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Antenna Yagi

direttori
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вибратор
Riflettore

Figura 1: Componenti dell’antenna Yagi

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Figura 1: Componenti dell’antenna Yagi

Antenna Yagi

Le antenne Yagi si riferiscono a radiatori longitudinali e utilizzano elementi eccitati per radiazione. Questo tipo di antenna prende il nome da uno dei suoi inventori, il professore giapponese Yagi. Il termine "antenne Yagi-Uda" è spesso utilizzato, soprattutto nella letteratura in lingua francese. Shintaro Uda è il nome di uno dei colleghi del professor Hidetsugu Yagi. Questo progetto di antenna è stato sviluppato specificamente per la gamma di onde radio dalle alte frequenze (banda HF) alla parte superiore della gamma di frequenze molto alte (VHF e UHF). Le antenne Yagi sono molto popolari per la loro semplicità di progettazione e per il guadagno relativamente elevato. Di norma, sono classificate come antenne altamente direzionali. Oltre che per la radio, le antenne di questo tipo sono utilizzate anche per la radiolocalizzazione.

Le antenne Yagi sfruttano l’interazione tra elementi che producono onde di corrente stazionaria, dando luogo a un’onda itinerante con un modello di radiazione pronunciato. Un’antenna di questo tipo è costituita da uno o più vibratori attivi (dipoli) e da elementi passivi aggiuntivi. Gli elementi di un’antenna Yagi sono solitamente saldati a un’asta o a un tubo conduttivo chiamato boom. Il punto di connessione corrisponde al centro dell’elemento. Questa costruzione ha il solo scopo di fornire resistenza meccanica all’antenna e non influisce sulle sue prestazioni. Poiché l’elemento attivo è alimentato centralmente, non è saldato alla barra di supporto. L’impedenza d’ingresso dell’antenna può essere aumentata utilizzando un vibratore ad anello come elemento attivo.

Gli elementi che compongono l’antenna Yagi sono illustrati nella Figura 1. Le distanze tra gli elementi non sono state scelte in base al tipo di antenna. Le distanze tra gli elementi non sono state scelte uguali. L’unico elemento dell’antenna che viene eccitato dal trasmettitore è il vibratore attivo. Tutti gli altri elementi sono passivi, ma svolgono un ruolo importante nel modellare la radiazione dell’antenna. Le radiazioni degli elementi si sommano in fase quando si propagano nella direzione di avanzamento e in controfase quando si propagano nella direzione opposta. La larghezza di banda di un’antenna Yagi è determinata dalla lunghezza e dal diametro degli elementi e dalla loro distanza. Per la maggior parte dei progetti, la larghezza di banda è di solito solo qualche centesimo della frequenza per cui l’antenna è stata progettata.

L’antenna Yagi mostrata nella Figura 1 ha un riflettore, un vibratore a loop come elemento attivo e tre direttori. In generale, maggiore è il numero di elementi passivi (direttori e riflettori) utilizzati, maggiore è il guadagno dell’antenna. L’aumento del numero di questi elementi porta a una riduzione dell’ampiezza del fascio dell’antenna, ma, allo stesso tempo, a un restringimento della sua larghezza di banda. Pertanto, la corretta sintonizzazione dell’antenna è di grande importanza. Il guadagno di un’antenna non aumenta in modo direttamente proporzionale all’aumento del numero di elementi utilizzati. Ad esempio, un’antenna Yagi a tre elementi ha un guadagno di potenza relativo di 5-6 dB. L’aggiunta di un ulteriore direttore comporta un aumento di questo parametro di circa 2 dB. Tuttavia, l’aggiunta di direttori successivi ha un effetto sempre minore.

Principio di funzionamento

Figura 2: Un array a due elementi con un dipolo risonante a mezza lunghezza d’onda come elemento attivo e un dipolo più corto come elemento passivo.

La funzione di una direttrice come radiatore parassita, , 
© 2011 Christian Wolff www.radartutorial.eu

Figura 2: Un array a due elementi con un dipolo risonante a mezza lunghezza d’onda come elemento attivo e un dipolo più corto come elemento passivo.

L’elemento Yagi di base ha tre parti costitutive. La lunghezza di ciascun elemento passivo differisce dalla metà della lunghezza d’onda che è la lunghezza d’onda di risonanza dell’antenna. Se è più lungo (di solito circa il 15%), l’elemento ha proprietà induttive e funziona come riflettore. Se è inferiore alla metà della lunghezza d’onda (con incrementi del 5%), l’elemento ha proprietà capacitive ed è definito direttore perché provoca l’amplificazione della radiazione nella direzione dal vibratore attivo al direttore. Per comprendere il principio di funzionamento, si consideri un dipolo risonante a cui si aggiunge un elemento passivo posizionandolo a una piccola distanza. La radiazione del dipolo eccita l’elemento passivo, con una differenza di fase determinata dalla distanza tra i due. La natura capacitiva dovuta alla minore lunghezza dell’elemento passivo determina un ulteriore ritardo delle correnti e delle tensioni in questo elemento e, di conseguenza, nella fase del campo irradiato da esso. Poiché la differenza di fase corrisponde alla distanza tra gli elementi, i due campi irradiati (elementi attivi e passivi) sono in fase in una direzione e antifase nell’altra. Poiché le ampiezze delle oscillazioni negli elementi dell’antenna non sono uguali, la somma dei loro campi irradiati aumenta in una direzione e diminuisce nell’altra.

Figura 3: Antenna Yagi a tre elementi, sovrapposizione delle oscillazioni causate dall’elemento attivo, dal riflettore e dal direttore.

Antenna Yagi a tre elementi, sovrapposizione delle oscillazioni causate dall’elemento attivo, dal riflettore e dal direttore., 
© 2011 Christian Wolff www.radartutorial.eu

Figura 3: Antenna Yagi a tre elementi, sovrapposizione delle oscillazioni causate dall’elemento attivo, dal riflettore e dal direttore.

La comparsa di un singolo fascio trasversale utilizzando un vibratore attivo e un elemento passivo suggerisce che si può ottenere un guadagno ancora maggiore utilizzando il riflettore e il direttore sui lati opposti del vibratore attivo. In effetti è così. Un’antenna Yagi a tre elementi ha un guadagno di 6 dB. Nel riflettore, che ha una lunghezza superiore alla metà della lunghezza d’onda, viene indotta una corrente, che a sua volta è la sorgente dell’onda che smorza l’onda del vibratore attivo. I direttori sono un po’ più corti, la loro resistenza è di natura capacitiva e devono essere distanziati un po’ meno di mezza lunghezza d’onda per garantire che le onde provenienti dal vibratore attivo e dai direttori siano in fase. Il guadagno di un’antenna Yagi può essere aumentato aumentando il numero di elementi, ma ogni nuovo elemento aggiuntivo contribuirà sempre meno. Per un numero moderato di elementi, il guadagno in avanti è proporzionale a tale numero.

Un array di elementi Yagi può essere descritto come una struttura a onde lente. Pertanto, le antenne Yagi sono classificate come antenne a onda mobile. In una struttura di questo tipo, viene mantenuta un’onda non decrescente nella direzione di avanzamento e le correnti nei direttori hanno valori approssimativamente singoli, anche se con ritardo di fase crescente. La velocità di fase dell’onda in questo caso è compresa tra 0,7 e 0,9 della velocità della luce.

Figura 4: Rappresentazione tridimensionale dello schema dell’antenna Yagi a 8 elementi, compreso un vibratore a loop alimentato con 11 dBm di potenza.

Figura 4: Rappresentazione tridimensionale dello schema dell’antenna Yagi a 8 elementi, compreso un vibratore a loop alimentato con 11 dBm di potenza.

P-18 in Greding 
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Figura 5. Radar che utilizza un array di antenne Yagi (P-18 „Spoon Rest D“) con un guadagno di G = 18,4 dB