Антенна Яги -Уда , или просто антенна Яги , представляет собой направленную антенну , состоящую из двух или более параллельных резонансных антенных элементов в решетке с торцевым лучом ; [1] эти элементы чаще всего представляют собой металлические стержни (или диски), действующие как полуволновые диполи . [2] Антенны Яги-Уда состоят из одного возбуждаемого элемента , соединенного с радиопередатчиком или приемником ( или с обоими) через линию передачи , и дополнительных пассивных излучателей без электрического соединения, обычно включающих один так называемый отражатель и любое количество директоров. . [2] [3] [4] Он был изобретен в 1926 году Синтаро Уда из Императорского университета Тохоку , Япония , [5] с меньшей ролью, которую играл его босс Хидэцугу Яги . [5] [6]
Элементы отражателя (обычно используется только один) немного длиннее ведомого диполя и расположены позади ведомого элемента, противоположно направлению предполагаемой передачи. Директора же немного короче и располагаются перед ведомым элементом в заданном направлении. [4] Эти паразитные элементы обычно представляют собой расстроенные короткозамкнутые дипольные элементы, то есть вместо разрыва в точке питания (например, 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] Он имеет усиление от умеренного до высокого , до 20 дБи , [3] в зависимости от количества используемых элементов, а также соотношение фронт/тыл до 20 дБ. Он излучает радиоволны с линейной поляризацией [3] и обычно устанавливается с горизонтальной или вертикальной поляризацией. Он относительно легкий, недорогой и простой в изготовлении. [3] Полоса пропускания антенны Яги, диапазон частот , в котором она поддерживает свое усиление и импеданс точки питания , узкая, всего несколько процентов от центральной частоты, уменьшаясь для моделей с более высоким коэффициентом усиления, [3] [4] что делает ее идеально подходит для приложений с фиксированной частотой. Наиболее широкое и известное применение - это наземные телевизионные антенны на крыше , [3] , но они также используются для двухточечных фиксированных линий связи, [2] радаров, [4] и коротковолновой связи на большие расстояния радиовещательными станциями и радиолюбители . [2]
Антенну изобрел Синтаро Уда из Императорского университета Тохоку , Япония , [5] в 1926 году, меньшую роль сыграл Хидэцугу Яги . [6] [7]
Однако имя Яги стало более привычным, а имя Уды, применившего эту идею на практике или установившего концепцию экспериментальным путем, часто опускается. По-видимому, это произошло из-за того, что Яги основывал свою работу на предварительном заявлении Уды [5] и разработал принцип явления поглощения, о котором Яги объявил ранее. [8] Яги подал заявку на патент в Японии на новую идею без имени Уды, а позже передал патент компании Marconi в Великобритании. [9] Кстати, в США патент был передан корпорации RCA . [10]
Антенны Яги впервые широко использовались во время Второй мировой войны в радиолокационных системах Японии, Германии, Великобритании и США. [7] После войны они получили широкое развитие в качестве домашних телевизионных антенн .
Антенна Яги-Уда обычно состоит из ряда параллельных тонких стержневых элементов, каждый длиной примерно в полволны. Редко элементы представляют собой диски, а не стержни. Часто они опираются на перпендикулярную перекладину или «стрелу» по своим центрам. [2] Обычно имеется один элемент с дипольным приводом , состоящий из двух коллинеарных стержней, каждый из которых подключен к одной стороне линии передачи, и переменное количество паразитных элементов , отражателей на одной стороне и, возможно, одного или нескольких директоров на другой стороне. [2] [3] [4] Паразитные элементы не связаны электрически с линией передачи и служат пассивными излучателями , переизлучая радиоволны для изменения диаграммы направленности . [2] Типичные расстояния между элементами варьируются примерно от 1/10 до 1/4 длины волны , в зависимости от конкретной конструкции. Директора немного короче ведомого элемента, а отражатель(и) немного длиннее. [4] Диаграмма направленности однонаправленная, с основным лепестком вдоль оси, перпендикулярной элементам в плоскости элементов, за пределами конца с директорами. [3]
Удобно, что дипольные паразитные элементы имеют узел (точку нулевого радиочастотного напряжения ) в центре, поэтому их можно прикрепить к проводящей металлической опоре в этой точке без необходимости изоляции и без нарушения их электрической работы. [4] Обычно они прикручиваются болтами или привариваются к центральной опорной стреле антенны. [4] Наиболее распространенной формой ведомого элемента является элемент, питаемый по центру, поэтому его две половины должны быть изолированы там, где их поддерживает стрела.
Прибыль увеличивается с увеличением количества используемых паразитных элементов. [4] Обычно используется только один отражатель, поскольку улучшение усиления при использовании дополнительных отражателей невелико, но можно использовать больше отражателей по другим причинам, например, для более широкой полосы пропускания. Яги были построены с числом директоров до 40. [3]
Полоса пропускания антенны, по одному определению, — это ширина полосы частот, коэффициент усиления которой составляет не более 3 дБ (половина мощности) от максимального усиления. Решетка Яги-Уда в своей базовой форме имеет узкую полосу пропускания, составляющую 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. [11] Более широкая полоса пропускания также может быть достигнута за счет использования «ловушек», как описано ниже.
Антенны Яги-Уда, используемые для любительского радио , иногда предназначены для работы в нескольких диапазонах. Эти сложные конструкции создают электрические разрывы вдоль каждого элемента (с обеих сторон), после чего включается параллельная LC- цепь ( индуктор и конденсатор ). Эта так называемая ловушка приводит к усечению элемента в более высокой полосе частот, делая его длину примерно равной половине длины волны. На более низкой частоте весь элемент (включая оставшуюся индуктивность из-за ловушки) близок к полуволновому резонансу, реализуя другую антенну Яги – Уда. Используя второй набор ловушек, «трехдиапазонная» антенна может резонировать на трех разных диапазонах. Учитывая связанные с этим затраты на установку антенны и ротаторной системы над вышкой, практичным решением является объединение антенн трех любительских диапазонов в одном блоке. Однако использование ловушек не лишено недостатков, поскольку они уменьшают полосу пропускания антенны на отдельных диапазонах, снижают электрический КПД антенны и подвергают антенну дополнительным механическим воздействиям (ветровая нагрузка, попадание воды и насекомых).
Рассмотрим Яги-Уда, состоящую из отражателя, ведомого элемента и одного директора, как показано здесь. Ведомый элемент обычно представляет собой диполь 1 ⁄ λ или складчатый диполь и является единственным элементом конструкции, который возбуждается напрямую (электрически соединен с линией питания ). Все остальные элементы считаются паразитическими . То есть они переизлучают мощность, которую получают от ведомого элемента. Они также взаимодействуют друг с другом, но эта взаимная связь не учитывается в следующем упрощенном объяснении, которое применимо к условиям дальнего поля .
Один из способов рассмотрения работы такой антенны состоит в том, чтобы рассматривать паразитный элемент как обычный дипольный элемент конечного диаметра, питаемый в его центре, с коротким замыканием в точке питания. Основная часть тока в нагруженной приемной антенне распределяется так же, как и в антенне с центральным возбуждением. Оно пропорционально эффективной длине антенны и находится в фазе с падающим электрическим полем, если пассивный диполь возбуждается точно на своей резонансной частоте. [12] Теперь мы представляем ток как источник электрической волны в (закороченном) порте антенны. Как хорошо известно из теории линий электропередачи , короткое замыкание отражает падающее напряжение на 180 градусов, сдвинутое по фазе. Таким образом, можно 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 вверх по линии передачи обратно к антенне. элемент. Если бы передаваемая волна напряжения не совпадала по фазе с принимаемой волной в этой точке на 180 градусов, суперпозиция двух волн напряжения давала бы нулевое напряжение, что эквивалентно короткому замыканию диполя в точке питания (что делает его твердым элементом, как это и есть ). Однако ток обратной волны находится в фазе с током падающей волны. Этот ток вызывает переизлучение (пассивного) дипольного элемента. На некотором расстоянии переизлученное электрическое поле описывается дальней составляющей поля излучения дипольной антенны . Его фаза включает в себя задержку распространения (относительно тока) и дополнительный сдвиг фазы с запаздыванием на 90 градусов. Таким образом, можно считать, что переизлученное поле имеет отставание по фазе на 90 градусов относительно падающего поля.
Паразитные элементы, используемые в антеннах Яги-Уда, не являются точно резонансными, но несколько короче (или длиннее), чем 1 ⁄ λ , так что фаза тока элемента изменяется по отношению к его возбуждению от ведомого элемента. Так называемый отражающий элемент, имеющий длину более 1 ⁄ 2 λ , имеет индуктивное реактивное сопротивление , что означает, что фаза его тока отстает от фазы напряжения холостого хода, которое могло бы индуцироваться полученным полем. Фазовая задержка, таким образом, превышает 90 градусов, и, если элемент отражателя сделан достаточно длинным, можно представить, что фазовая задержка приближается к 180 градусам, так что падающая волна и волна, переизлученная отражателем, деструктивно интерферируют в прямом направлении ( т.е. глядя от ведомого элемента к пассивному элементу). С другой стороны, управляющий элемент, будучи короче 1 ⁄ 2 λ , имеет емкостное реактивное сопротивление, причем фаза напряжения отстает от фазы тока . [13] Таким образом, фазовая задержка составляет менее 90 градусов, и, если направляющий элемент сделан достаточно коротким, можно представить, что фазовая задержка приближается к нулю, и падающая волна и волна, переизлученная отражателем, конструктивно интерферируют в прямом направлении.
Помехи возникают и в обратном направлении. На эти помехи влияет расстояние между возбуждаемым и пассивным элементом, поскольку задержки распространения падающей волны (от возбуждаемого элемента к пассивному элементу) и переизлученной волны (от пассивного элемента обратно к возбуждаемому элементу) имеют быть принятым во внимание. Чтобы проиллюстрировать эффект, мы предполагаем нулевую и 180-градусную фазовую задержку для переизлучения директора и отражателя соответственно и предполагаем расстояние в четверть длины волны между возбуждаемым и пассивным элементом. В этих условиях волна, переизлученная директором, деструктивно интерферирует с волной, излучаемой ведомым элементом в обратном направлении (от пассивного элемента), а волна, переизлученная отражателем, интерферирует конструктивно.
В действительности фазовая задержка пассивных дипольных элементов не достигает крайних значений нуля и 180 градусов. Таким образом, элементам присваиваются правильные длины и расстояния, так что радиоволны, излучаемые ведомым элементом и повторно излучаемые паразитными элементами, все достигают передней части антенны синфазно, поэтому они накладываются и суммируются, увеличивая сигнал. сила в направлении вперед. Другими словами, гребень прямой волны от отражающего элемента достигает ведомого элемента точно так же, как гребень волны излучается этим элементом. Эти волны достигают первого управляющего элемента в тот момент, когда от этого элемента исходит гребень волны, и так далее. Волны в обратном направлении разрушительно интерферируют , нейтрализуясь, поэтому мощность сигнала, излучаемого в обратном направлении, невелика. Таким образом, антенна излучает однонаправленный луч 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 (опережающем или отстающем) недействительно. . Обычно фазовый сдвиг в пассивном элементе значительно меньше. При этом для усиления эффекта пассивных излучателей их следует размещать вблизи рабочего элемента, чтобы они могли собирать и переизлучать значительную часть первичного излучения.
Более реалистичная модель массива Яги-Уда, использующая только приводной элемент и директор, показана на прилагаемой диаграмме. 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 во времени (составляющей фазовую задержку около 45°, что позже будет важно для расчетов обратного направления). 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°. Конечным эффектом является волна, излучаемая директором (синий), которая в этой конкретной конструкции запаздывает примерно на 70 ° (20–90 °) по отношению к волне ведомого элемента (зеленый). Эти волны объединяются, образуя чистую прямую волну (внизу справа) с амплитудой, несколько большей, чем отдельные волны.
С другой стороны, в обратном направлении дополнительная задержка волны от директора (синий) из-за расстояния между двумя элементами (около 45 ° фазовой задержки, пройденной дважды) приводит к тому, что она составляет около 160 ° (70 ° + 2 × 45°) в противофазе с волной от ведомого элемента (зеленый). Конечным эффектом этих двух волн при их добавлении (внизу и слева) является частичная нейтрализация. Таким образом, сочетание положения директора и более короткой длины позволило получить однонаправленный, а не двунаправленный отклик только ведомого (полуволнового диполя) элемента.
Когда пассивный излучатель расположен близко (менее четверти длины волны) к ведомому диполю, он взаимодействует с ближним полем , в котором соотношение фазы к расстоянию не определяется задержкой распространения, как это было бы в случае дальнее поле. Таким образом, соотношение амплитуды и фазы между возбуждаемым и пассивным элементом невозможно понять с помощью модели последовательного сбора и переизлучения волны, полностью отсоединившейся от первичного излучающего элемента. Вместо этого два антенных элемента образуют связанную систему, в которой, например, на собственное сопротивление (или сопротивление излучения ) ведомого элемента сильно влияет пассивный элемент. Полный анализ такой системы требует расчета взаимных импедансов между дипольными элементами [14] , что неявно учитывает задержку распространения из-за конечного расстояния между элементами и эффектов связи в ближнем поле. Мы моделируем элемент номер j как имеющий точку питания в центре, в которую течет напряжение V j и ток I j . Просто рассматривая два таких элемента, мы можем записать напряжение в каждой точке питания через токи, используя взаимные импедансы Z ij :
Z 11 и Z 22 — это просто обычные импедансы ведущей точки диполя, т. е. 73 + j43 Ом для полуволнового элемента (или чисто резистивный для немного более короткого элемента, как это обычно желательно для ведомого элемента). Из-за разницы в длине элементов Z 11 и Z 22 имеют существенно разную реактивную составляющую. Благодаря взаимности мы знаем, что Z 21 = Z 12 . Теперь трудные вычисления заключаются в определении того взаимного импеданса Z 21 , который требует численного решения. Это было рассчитано для двух точных полуволновых дипольных элементов на различных расстояниях на прилагаемом графике.
Тогда решение системы будет следующим. Обозначим ведомый элемент цифрой 1, чтобы V 1 и I 1 — это напряжение и ток, подаваемые передатчиком. Паразитный элемент обозначен цифрой 2, и поскольку он закорочен в своей «точке питания», мы можем написать, что V 2 = 0. Используя приведенные выше соотношения, мы можем найти I 2 через I 1 :
и так
Это ток, индуцируемый в паразитном элементе вследствие тока I 1 в ведомом элементе. Мы также можем определить напряжение V 1 в точке питания ведомого элемента, используя более раннее уравнение:
где мы заменили Z 12 = Z 21 . Отношение напряжения к току в этой точке представляет собой сопротивление точки возбуждения Z dp 2-элементного Yagi:
При наличии только ведомого элемента полное сопротивление точки возбуждения было бы просто Z 11 , но теперь оно было изменено наличием паразитного элемента. И теперь знание фазы (и амплитуды) I 2 по отношению к I 1 , вычисленной выше, позволяет нам определить диаграмму направленности (усиление как функцию направления) из-за токов, протекающих в этих двух элементах. Решение такой антенны с более чем двумя элементами происходит по той же схеме, устанавливая каждый V j = 0 для всех элементов, кроме ведомого, и вычисляя токи в каждом элементе (и напряжение V 1 в точке питания). [15] Обычно взаимная связь имеет тенденцию к снижению импеданса первичного излучателя, поэтому часто используются гнутые дипольные антенны из-за их большого сопротивления излучению, которое снижается до типичного диапазона от 50 до 75 Ом за счет соединения с пассивными элементами.
Простых формул для проектирования антенн Яги – Уда не существует из-за сложных взаимосвязей между физическими параметрами, такими как
Однако, используя вышеупомянутые виды итеративного анализа, можно рассчитать производительность данного набора параметров и скорректировать их для оптимизации выигрыша (возможно, с учетом некоторых ограничений). Поскольку в случае n- элементной антенны Яги-Уда необходимо настроить 2 n - 1 параметров (длины элементов и относительные расстояния), этот метод итерационного анализа не является простым. Взаимные импедансы, изображенные выше, применимы только к элементам длины λ /2 , поэтому для получения хорошей точности их, возможно, придется пересчитать.
Распределение тока вдоль реального антенного элемента лишь приблизительно задается обычным предположением о классической стоячей волне, требующим решения интегрального уравнения Халлена с учетом других проводников. Такой полный точный анализ, учитывая все упомянутые взаимодействия, является довольно сложным, и на пути к поиску пригодной к использованию антенны неизбежны приближения. Следовательно, эти антенны часто представляют собой эмпирические разработки, основанные на методе проб и ошибок , часто начиная с существующей конструкции, модифицированной в соответствии с интуицией. Результат может быть проверен прямым измерением или компьютерным моделированием.
Хорошо известным справочным материалом, используемым в последнем подходе, является отчет, опубликованный Национальным бюро стандартов США (NBS) (ныне 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. [16] Эти конструкции и те, что на их основе, иногда называют «Яги NBS».
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 волнового проектора. Яги продемонстрировал подтверждение концепции , но инженерные проблемы оказались более сложными, чем у традиционных систем. [17]
Яги опубликовал первую ссылку на антенну на английском языке в обзорной статье 1928 года об исследованиях коротких волн в Японии, и она стала ассоциироваться с его именем. Однако Яги, который предложил Уде концепцию, которая изначально была расплывчатым выражением Уды, всегда признавал принципиальный вклад Уды в конструкцию, которая в настоящее время будет признана сведением к практике , и, если не принимать во внимание новизну , правильное название антенны: как указано выше, антенна (или решетка) Яги – Уда.
Yagi впервые широко использовался во время Второй мировой войны для бортовых радаров из-за его простоты и направленности. [17] [18] Несмотря на то, что он был изобретен в Японии, многие японские инженеры-радары не знали об этой 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 радиолокационного техника, в которых упоминалась «антенна Яги». Офицеры японской разведки даже не распознали, что Яги в этом контексте — японское имя. Отвечая на вопрос, техник сказал, что это антенна, названная в честь японского профессора. [19] [20] [Н 1]
Горизонтально поляризованную решетку можно увидеть на многих различных типах самолетов времен Второй мировой войны, особенно на тех типах, которые использовались в морском патрулировании, или на ночных истребителях, 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 решетки можно увидеть на щеках P-61 и на носовых обтекателях многих самолетов времен Второй мировой войны, в частности, оснащенных радаром Lichtenstein образцов немецкого истребителя -бомбардировщика Junkers Ju 88 R-1 и британского ночного Bristol Beaufighter. -истребитель и летающая лодка «Шорт Сандерленд» . Действительно, последний имел так много антенных элементов, расположенных на его спине - в дополнение к грозному башенному защитному вооружению в носовой и хвостовой части, а также на верхней части корпуса - немецкие летчики прозвали его fliegendes Stachelschwein , или «Летающий дикобраз». [21] Экспериментальная радиолокационная антенна ОВЧ-диапазона Morgenstern German AI в 1943–44 годах использовала структуру «двойного Яги», состоящую из пар антенн Яги, расположенных под углом 90 °, сформированных из шести дискретных дипольных элементов, что позволяло разместить решетку внутри конический, покрытый резиной фанерный обтекатель на носовой части самолета, с крайними кончиками антенных элементов Моргенштерна , выступающими из поверхности обтекателя, с NJG 4 Ju 88 G-6 штабного звена крыла, использовавшим его в конце войны для своего Лихтенштейна. РЛС СН-2 АИ. [22]
После Второй мировой войны появление телевещания побудило к широкой адаптации конструкции Яги-Уды для приема телевидения на крыше в диапазоне УКВ (а позже и для телевидения УВЧ ), а также в качестве FM- радиоантенны в окраинных районах. Основным недостатком была присущая Yagi узкая полоса пропускания, которая в конечном итоге была решена за счет использования широкополосной логопериодической дипольной решетки (LPDA). Тем не менее, более высокий коэффициент усиления Yagi по сравнению с LPDA делает его необходимым для лучшего приема в полосе частот , а сложные конструкции Yagi и их сочетание с другими антенными технологиями были разработаны, чтобы обеспечить его работу в широких телевизионных диапазонах .
Антенна Яги-Уда была названа вехой IEEE в 1995 году. [10]
