Noções básicas de radar

Antena Yagi

As antenas Yagi referem-se a radiadores longitudinais e usam elementos excitados por radiação. Esse tipo de antena recebeu o nome de um de seus inventores, o professor japonês Hidetsugu Yagi. O termo „antenas Yagi-Uda“ é usado com frequência, especialmente na literatura em francês. Shintaro Uda é o nome de um dos colegas do professor Yagi. Esse projeto de antena foi desenvolvido especialmente para a faixa de ondas de rádio de altas frequências (bande HF) até a parte superior da faixa de frequências muito altas (bande VHF e UHF). As antenas Yagi são muito populares devido ao seu design simples e ganho relativamente alto. Em geral, elas são classificadas como antenas altamente direcionais. Além do rádio, as antenas desse tipo também são usadas em radiolocalização.

As antenas Yagi utilizam a interação entre elementos que produzem ondas de corrente estacionária, resultando em uma onda viajante com um padrão de radiação pronunciado. Essa antena consiste em um ou mais elementos ativos (dipolos) e elementos passivos adicionais. Os elementos de uma antena Yagi geralmente são soldados a uma haste ou tubo condutor chamado de boom. O ponto de conexão corresponde ao centro do elemento. Essa construção destina-se apenas a fornecer resistência mecânica à antena e não afeta seu desempenho. Como o elemento ativo é alimentado centralmente, ele não é soldado à haste de suporte. A impedância de entrada da antena pode ser aumentada com o uso de um vibrador de loop como elemento ativo.

Os elementos que compõem a antena Yagi são mostrados na Figura 1. As distâncias entre eles não foram escolhidas para serem as mesmas. O único elemento da antena que é excitado pelo transmissor é o vibrador ativo. Todos os outros elementos são passivos, mas desempenham um papel importante na formação da radiação da antena. A radiação dos elementos se soma em fase quando se propaga na direção direta e em contrafase quando se propaga na direção oposta. A largura de banda de uma antena Yagi é determinada pelo comprimento e pelo diâmetro dos elementos e pelo espaçamento entre eles. Na maioria dos projetos, a largura de banda geralmente é de apenas alguns por cento da frequência para a qual a antena foi projetada.

A antena Yagi mostrada na Figura 1 tem um refletor, um vibrador de loop como elemento ativo e três diretores. Em geral, quanto mais elementos passivos (diretores e refletores) forem usados, maior será o ganho da antena. O aumento do número desses elementos leva a uma redução na largura do feixe da antena, mas, ao mesmo tempo, a um estreitamento de sua largura de banda. Portanto, o ajuste adequado da antena é de grande importância. O ganho de uma antena não aumenta em proporção direta com o aumento do número de elementos usados. Por exemplo, uma antena Yagi de três elementos tem um ganho de potência relativo de 5 a 6 dB. O acréscimo de um diretor adicional resulta em um aumento nesse parâmetro de cerca de 2 dB. Entretanto, a adição de diretores subsequentes tem um efeito cada vez menor.

Princípio de operação

Figura 2: Uma matriz de dois elementos com um dipolo ressonante de meio comprimento de onda como elemento ativo e um dipolo mais curto como elemento passivo.

Figura 2: Uma matriz de dois elementos com um dipolo ressonante de meio comprimento de onda como elemento ativo e um dipolo mais curto como elemento passivo.

O elemento Yagi básico tem três partes constituintes. O comprimento de cada elemento passivo difere da metade do comprimento de onda que é o comprimento de onda ressonante da antena. Se for maior (geralmente em cerca de 15%), o elemento tem propriedades indutivas e funciona como um refletor. Se for menor que a metade do comprimento de onda (em incrementos de 5%), o elemento tem propriedades capacitivas e é definido como um diretor, pois causa amplificação da radiação na direção do vibrador ativo para o diretor. Para entender o princípio de operação, considere um dipolo ressonante e adicione um elemento passivo a ele, colocando-o a uma pequena distância. A radiação do dipolo excita o elemento passivo, com uma diferença de fase determinada pela distância entre eles. A natureza capacitiva devido ao menor comprimento do elemento passivo resulta em um atraso adicional de correntes e tensões nesse elemento e, consequentemente, na fase do campo irradiado por ele. Como a diferença de fase corresponde à distância entre os elementos, os dois campos irradiados (elementos ativo e passivo) estão em fase em uma direção e em antifase na outra direção. Como as amplitudes das oscilações nos elementos da antena não são iguais, a soma de seus campos irradiados aumenta em uma direção e diminui na outra.

Figura 3: Antena Yagi de três elementos, sobreposição das oscilações causadas pelo elemento ativo, pelo refletor e pelo diretor.

Figura 3: Antena Yagi de três elementos, sobreposição das oscilações causadas pelo elemento ativo, pelo refletor e pelo diretor.

A aparência de um único feixe transversal usando um vibrador ativo e um elemento passivo sugere que um ganho ainda maior pode ser obtido usando o refletor e o diretor em lados opostos do vibrador ativo. De fato, é isso que acontece. Uma antena Yagi de três elementos tem um ganho de até 6 dB. Uma corrente é induzida no refletor, que tem um comprimento maior que a metade do comprimento de onda, que, por sua vez, é a fonte da onda que amortece a onda do vibrador ativo. Os diretores são um pouco mais curtos, sua resistência é de natureza capacitiva e devem ter um espaçamento um pouco menor que a metade do comprimento de onda para garantir que as ondas do vibrador ativo e dos diretores estejam em fase. O ganho de uma antena Yagi pode ser aumentado com o aumento do número de elementos, mas cada novo elemento adicional contribuirá cada vez menos. Para um número moderado de elementos, o ganho avançado é proporcional a esse número.

Uma matriz de elementos Yagi pode ser descrita como uma estrutura de onda lenta. Portanto, as antenas Yagi são classificadas como antenas de onda progressiva. Em uma estrutura desse tipo, uma onda não decrescente na direção de avanço é mantida e as correntes nos diretores têm valores aproximadamente únicos, embora com atraso de fase crescente. A velocidade de fase da onda, nesse caso, está entre 0,7 e 0,9 da velocidade da luz.

Figura 4: Representação tridimensional do padrão da antena Yagi com 8 elementos, incluindo um vibrador de loop alimentado com 11 dBm de potência

Figura 4: Representação tridimensional do padrão da antena Yagi com 8 elementos, incluindo um vibrador de loop alimentado com 11 dBm de potência

Figura 5. Radar usando um conjunto de antenas Yagi (P-18 „Spoon Rest D“) com um ganho de G = 18,4 dB