På punkt: YAGI-antennen

Om du inträffade för att titta upp under en enhet ner en förortsgata i USA när som helst under 60-talet eller 70-talet, har du ingen fråga har märkt en skog av TV-antenner. När det var over-the-air TV var det enda alternativet, gick folk till fantastiska längder att dra i signaler, med antenner av ibland stora proportioner som flyger över hustak.

Utomhusantenner försvann dock under den senaste tredjedelen av 1900-talet, eftersom kabelleverantörer slutade vara dominerande, gjutna till kanten som fula reliker av en olycklig och svunnen ålder av begränsade alternativ samt dålig mottagning. Men nu börjar billiga kabelskärare som din. Många av de nya antennerna gör skandalösa förklarar om prestanda eller tout som de är utformade speciellt för HDTV. Det är självklart, naturligtvis, sedan dess, som nu, är nästan alla tv-antenn bara någon typ av den klassiska YAGI-designen. Fysiken i denna antenn är fascinerande, liksom historien om exakt hur antennen uppfanns.

“UDA Vem?”

Shintaro Uda. Källa: IEEE CINCINNATI SECTION
Vad som skulle bli förstått som Yagi-antennen fick sin början i början av 1920-talet i laboratoriet för professor Shintaro Uda i Tohoku Imperial University i Sendai Japan. Dr. UDA arbetade i VHF-bandet såväl som letade efter metoder för att göra antenner mer riktiga. När han experimenterade med en resonanskloopantenn fann han att satte en statisk slinga nära antennen tenderade att forma signalen bort från ett omnidirektionellt mönster, nästan som om slingan fungerade som en reflektor.

Tillsammans med sin Associate Hidetsugu Yagi experimenterade UDA med olika konfigurationer. De ersatte slutligen slingantennen med en enkel dipol, liksom extra element, som de kallade styrelseledamöter, på en lång bomm för att ytterligare forma strålen. Med hjälp av åtta styrelseledamöter på ett 15 meter träbom monterad på taket på deras laboratorium kunde UDA liksom Yagi interagera över ett avstånd av 135 km vid 68 MHz, ingen genomsnittlig prestation vid den tiden.

Hidetsugu Yagi liksom “hans” antenn. Källa: Fysik World.com
Efter att ha kallat sin uppfinning var “WAVE-projektorns riktningsantenn”, det var oundvikligt att antennen skulle namnges efter någon. Exakt hur det skulle krediteras enbart till Dr. Yagi är en berättelse om några förräderi på Yagis del med ett streck av naiveté på UDA. Dr. UDA publicerade de allra första japanska språketraktionerna på antennen, men av skäl som är okända, Dr. Yagi som användes för både japanska och amerikanska patent för antennen utan att nämna UDA. Det japanska patentet tilldelades Marconi-verksamheten i England, medan det amerikanska patentet gick till RCA. Utan något omnämnande, liksom med Dr. Yagi Touring den engelsktalande världen för att diskutera “hans” antenn i olika radioteknikkonferenser, slutade antennen långsamt vara bara “Yagi-antennen” eller “Yagi-arrayen”.

Ironiskt nog tack vare inter-service rivalries samt en silo mentalitet i Imperial Japan, var det bara fångsten av en brittisk radar som satt under Singapore-slaget 1942, som introducerade den homegrowna uppfinningen till den japanska militären. De japanska intelligensofficerna tänkte inte ens på “Yagi” för att vara ett japanskt namn – de förmodade det var bara ett kodord som består av britterna.

Parasiter

Huvudegenskaperna hos Yagi-UDA-antennen är hög riktning såväl som hög vinst. Förutsatt sanningen att längden på varje aspekt måste vara nära någon bråkdel av signalens våglängd, är det mest praktiskt för de högre frekvenserna, huvudsakligen över 30 MHz. Det är inte att säga att det inte kan utnyttjas för längre våglängder, men – massor av skinka arbetar 20 m och 40 m band med en stor yagi.

En yagi för skinkbanden. Notera den drivna aspekten med feedline, sju styrelseledamöter, såväl som en enda reflektor. Källa: antenn-theory.com
Som i Dr. UDA: s ursprungliga design består en YAGI av ett enda drivet element parallellt med såväl som coplanar med minst två parasitiska element. En mycket liten stil är en enda reflektor aspekt som finns “bakom” den drivna aspekten (i förhållande till radiosignalens riktning) samt en enda regissörs aspekt framför det drivna elementet. En praktisk antenn kommer sannolikt att ha flera styrelseledamöter, varav det är den strängare riktningen såväl som den högre förstärkningen, åtminstone lika mycket som en punkt.

Detta ger Yagis deras karakteristiska utseende – en horisontell bom med flera aspekter anordnade vinkelrätt. Det finns några variationer av programmet – vissa Yagis har flera reflektorer, eller har ett hörnreflektorarrangemang. Såsom några antenner, speciellt tv-antenner, har de parasitiska aspekterna sopat tillbaka i en vinkel snarare än vinkelrätt mot bommen. Dessutom kan aspekterna ordnas horisontellt eller vertikalt, beroende påpå den önskade polarisationen.

Fas

För att förstå Yagis design, minns att en vanlig gammal dipolantenn i fri område har ett strålningsmönster som är den starkaste bredsidan till antennen. Det resulterar i två stora lobes från framsidan och baksidan av antennen, med bit signal från ändarna. Den drivna aspekten av en yagi är bara en halvvågdipol, eller ibland en vikad dipol för att öka impedansen. Den parasitiska aspekterna såväl som direkt strålen som använder konstruktiv såväl som destruktiv störning.

Som Dr. UDA upptäcktes kan de parasitiska aspekterna antingen vara induktivt eller kapacitivt kopplat till det drivna elementet. Induktiva aspekter är något längre än halvvåg, medan kapacitiva aspekter är något kortare. Styrelseledamöterna är alla kortare än halvvåg såväl som är därför kapacitivt kopplade, medan reflektorn är längre såväl som induktivt kopplad. Skillnaden från den perfekta halvvågen är liten – vanligtvis bara 10% till 15%.

Konstruktiv såväl som destruktiv inblandning i en YAGI-antenn. Den miljövänliga vågen representerar summan av de röda såväl som blåa vågor. Källa: Radartutorial.eu
Både reflektorn såväl som styrelseledamöterna arbetar genom att reradiating makt från det drivna elementet. Avståndet av den parasitiska aspekterens familjemedlem till den drivna aspekten bestämmer fasen av den raeradierade signalen. Reflektorn, som är induktivt reaktiv, reradierar effekten 180 ° ur fas med det drivna elementet. Avståndet är inställt för att säkerställa att denna utlösare destruktiv inblandning från antennens baksida, samtidigt som det är nästan i fas med den drivna signalen utanför antennens framsida. Detta resulterar i konstruktiv störning, vilket ökar strömmen från framsidan. På samma sätt är de kapacitivt kopplade styrelseledamöterna åtskilda för att säkerställa att de sprids mer eller mindre i fas i framåtriktningen, samtidigt som man utstrålar utifrån på baksidan.

Resultatet är mycket förstärkt signal mot styrelseledamöterna, liksom nästan ingen bakom reflektorn. Förutom att påminna om att antennteorin anger att vilken typ av antenn som sänder kan också ta emot, såväl som med exakt samma egenskaper. Det spelar ingen roll om den drivna aspekten i en yagi drivs av en 100-watt-strömsändare kopplad till matarelistan, eller med några få mikrovatter som valts upp från ett avlägset TV-torn. Riktningen såväl som vinsten kommer att vara densamma. Förutom Yagis kan ha en anmärkningsvärd vinst – så mycket som 20 dBm när den är korrekt utformad.

Som användbart som YAGI-antennen är det långt ifrån perfekt. Sedan av den avgörande storleken såväl som avståndet mellan parasitiska element har Yagis en relativt smal bandbredd. Dessutom kan antennens riktning vara ett besvär, vilket behöver att antennen roteras för att peka mer eller mindre exakt vid sändaren eller mottagaren.

Men om du behöver dra i en enda avlägsna signal, är den riktningen precis vad du behöver. Yagi är en arbetshästantenn, liksom förutsatt att den har haft det är mest sannolikt rätt och bra som många har tagit för att hänvisa till det som Yagi-Uda-antennen.