www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Основи радіолокації

Антена Ягі (хвильовий канал)

директоры
активний
вібратор
рефлектор

Рисунок 1. Складові елементи антени Ягі

директоры
активний
вібратор
рефлектор

Рисунок 1. Складові елементи антени Ягі

Антена Ягі (хвильовий канал)

Антени Ягі відносяться до поздовжніх випромінювачів і мають у своєму складі елементи, які збуджуються випроміненням. Цей тип антен отримав свою назву за ім’ям одного з його винахідників, японського професора Ягі. Іноді використовується найменування «антени Ягі-Уда», а в україномовних джерелах такі антени іноді називають антенами типу «хвильовий канал». Ця конструкція антен була спеціально розроблена для діапазону радіохвиль від високих частот (ВЧ, HF) до верхньої частини діапазону дуже високих частот (ДВЧ, UHF). Антени Ягі дуже популярні з причини простоти конструкції та відносно високого коефіцієнту підсилювання. Як правило, їх відносять до високонаправлених антен. Окрім радіо, антени цього типу застосовуються й у радіолокації.

В антенах Ягі використовується взаємодія між елементами, в яких виникають стоячі хвилі струму, в результате чого виникає біжуча хвиля з вираженою діаграмою направленості. Така антена складається з одного або кількох активних вібраторів (диполів) і додаткових пасивних елементів. Елементи антени Ягі зазвичай приварюються до провідного стрижня або трубки, що називають стрілою. Точка з’єднання відповідає середині елементу. Така конструкція має на меті лише забезпечення механічної міцності антени і не впливає на її робочі характеристики. Оскільки активний елемент має центральне живлення, він не приварюється до опорного стрижня. Вхідний імпеданс антени може бути збільшений шляхом використання петльового вібратора у якості активного елементу.

Елементи, з яких складається антенна Ягі, показані на Рисунку 1. Відстані між ними вибираються не однаковими. Єдиний елемент антени, який збуджується від передавача, це активний вібратор. Всі решта елементів є пасивними, однак відіграють важливу роль у формуванні випромінення антени. Випромінення елементів складається у фазі при розповсюдженні у прямому напрямку, і у протифазі — у протилежному. Ширина смуги частот антени Ягі визначається довжиною та діаметром елементів, а також відстаню між ними. Для більшості конструкцій ширина смуги зазвичай складає лише декілька процентів від частоти, на яку проектувалась антена.

Антена Ягі, зображена на Рисунку 1, має один рефлектор, один петльовий вібратор у якості активного елемента й три директори. Загалом, чим більше використовується пасивних елементів (директорів та рефлекторів), тим вище коефіцієнт підсилювання антени. Збільшення кількості цих елементів призводить до зменшення ширини променю антени, але, разом з цим, й до звуження її смуги частот. Тому правильне налаштування антени має велике значення. Коефіцієнт підсилювання антени не збільшується прямо пропорційно збільшенню кількості використовуваних елементів. Наприклад, трьохелементна антена Ягі має відносне підсилення з потужності від 5 до 6 дБ. Додавання додаткового директора призводить до збільшення значення цього параметра приблизно на 2 дБ. Однак додавання подальших директорів має все менший й менший ефект.

Принцип дії

Рисунок 2. Двохелементна решітка з напівхвильового резонансного диполя у якості активного елемента й коротшого диполя у якості пасивного елемента

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

Рисунок 2. Двохелементна решітка з напівхвильового резонансного диполя у якості активного елемента й коротшого диполя у якості пасивного елемента

Основний елемент Ягі має три складові частини. Довжина кожного пасивного елемента відрізняється від половини довжини хвилі, яка є резонансною для антени. Якщо вона більше (зазвичай на величину близько 15 процентів), то такий елемент має індуктивні властивості і працює як рефлектор. Якщо ж довжина елемента менше половини довжини хвилі (з кроком 5 процентів), то елемент має ємнісні властивості і визначається як директор, оскільки він спричиняє підсилювання випромінення у напрямку від активного вібратора до директора. Для розуміння принципу дії розглянемо резонансний диполь і додамо до нього пасивний елемент, розмістивши його на невеликій відстані. Випромінення диполя спричиняє збудження пасивного елементу, причому з різницею фаз, що визначається відстаню між ними. Ємнісний характер через меншу довжину пасивного елемента призводить до додаткової затримки струмів і напруги в цьому елементі і, відповідно, у фазі випромінюваного ним поля. Оскільки різниця фаз відповідає відстані між елементами, то обидва випромінюваних поля (активного і пасивного елементів) синфазні в одному напрямку і протифазні в іншому напрямку. Оскільки амплітуди коливань в елементах антени не є однаковими, сума випромінюваних ними полів збільшується в одному напрямку і зменшується в іншому.

Рисунок 3. Трьохелементна антена Ягі, суперпозиція коливань, спричинених активним елементом, рефлектором і директором

Трьохелементна антена Ягі, суперпозиція коливань, спричинених активним елементом, рефлектором і директором, 
© 2011 Christian Wolff www.radartutorial.eu

Рисунок 3. Трьохелементна антена Ягі, суперпозиція коливань, спричинених активним елементом, рефлектором і директором

Виникнення одного поперечного променю при використанні одного активного вібратора і одного пасивного елемента дає змогу припустити, що ще більше підсилення може бути досягнуто використанням рефлектора і директора по різні сторони від активного вібратора. В дійсності так і є. Трьохелементна антена Ягі має коефіцієнт підсилювання, що досягає 6 дБ. В рефлекторі, що має довжину більше половини довжини хвилі, індукується струм, який, в свою чергу, є джерелом хвилі, яка гасить хвилю від активного вібратора. Директори дещо коротші, їх опір носить ємнісний характер, і вони мають бути розташовані на відстані, дещо меншій половини довжини хвилі, для забезпечення синфазності хвиль від активного вібратора й від директорів. Коефіцієнт підсилювання антени Ягі може бути збільшено шляхом збільшення кількості елементів, однак кожен новий додатковий елемент буде вносити все менший й менший внесок. Для помірної кількості елементів підсилювання в прямому напрямку пропорційно цій кількості.

Масив елементів Ягі можливо описати як структуру з повільною хвилею. Тому антени Ягі відносяться до категорії антен біжучої хвилі. У такій структурі підтримується неубуваюча хвиля в прямому напрямку, а струми в директорах мають приблизно однакові значення, хоч і з фазовою затримкою, що збільшується. Фазова швидкість хвилі в цьому випадку складає від 0,7 до 0,9 від швидкості світла.

Рисунок 4. Тривимірне представлення діаграми направленості антени Ягі, яка має 8 елементів, включно з петльовим вібратором, що живиться потужністю 11 дБм

Рисунок 4. Тривимірне представлення діаграми направленості антени Ягі, яка має 8 елементів, включно з петльовим вібратором, що живиться потужністю 11 дБм

P-18 in Greding 
(Натисніть для збільшення:  700·560 пiксель = 85 кілобайт)

Рисунок 5. Радіолокатор, в якому використовується решітка антен Ягі П-18 «Терек», за класифікацією НАТО «Spoon Rest D») з коефіцієнтом підсилювання G = 18,4 дБ