpravidla se řadí mezi vysoce směrové antény. Kromě rádia se antény tohoto typu používají také v radiolokaci.

Yagiho antény využívají interakce mezi prvky, které vytvářejí vlny stojatého proudu, a výsledkem je putující vlna s výrazným vyzařovacím diagramem. Taková anténa se skládá z jednoho nebo více aktivních vibrátorů (dipólů<) a dalších pasivních prvků. Prvky Yagiho antény jsou obvykle přivařeny k vodivé tyči nebo trubce zvané výložník. Bod připojení odpovídá středu prvku. Tato konstrukce slouží pouze k zajištění mechanické pevnosti antény a nemá vliv na její výkon. Vzhledem k tomu, že aktivní prvek je napájen centrálně, není k nosné tyči přivařen. Vstupní impedanci antény lze zvýšit použitím smyčkového vibrátoru jako aktivního prvku.

Prvky, které tvoří Yagiho anténu, jsou znázorněny na obrázku 1. Vzdálenosti mezi nimi nejsou zvoleny tak, aby byly stejné. Jediným prvkem antény, který je buzen vysílačem, je napájeného prvku. Všechny ostatní prvky jsou pasivní, ale hrají důležitou roli při formování vyzařování antény. Vyzařování prvků se sčítá ve fázi při šíření v přímém směru a v protifázi při šíření v opačném směru. Šířka pásma Yagiho antény je určena délkou a průměrem prvků a vzdáleností mezi nimi. U většiny konstrukcí je šířka pásma obvykle jen několik procent frekvence, pro kterou byla anténa navržena.

Yagiho anténa na obrázku 1 má jeden reflektor, jeden smyčkový vibrátor jako aktivní prvek a tři směrovky. Obecně platí, že čím více pasivních prvků (direktorů a reflektorů) je použito, tím větší je zisk antény. Zvyšování počtu těchto prvků vede ke zmenšování šířky paprsku antény, ale zároveň ke zužování její šířky pásma. Proto je velmi důležité správné naladění antény. Zisk antény se nezvyšuje přímo úměrně s růstem počtu použitých prvků. Například tříprvková Yagiho anténa má relativní výkonový zisk 5 až 6 dB. Přidáním dalšího směrového prvku se tento parametr zvýší přibližně o 2 dB. Přidávání dalších direktorů má však stále menší účinek.

Princip činnosti

Obrázek 2: Dvouprvkové pole s rezonančním dipólem o poloviční vlnové délce jako aktivním prvkem a kratším dipólem jako pasivním prvkem.

Funkce direktoru jako parazitního zářiče, 
© 2011 Christian Wolff www.radartutorial.eu

Obrázek 2: Dvouprvkové pole s rezonančním dipólem o poloviční vlnové délce jako aktivním prvkem a kratším dipólem jako pasivním prvkem.

Základní Yagiho prvek se skládá ze tří částí. Délka každého pasivního prvku se liší od poloviny vlnové délky, která je rezonanční vlnovou délkou antény. Pokud je delší (obvykle asi o 15 %), má prvek indukční vlastnosti a funguje jako reflektor. Je-li kratší než polovina vlnové délky (s krokem 5 %), má prvek kapacitní vlastnosti a je definován jako direktor, protože způsobuje zesílení vyzařování ve směru od aktivního vibrátoru k direktoru. Pro pochopení principu fungování uvažujte rezonanční dipól a přidejte k němu pasivní prvek tak, že jej umístíte do malé vzdálenosti. Záření z dipólu budí pasivní prvek, a to s fázovým rozdílem určeným vzdáleností mezi nimi. Kapacitní povaha způsobená kratší délkou pasivního prvku má za následek dodatečné zpoždění proudů a napětí v tomto prvku a v důsledku toho i fázi jím vyzařovaného pole. Protože fázový rozdíl odpovídá vzdálenosti mezi prvky, jsou obě vyzařovaná pole (aktivní a pasivní prvky) v jednom směru fázová a v druhém směru protifázová. Protože amplitudy kmitů v anténních prvcích nejsou stejné, součet jejich vyzařovaných polí se v jednom směru zvětšuje a v druhém směru zmenšuje.

Obrázek 3: Tříprvková Yagiho anténa, superpozice kmitů způsobených aktivním prvkem, reflektorem a směrovkou.

Tříprvková Yagiho anténa, superpozice kmitů způsobených aktivním prvkem, reflektorem a direktorem, , 
© 2011 Christian Wolff www.radartutorial.eu

Obrázek 3: Tříprvková Yagiho anténa, superpozice kmitů způsobených aktivním prvkem, reflektorem a směrovkou.

Vzhled jednoho příčného paprsku při použití jednoho aktivního vibrátoru a jednoho pasivního prvku naznačuje, že ještě většího zisku lze dosáhnout použitím reflektoru a direktoru na opačných stranách aktivního vibrátoru. Tak tomu skutečně je. Tříprvková Yagiho anténa má zisk až 6 dB. V reflektoru, který má délku větší než polovina vlnové délky, se indukuje proud, který je zase zdrojem vlnění tlumícího vlnu z aktivního vibrátoru. Direktory jsou o něco kratší, jejich odpor je kapacitní povahy a musí být od sebe vzdáleny o něco méně než polovinu vlnové délky, aby bylo zajištěno, že vlny z aktivního vibrátoru a z direktorů jsou ve fázi. Zisk Yagiho antény lze zvýšit zvýšením počtu prvků, ale každý další prvek přispívá stále méně a méně. Pro střední počet prvků je dopředný zisk úměrný tomuto počtu.

Soustavu Yagiho prvků lze popsat jako pomalou vlnovou strukturu. Proto se Yagiho antény řadí do kategorie antén s pohyblivou vlnou. V takové struktuře se udržuje neklesající vlna v přímém směru a proudy v direktoru mají přibližně stejné hodnoty, i když s rostoucím fázovým zpožděním. Fázová rychlost vlny se v tomto případě pohybuje mezi 0,7 a 0,9 rychlosti světla.

Obrázek 4: Trojrozměrné znázornění anténního obrazce Yagiho antény s 8 prvky včetně smyčkového vibrátoru napájeného výkonem 11 dBm

Obrázek 4: Trojrozměrné znázornění anténního obrazce Yagiho antény s 8 prvky včetně smyčkového vibrátoru napájeného výkonem 11 dBm

P-18 in Greding 
(klikni pro zvětšení:  700·560px = 85 kByte)

Obrázek 5. Radar využívající soustavu Yagiho antén (P-18 „Spoon Rest D“) se ziskem G = 18,4 dB