Антенна Яги-Уда , или просто антенна Яги , представляет собой направленную антенну, состоящую из двух или более параллельных резонансных антенных элементов в продольной решетке ; [1] эти элементы чаще всего представляют собой металлические стержни (или диски), действующие как полуволновые диполи . [2] Антенны Яги-Уда состоят из одного ведомого элемента, подключенного к радиопередатчику или приемнику ( или к обоим) через линию передачи , и дополнительных пассивных излучателей без электрического соединения, обычно включающих один так называемый рефлектор и любое количество директоров . [2] [3] [4] Она была изобретена в 1926 году Синтаро Уда из Императорского университета Тохоку , Япония , [5] при меньшей роли его начальника Хидэцугу Яги . [5] [6]
Элементы рефлектора (обычно используется только один) немного длиннее ведомого диполя и располагаются позади ведомого элемента, напротив направления предполагаемой передачи. Директоры, с другой стороны, немного короче и располагаются перед ведомым элементом в предполагаемом направлении. [4] Эти паразитные элементы обычно представляют собой расстроенные короткозамкнутые дипольные элементы, то есть вместо разрыва в точке питания (как у ведомого элемента) используется сплошной стержень. Они принимают и переизлучают радиоволны от ведомого элемента, но в другой фазе, определяемой их точной длиной. Их эффект заключается в изменении диаграммы направленности ведомого элемента . Волны от нескольких элементов накладываются и интерферируют , усиливая излучение в одном направлении, увеличивая усиление антенны в этом направлении.
Также называемая лучевой антенной [4] и паразитной решеткой , Yagi широко используется в качестве направленной антенны в диапазонах HF , VHF и UHF . [3] [4] Она имеет коэффициент усиления от умеренного до высокого , до 20 дБи [3] в зависимости от количества используемых элементов, и отношение вперед-назад до 20 дБ. Она излучает линейно поляризованные [3] радиоволны и обычно устанавливается либо для горизонтальной, либо для вертикальной поляризации. Она относительно легкая, недорогая и простая в конструкции. [3] Ширина полосы пропускания антенны Yagi, частотный диапазон, в котором она сохраняет свое усиление и импеданс точки питания , узкая, всего несколько процентов от центральной частоты, уменьшаясь для моделей с более высоким усилением, [3] [4] что делает ее идеальной для приложений с фиксированной частотой. Наиболее широкое и известное применение — антенны наземного телевидения на крышах домов [ 3 ], но его также используют для фиксированных линий связи «точка-точка», [2] для радиолокации [4] и для дальней коротковолновой связи радиовещательными станциями и радиолюбителями [2] .
Антенна была изобретена Синтаро Уда из Императорского университета Тохоку , Япония , [5] в 1926 году, а меньшую роль сыграл Хидэцугу Яги . [6] [7]
Однако имя Яги стало более известным, в то время как имя Уда, который применил идею на практике или установил концепцию посредством эксперимента, часто опускается. По-видимому, это было связано с тем, что Яги основывал свою работу на предварительном объявлении Уды [5] и разработал принцип явления поглощения, о котором Яги объявил ранее. [8] Яги подал патентную заявку в Японии на новую идею, без имени Уда в ней, и позже передал патент компании Marconi в Великобритании. [9] Кстати, в США патент был передан корпорации RCA . [10]
Антенны типа «волновой канал» впервые широко применялись во время Второй мировой войны в радиолокационных системах Японии, Германии, Великобритании и США. [7] После войны они получили широкое распространение в качестве домашних телевизионных антенн .
Антенна Яги-Уда обычно состоит из ряда параллельных тонких стержневых элементов, каждый примерно в полволны в длину. Редко элементы представляют собой диски, а не стержни. Часто они поддерживаются на перпендикулярной перекладине или «стреле» вдоль их центров. [2] Обычно имеется один управляемый дипольный элемент, состоящий из двух коллинеарных стержней, каждый из которых подключен к одной стороне линии передачи, и переменное количество паразитных элементов , отражателей с одной стороны и, опционально, одного или нескольких директоров с другой стороны. [2] [3] [4] Паразитные элементы электрически не подключены к линии передачи и служат пассивными излучателями , переизлучая радиоволны для изменения диаграммы направленности . [2] Типичные расстояния между элементами варьируются от примерно 1 ⁄ 10 до 1 ⁄ 4 длины волны, в зависимости от конкретной конструкции. Директора немного короче управляемого элемента, в то время как отражатель(и) немного длиннее. [4] Диаграмма направленности излучения однонаправленная, с главным лепестком вдоль оси, перпендикулярной элементам в плоскости элементов, с торца с директорами. [3]
Удобно, что дипольные паразитные элементы имеют узел (точку нулевого напряжения РЧ ) в своем центре, поэтому их можно прикрепить к проводящей металлической опоре в этой точке без необходимости изоляции, не нарушая их электрическую работу. [4] Обычно они прикручены болтами или приварены к центральной опорной стреле антенны. [4] Наиболее распространенной формой ведомого элемента является элемент, питаемый в его центре, поэтому его две половины должны быть изолированы там, где их поддерживает стрела.
Коэффициент усиления увеличивается с числом используемых паразитных элементов. [4] Обычно используется только один рефлектор, поскольку улучшение коэффициента усиления с дополнительными рефлекторами невелико, но по другим причинам, например, для более широкой полосы пропускания, может использоваться большее количество рефлекторов. Yagi были построены с 40 директорами [3] и более. [11]
Полоса пропускания антенны, по одному определению, представляет собой ширину полосы частот, имеющих усиление в пределах 3 дБ (половина мощности) от ее максимального усиления. Решетка Яги-Уда в своей базовой форме имеет узкую полосу пропускания, 2–3 процента от центральной частоты. [4] Существует компромисс между усилением и полосой пропускания, при этом полоса пропускания сужается по мере использования большего количества элементов. [4] Для приложений, требующих более широкой полосы пропускания, таких как наземное телевидение , антенны Яги-Уда обычно имеют тригональные отражатели и проводники большего диаметра, чтобы покрыть соответствующие части диапазонов ОВЧ и УВЧ. [12] Более широкая полоса пропускания также может быть достигнута с помощью «ловушек», как описано ниже.
Антенны Yagi–Uda, используемые для любительской радиосвязи , иногда проектируются для работы на нескольких диапазонах. Эти сложные конструкции создают электрические разрывы вдоль каждого элемента (с обеих сторон), в которые вставляется параллельная LC ( индуктор и конденсатор ) цепь. Эта так называемая ловушка имеет эффект усечения элемента в более высоком диапазоне частот, делая его примерно в половину длины волны. На более низкой частоте весь элемент (включая оставшуюся индуктивность из-за ловушки) близок к полуволновому резонансу, реализуя другую антенну Yagi–Uda. Используя второй набор ловушек, «трехдиапазонная» антенна может резонировать в трех различных диапазонах. Учитывая сопутствующие затраты на возведение антенны и вращающейся системы над вышкой, объединение антенн для трех любительских диапазонов в одном устройстве является практичным решением. Однако использование ловушек не лишено недостатков, поскольку они уменьшают полосу пропускания антенны на отдельных диапазонах и снижают электрическую эффективность антенны, а также подвергают антенну дополнительным механическим факторам (ветровая нагрузка, попадание воды и насекомых).
Рассмотрим Яги-Уда, состоящий из рефлектора, ведомого элемента и одного директора, как показано здесь. Ведомый элемент обычно представляет собой диполь 1 ⁄ 2 λ или сложенный диполь и является единственным элементом структуры, который возбуждается напрямую (электрически соединен с линией питания ). Все остальные элементы считаются паразитными . То есть они переизлучают мощность, которую получают от ведомого элемента. Они также взаимодействуют друг с другом, но эта взаимная связь игнорируется в следующем упрощенном объяснении, которое применяется к условиям дальнего поля .
Один из способов представления работы такой антенны — считать паразитный элемент обычным дипольным элементом конечного диаметра, питаемым в его центре, с коротким замыканием в точке питания. Основная часть тока в нагруженной приемной антенне распределяется так же, как в антенне с центральным возбуждением. Он пропорционален эффективной длине антенны и находится в фазе с падающим электрическим полем, если пассивный диполь возбуждается точно на своей резонансной частоте. [13] Теперь представим ток как источник волны мощности на (короткозамкнутом) порту антенны. Как хорошо известно в теории линий передачи , короткое замыкание отражает падающее напряжение на 180 градусов в противофазе. Поэтому можно было бы также смоделировать работу паразитного элемента как суперпозицию дипольного элемента, принимающего мощность и отправляющего ее по линии передачи на согласованную нагрузку, и передатчика, отправляющего такое же количество мощности по линии передачи обратно к элементу антенны. Если бы переданная волна напряжения была на 180 градусов не в фазе с принятой волной в этой точке, суперпозиция двух волн напряжения дала бы нулевое напряжение, что эквивалентно замыканию диполя в точке питания (делая его сплошным элементом, как он есть). Однако ток обратной волны находится в фазе с током падающей волны. Этот ток управляет переизлучением (пассивного) дипольного элемента. На некотором расстоянии переизлученное электрическое поле описывается компонентом дальней зоны поля излучения дипольной антенны . Его фаза включает задержку распространения (относительно тока) и дополнительное смещение фазы на 90 градусов. Таким образом, переизлученное поле можно рассматривать как имеющее отставание фазы на 90 градусов относительно падающего поля.
Паразитные элементы, используемые в антеннах Yagi–Uda, не являются точно резонансными, но несколько короче (или длиннее) 1 ⁄ 2 λ , так что фаза тока элемента изменяется относительно его возбуждения от ведомого элемента. Так называемый элемент рефлектора , будучи длиннее 1 ⁄ 2 λ , имеет индуктивное реактивное сопротивление , что означает, что фаза его тока отстает от фазы напряжения разомкнутой цепи, которое было бы индуцировано принимаемым полем. Задержка фазы, таким образом, больше 90 градусов, и, если элемент рефлектора сделать достаточно длинным, можно представить, что задержка фазы приближается к 180 градусам, так что падающая волна и волна, переизлученная рефлектором, деструктивно интерферируют в прямом направлении (т. е. глядя от ведомого элемента к пассивному элементу). С другой стороны, элемент директора , будучи короче 1 ⁄ 2 λ , имеет емкостное реактивное сопротивление с фазой напряжения, отстающей от фазы тока. [14] Таким образом, фазовая задержка меньше 90 градусов, и если элемент директора сделать достаточно коротким, можно представить, что фазовая задержка приближается к нулю, а падающая волна и волна, переизлученная отражателем, конструктивно интерферируют в прямом направлении.
Интерференция также происходит в обратном направлении. На эту интерференцию влияет расстояние между ведомым и пассивным элементами, поскольку задержки распространения падающей волны (от ведомого элемента к пассивному элементу) и переизлученной волны (от пассивного элемента обратно к ведомому элементу) должны быть приняты во внимание. Чтобы проиллюстрировать эффект, мы предполагаем нулевую и 180-градусную фазовую задержку для переизлучения директора и рефлектора соответственно и предполагаем расстояние в четверть длины волны между ведомым и пассивным элементами. При этих условиях волна, переизлученная директором, деструктивно интерферирует с волной, излучаемой ведомым элементом в обратном направлении (от пассивного элемента), а волна, переизлученная рефлектором, интерферирует конструктивно.
В действительности фазовая задержка пассивных дипольных элементов не достигает крайних значений нуля и 180 градусов. Таким образом, элементам задаются правильные длины и расстояния, так что радиоволны, излучаемые ведомым элементом, и те, которые переизлучаются паразитными элементами, все приходят на переднюю часть антенны синфазно, поэтому они накладываются и складываются, увеличивая силу сигнала в прямом направлении. Другими словами, гребень прямой волны от рефлекторного элемента достигает ведомого элемента так же, как гребень волны излучается этим элементом. Эти волны достигают первого директорного элемента так же, как гребень волны излучается этим элементом, и так далее. Волны в обратном направлении интерферируют деструктивно , отменяясь, поэтому сила сигнала, излучаемого в обратном направлении, мала. Таким образом, антенна излучает однонаправленный пучок радиоволн с передней части (директорного конца) антенны.
Хотя приведенное выше качественное объяснение полезно для понимания того, как паразитные элементы могут усиливать излучение ведомых элементов в одном направлении за счет другого, предположение о дополнительном сдвиге фазы переизлученной волны на 90 градусов (опережающий или отстающий) не является обоснованным. Обычно сдвиг фазы в пассивном элементе намного меньше. Более того, для увеличения эффекта пассивных излучателей их следует размещать близко к ведомому элементу, чтобы они могли собирать и переизлучать значительную часть первичного излучения.
Более реалистичная модель массива Яги-Уда, использующая только ведомый элемент и директор, показана на прилагаемой схеме. Волна, генерируемая ведомым элементом (зеленый), распространяется как в прямом, так и в обратном направлении (а также в других направлениях, не показанных). Директор принимает эту волну с небольшой задержкой по времени (составляющей фазовую задержку около 45°, что будет важно для расчетов обратного направления позже). Из-за меньшей длины директора ток, генерируемый в директоре, опережает по фазе (примерно на 20°) относительно падающего поля и излучает электромагнитное поле, которое отстает (в условиях дальнего поля) от этого тока на 90°. Чистый эффект представляет собой волну, излучаемую директором (синий), которая примерно на 70° (20° - 90°) отстает относительно волны ведомого элемента (зеленый) в этой конкретной конструкции. Эти волны объединяются, чтобы создать чистую прямую волну (внизу справа) с амплитудой, несколько большей, чем отдельные волны.
С другой стороны, в обратном направлении дополнительная задержка волны от директора (синего цвета) из-за расстояния между двумя элементами (около 45° фазовой задержки, пройденной дважды) приводит к тому, что она оказывается примерно на 160° (70° + 2 × 45°) не в фазе с волной от ведомого элемента (зеленого цвета). Чистый эффект этих двух волн при сложении (внизу слева) заключается в частичной отмене. Таким образом, сочетание положения директора и более короткой длины позволило получить однонаправленный, а не двунаправленный отклик одного ведомого элемента (полуволновой диполь).
Когда пассивный излучатель размещается близко (менее четверти длины волны) к ведомому диполю, он взаимодействует с ближним полем , в котором отношение фазы к расстоянию не регулируется задержкой распространения, как это было бы в дальнем поле. Таким образом, амплитудное и фазовое отношение между ведомым и пассивным элементом не может быть понято с помощью модели последовательного сбора и переизлучения волны, которая полностью отсоединилась от первичного излучающего элемента. Вместо этого два элемента антенны образуют связанную систему, в которой, например, собственное сопротивление (или сопротивление излучения ) ведомого элемента сильно зависит от пассивного элемента. Полный анализ такой системы требует вычисления взаимных сопротивлений между элементами диполя [15] , что неявно учитывает задержку распространения из-за конечного расстояния между элементами и эффектов связи ближнего поля. Мы моделируем элемент номер j как имеющий точку питания в центре с напряжением V j и током I j, текущим в него. Рассмотрев всего два таких элемента, мы можем записать напряжение в каждой точке питания через токи, используя взаимные сопротивления Z ij :
Z 11 и Z 22 — это просто обычные импедансы возбуждающей точки диполя, то есть 73 + j43 Ом для полуволнового элемента (или чисто резистивные для немного более короткого, как обычно требуется для ведомого элемента). Из-за различий в длинах элементов Z 11 и Z 22 имеют существенно различную реактивную составляющую. Из-за взаимности мы знаем, что Z 21 = Z 12 . Теперь сложным вычислением является определение того взаимного импеданса Z 21 , который требует численного решения. Он был вычислен для двух точных полуволновых дипольных элементов с различными интервалами на прилагаемом графике.
Тогда решение системы будет следующим. Пусть ведомый элемент обозначен как 1, так что V 1 и I 1 — это напряжение и ток, подаваемые передатчиком. Паразитный элемент обозначен как 2, и поскольку он закорочен в своей «точке питания», мы можем записать, что V 2 = 0. Используя приведенные выше соотношения, мы можем решить для I 2 через I 1 :
и так
Это ток, индуцированный в паразитном элементе из-за тока I 1 в ведомом элементе. Мы также можем решить для напряжения V 1 в точке питания ведомого элемента, используя предыдущее уравнение:
где мы подставили Z 12 = Z 21. Отношение напряжения к току в этой точке является импедансом точки возбуждения Z dp двухэлементной Yagi:
При наличии только ведомого элемента импеданс точки возбуждения был бы просто Z 11 , но теперь он был изменен из-за присутствия паразитного элемента. И теперь, зная фазу (и амплитуду) I 2 по отношению к I 1 , как вычислено выше, мы можем определить диаграмму направленности (усиление как функцию направления) из-за токов, протекающих в этих двух элементах. Решение такой антенны с более чем двумя элементами выполняется по тем же линиям, устанавливая каждый V j = 0 для всех, кроме ведомого элемента, и решая для токов в каждом элементе (и напряжения V 1 в точке питания). [16] Обычно взаимная связь имеет тенденцию снижать импеданс первичного излучателя, и, таким образом, часто используются сложенные дипольные антенны из-за их большого сопротивления излучения, которое уменьшается до типичного диапазона от 50 до 75 Ом за счет связи с пассивными элементами.
Не существует простых формул для проектирования антенн Яги-Уда из-за сложных взаимосвязей между физическими параметрами, такими как
Однако, используя вышеперечисленные виды итеративного анализа, можно рассчитать производительность заданного набора параметров и настроить их для оптимизации усиления (возможно, с учетом некоторых ограничений). Поскольку в антенне Yagi–Uda с n элементами необходимо настроить 2 n − 1 параметров (длины элементов и относительные расстояния), этот метод итеративного анализа не является простым. Взаимные импедансы, представленные выше, применимы только к элементам длиной λ /2 , поэтому их может потребоваться пересчитать для получения хорошей точности.
Распределение тока вдоль реального антенного элемента лишь приблизительно дается обычным предположением о классической стоячей волне, требующим решения интегрального уравнения Халлена с учетом других проводников. Такой полный точный анализ, учитывающий все упомянутые взаимодействия, довольно подавляющий, и приближения неизбежны на пути к поиску пригодной антенны. Следовательно, эти антенны часто являются эмпирическими конструкциями, использующими элемент проб и ошибок , часто начиная с существующей конструкции, измененной в соответствии с чьим-то предчувствием. Результат может быть проверен прямым измерением или компьютерным моделированием.
Хорошо известным источником, используемым в последнем подходе, является отчет, опубликованный Национальным бюро стандартов США (NBS) (теперь Национальный институт стандартов и технологий (NIST)), в котором представлены шесть основных конструкций, полученных на основе измерений, проведенных на частоте 400 МГц, и процедуры адаптации этих конструкций к другим частотам. [17] Эти конструкции и те, которые получены на их основе, иногда называют «NBS yagis».
Регулируя расстояние между соседними директорами, можно уменьшить задний лепесток диаграммы направленности.
Антенна Яги-Уда была изобретена в 1926 году Синтаро Уда из Императорского университета Тохоку , [5] Сендай , Япония , под руководством Хидэцугу Яги , также из Императорского университета Тохоку. [6] Яги и Уда опубликовали свой первый отчет о направленной антенне-проекторе волн. Яги продемонстрировал доказательство концепции , но инженерные проблемы оказались более обременительными, чем у обычных систем. [18]
Яги опубликовал первую англоязычную ссылку на антенну в обзорной статье 1928 года об исследовании коротких волн в Японии, и она стала ассоциироваться с его именем. Однако Яги, который предоставил концепцию, которая изначально была неопределенным выражением Уды, всегда признавал основной вклад Уды в конструкцию, которая в настоящее время будет признана как сведение к практике , и если не принимать во внимание новизну , то правильным названием антенны, как указано выше, является антенна Яги-Уда (или решетка).
Yagi впервые широко использовался во время Второй мировой войны для бортовых радаров из-за своей простоты и направленности. [18] [19] Несмотря на то, что он был изобретен в Японии, многие японские инженеры-радары не знали о его конструкции до конца войны, отчасти из-за соперничества между армией и флотом. Японские военные власти впервые узнали об этой технологии после битвы за Сингапур , когда они захватили записи британского техника по радарам, в которых упоминалось «антенна Yagi». Японские офицеры разведки даже не распознали, что Yagi было японским именем в этом контексте. Когда его спросили, техник сказал, что это была антенна, названная в честь японского профессора. [20] [21] [N 1]
Горизонтально поляризованную антенную решетку можно увидеть на многих различных типах самолетов Второй мировой войны, особенно на тех типах, которые использовались для морского патрулирования или ночных истребителей, обычно устанавливаемых на нижней поверхности каждого крыла. Два типа, которые часто несли такое оборудование, — это палубный самолет ВМС США Grumman TBF Avenger и патрульный гидросамолет дальнего действия Consolidated PBY Catalina . Вертикально поляризованные антенные решетки можно увидеть на щеках P -61 и на носовых обтекателях многих самолетов Второй мировой войны, в частности, на оснащенных радаром Lichtenstein образцах немецкого истребителя-бомбардировщика Junkers Ju 88 R-1 , а также британского ночного истребителя Bristol Beaufighter и летающей лодки Short Sunderland . Действительно, последний имел так много антенных элементов, расположенных на его спине - в дополнение к его грозному башенчатому оборонительному вооружению в носу и хвосте, и наверху корпуса - что немецкие летчики прозвали его fliegendes Stachelschwein , или «Летающий дикобраз». [22] Экспериментальная немецкая антенна радиолокационной станции УКВ-диапазона Morgenstern 1943–44 годов использовала структуру «двойной Яги» из ее угловых пар антенн Яги, образованных под углом 90°, образованных шестью дискретными дипольными элементами, что позволяло разместить решетку в коническом, покрытом резиной фанерном обтекателе на носу самолета, причем крайние концы антенных элементов Morgenstern выступали из поверхности обтекателя, при этом самолет NJG 4 Ju 88 G-6 штабного звена крыла использовал ее в конце войны для своего радара Lichtenstein SN-2 AI. [23]
После Второй мировой войны появление телевизионного вещания мотивировало обширную адаптацию конструкции Yagi–Uda для приема телевидения на крыше в диапазоне VHF (а позднее и для телевидения UHF ), а также в качестве антенны FM-радио в пограничных зонах. Главным недостатком Yagi была изначально узкая полоса пропускания, в конечном итоге решенная принятием широкополосной логопериодической дипольной решетки (LPDA). Тем не менее, более высокий коэффициент усиления Yagi по сравнению с LPDA делает ее все еще необходимой для наилучшего приема пограничных зон , и были разработаны сложные конструкции Yagi и их сочетание с другими антенными технологиями, чтобы обеспечить ее работу в широких телевизионных диапазонах .
В 1995 году антенна Яги-Уда была названа « вехой» IEEE. [10]
