Antena Yagi-Uda w teorii oraz w praktyce - antena pod zamówienie!

Trochę teorii
Antena Yagi-Uda, zwana również anteną Yagi jest jednym z najpopularniejszych typów anten. Cechuje się ona stosukowo prostą konstrukcją oraz wysokim zyskiem, który zazwyczaj przekracza 10 dBi. Anteny takie stosuje się w systemach pracujących w zakresach częstotliwości od HF do UHF, tj. od ok. 3 MHz do ok. 3 GHz, chociaż pasmo pracy anteny Yagi jest zazwyczaj niewielkie.
Antena Yagi została opracowana przez Shintaro Uda w 1926 roku w Japonii. Wyniki prac opublikowane zostały w języku japońskim. Projekt w języku angielskim pierwszy raz został przedstawiony przez prof. Yagi, który udał się do Stanów Zjednoczonych przyczyniając się znacząco do rozpowszechnienia opracowanej anteny.
Geometria anteny Yagi-Uda
Podstawową geometrię anteny Yagi przedstawia rysunek poniżej. Składa się ona z pojedynczego elementu aktywnego, zwanego wibratorem (W), który realizowany jest jako dipol prosty lub pętlowy. Jest to jedyny zasilany element anteny. Pozostałe elementy to elementy bierne, które umożliwiają zwiększenie kierunkowości anteny. Wibrator stanowi zwykle przedostatni element anteny, którego wymiary dobiera się tak, by w obecności pozostałych elementów zapewnić rezonans na żądanej częstotliwości pracy (wymagana długość dipola prostego waha się w granicach 0,45 – 0,48 długości fali).
Geometria anteny Yagi-Uda.
Element umieszczony za wibratorem (rysunek powyżej) to reflektor (R). Jego długość jest nieco większa od wibratora. Zazwyczaj stosuje się jeden reflektor, gdyż zwiększanie ich ilości nie poprawia znacząco parametrów anteny. Obecność reflektora obniża względny poziom listka wstecznego charakterystyki promieniowania anteny, a więc redukuje ilość mocy wypromieniowanej w kierunku przeciwnym do zamierzonego przy jednoczesnym zwiększeniu zysku anteny. Zwiększona długość reflektora w stosunku do wibratora zapewnia dwie korzyści. Po pierwsze dłuższy element zapewnia skuteczniejsze odbicie fali, zwiększając zysk anteny. Ponadto jeśli reflektor jest dłuższy od wibratora będącego w rezonansie, impedancja reflektora ma charakter indukcyjny (napięcie wzdłuż reflektora wyprzedza w fazie prąd). Odwrotne zjawisko występuje dla direktorów (D) (elementów pasywnych umieszczonych na prawo od wibratora na rys. 1.1), które są krótsze od wibratora. W ich przypadku impedancja ma charakter pojemnościowy (prąd wyprzedza napięcie). Taki rozkład impedancji elementów zapewnia progresję fazy wzdłuż osi anteny, co powoduje, że antena promieniuje osiowo.
W antenach typu Yagi typowo liczba direktorów zawiera się w przedziale od 1 do 20, w zależności od wymaganego zysku oraz dopuszczalnych rozmiarów anteny. Separacja między direktorami jest zazwyczaj stała, a ich długość maleje wraz ze wzrostem odległości od wibratora, co zapewnia wymagany rozkład impedancji opisany w powyższym akapicie.
Element aktywny anteny Yagi realizowany jest zazwyczaj jako dipol pętlowy. Jego obrys, jak pokazano na rysunku poniżej, stanowi prostokąt, w którym jeden z boków jest znacznie krótszy od drugiego (d << L).
Dipol pętlowy
Dipol pętlowy rozważać można jako równoległe połączenie dwóch zwartych symetrycznych linii transmisyjnych o długości L/2 (oddzielonych punktem zasilania widocznym na rysunku powyżej). Tak więc impedancja dipola pętlowego zależy od impedancji falowej opisanych wyżej linii transmisyjnych o długości L/2. Ponadto ze względu na konstruktywną interferencję prądów (w odróżnieniu od „wygaszania” prądów na końcach dipola prostego), impedancja anteny zależy także od impedancji linii transmisyjnej o długości L.
Projekt symetryzatora
Przykładowy symetryzator zaprojektowany został w technice mikropaskowej z użyciem laminatu FR4 o grubości h = 1,52 mm, charakteryzującym się względną przenikalnością elektryczną εr = 4,4. Topologię opracowanego symetryzatora przedstawiono na rysunku poniżej. Wymagane zwarcie dla składowej stałej zrealizowane zostało za pomocą dwóch meandrowanych linii o wysokiej impedancji falowej, zakończonych zwarciem poprzez przelotki do masy. Ponadto, w projekcie symetryzatora nie zastosowano linii 50-Ohmowych na wrotach wyjściowych, gdyż dopasowane do tej impedancji obciążenie stanowić będzie bezpośrednio dipol pętlowy anteny. Takie rozwiązanie umożliwiło zmniejszenie wymiarów symetryzatora.
Schemat opracowanego symetryzatora ze zwarciem dla składowej stałej
Zaprojektowanie własnej anteny
Firma Dipol umożliwia zaprojektowanie własnej anteny Yagi-Uda w zakresie od 1,7 do 3 GHz. Więcej szczegółów można uzyskać u opiekunów handlowych.
Przykładowa antena Yagi została zaprojektowana z użyciem specjalistycznego oprogramowania służącego do modelowania i optymalizacji anten. Celem projektu było opracowanie anteny Yagi-Uda, złożonej z elementu czynnego stanowiącego dipol pętlowy wykonany jako obwód drukowany, trzynastu direktorów oraz pojedynczego reflektora, której pasmo pracy wynosi 2 GHz. Geometrię opracowanej anteny przedstawiono na rysunku poniżej natomiast kolejny rysunek ilustruje obwód drukowany zawierający dipol pętlowy z dołączonym symetryzatorem. Charakterystykę promieniowania dla częstotliwości 2 GHz wyznaczoną na drodze symulacji elektromagnetycznej, współczynnik fali stojącej anteny zasilanej opracowanym symetryzatorem oraz zysk energetyczny anteny w funkcji częstotliwości przedstawiono kolejno na rysunkach. Zauważyć można, iż na środkowej częstotliwości pracy f0 = 2 GHz opracowana antena posiada zysk wynoszący ok. 17 dBi a współczynnik fali stojącej nie przekracza wartości 1,15.
Widok 3D opracowanej anteny Yagi-Uda
Widok obwodu drukowanego zawierającego dipol pętlowy z podłączonym symetryzatorem
Charakterystyka promieniowania dla częstotliwości 2 GHz
Współczynnik fali stojącej zaprojektowanej anteny Yagi-Uda. Wynik symulacji elektromagnetycznej dla częstotliwości od 1800-2200 MHz.
Zysk energetyczny zaprojektowanej anteny Yagi-Uda. Wynik symulacji elektromagnetycznej. Wynik dla częstotliwości od 1800 do 2200 MHz.