Что такое антенна Яги и как она работает. Каковы основные элементы конструкции антенны Яги. Какие преимущества дает использование антенны Яги. Где применяются антенны Яги.
Что такое антенна Яги и история ее создания
Антенна Яги, также известная как антенна Яги-Уда, представляет собой направленную антенну, состоящую из нескольких параллельных элементов, расположенных вдоль оси. Она была изобретена в 1926 году в Японии исследователями Синтаро Уда и Хидецугу Яги.
Основные особенности антенны Яги:
- Высокая направленность излучения
- Большой коэффициент усиления (до 20 дБ)
- Простая конструкция
- Узкая полоса рабочих частот
Благодаря своим характеристикам, антенны Яги получили широкое распространение в различных областях радиосвязи и радиолокации.
Принцип работы антенны Яги
Принцип работы антенны Яги основан на взаимодействии нескольких элементов:
- Активный вибратор — единственный элемент, к которому подключается питание
- Директоры — более короткие пассивные элементы, расположенные перед активным вибратором
Активный вибратор излучает электромагнитные волны, которые наводят токи в пассивных элементах. Рефлектор отражает волны в направлении директоров, а директоры переизлучают их в прямом направлении. За счет правильного подбора размеров и расстояний между элементами достигается сложение волн в фазе в нужном направлении.
Основные характеристики антенны Яги
Ключевые параметры, определяющие работу антенны Яги:
- Коэффициент усиления — показывает, во сколько раз увеличивается мощность сигнала по сравнению с изотропным излучателем
- Диаграмма направленности — характеризует распределение излучаемой мощности в пространстве
- Ширина главного лепестка — угол, в пределах которого излучается основная мощность
- Уровень боковых лепестков — показывает долю мощности, излучаемой в нежелательных направлениях
- Отношение вперед/назад — отношение максимума излучения в прямом и обратном направлениях
Преимущества и недостатки антенны Яги
Основные преимущества антенны Яги:
- Высокий коэффициент усиления
- Хорошая направленность излучения
- Простота конструкции
- Относительно небольшие размеры
- Низкая стоимость
Недостатки антенны Яги:
- Узкая полоса рабочих частот
- Необходимость точной настройки
- Зависимость характеристик от погодных условий
Области применения антенн Яги
Антенны Яги широко используются в следующих областях:
- Телевизионное и радиовещание
- Мобильная связь
- Радиолюбительская связь
- Радиолокация
- Беспроводные компьютерные сети
- Системы радионавигации
Благодаря направленности и высокому усилению, антенны Яги позволяют увеличить дальность связи и улучшить качество приема сигнала в указанных применениях.
Конструкция и расчет антенны Яги
При проектировании антенны Яги необходимо рассчитать следующие параметры:
- Длина активного вибратора (обычно λ/2)
- Длина рефлектора (на 5-10% больше активного вибратора)
- Длина директоров (на 5-10% меньше активного вибратора)
- Расстояние между элементами (обычно 0.1-0.3λ)
- Количество директоров (определяет усиление)
Расчет выполняется с учетом требуемой рабочей частоты, коэффициента усиления и других характеристик. Для оптимизации конструкции часто применяют компьютерное моделирование.
Сравнение антенны Яги с другими типами антенн
Как антенна Яги соотносится с другими распространенными типами антенн?
- По сравнению с дипольной антенной Яги обеспечивает значительно большее усиление и направленность
- Антенна Яги компактнее параболической антенны при сопоставимом усилении
- По сравнению с фазированной решеткой Яги проще и дешевле, но имеет фиксированную диаграмму направленности
- Логопериодическая антенна имеет более широкую полосу частот, чем Яги, но меньшее усиление
Выбор типа антенны зависит от конкретных требований применения — необходимого усиления, рабочей полосы частот, допустимых габаритов и стоимости.
Модификации и улучшения антенны Яги
Существуют различные способы улучшения характеристик базовой конструкции антенны Яги:
- Применение нескольких активных вибраторов для расширения полосы частот
- Использование изогнутых директоров для уменьшения габаритов
- Оптимизация формы директоров для снижения уровня боковых лепестков
- Добавление рефлекторного экрана для увеличения коэффициента усиления
- Применение фрактальной геометрии элементов для работы в нескольких диапазонах
Данные модификации позволяют улучшить отдельные характеристики антенны Яги, сохраняя ее основные преимущества — простоту и эффективность.
Основы радиолокации — Антенна Яги (волновой канал)
Антенна Яги (волновой канал)
директоры
активный
вибратор
рефлектор
Рисунок 1. Составные элементы антенны Яги
директоры
активный
вибратор
рефлектор
Рисунок 1. Составные элементы антенны Яги
Антенна Яги (волновой канал)
Антенны Яги относятся к продольным излучателям и используют в своем составе элементы, возбуждаемые излучением.
Этот тип антенн получил свое название по имени одного из его изобретателей, японского профессора Яги.
Иногда используется наименование «антенны Яги-Уда»,
а в русскоязычных источниках такие антенны называют антеннами типа «волновой канал».
Эта конструкция антенн была специально разработана для диапазона радиоволн от высоких частот
(ВЧ, HF)
до верхней части диапазона очень высоких частот
(ОВЧ, UHF).
Антенны Яги очень популярны по причине простоты их конструкции и относительно высокого коэффициента усиления.
Как правило, их относят к высоконаправленным антеннам.
Помимо радио, антенны этого типа применяются и в радиолокации.
В антеннах Яги используется взаимодействие между элементами, в которых возникают стоячие волны тока, в результате чего возникает бегущая волна с выраженной диаграммой направленности. Такая антенна состоит из одного или нескольких активных вибраторов (диполей) и дополнительных пассивных элементов. Элементы антенны Яги обычно привариваются к проводящему стержню или трубке, называемому стрелой. Точка соединения соответствует средине элемента. Такая конструкция имеет целью только обеспечение механической прочности антенны и не влияет на ее рабочие характеристики. Поскольку активный элемент имеет ценральное питание, он не приваривается к опорному стержню. Входной импеданс антенны может быть увеличен путем использования петлевого вибратора в качестве активного элемента.
Элементы, из которых состоит антенна Яги, показаны на Рисунке 1.
Антенна Яги, изображенная на Рисунке 1, имеет один рефлектор, один петлевой вибратор в качестве активного элемента и три директора.
В общем, чем больше используется пассивных элементов (директоров и рефлекторов), тем выше коэффициент усиления антенны.
Увеличение количества этих элементов приводит к уменьшению ширины луча антенны, но, вместе с этим, и к сужению ее
полосы частот.
Принцип действия
Рисунок 2. Двухэлементная решетка из полуволнового резонансного диполя в качестве активного элемента и более короткого диполя в качестве пассивного элемента
Рисунок 2. Двухэлементная решетка из полуволнового резонансного диполя в качестве активного элемента и более короткого диполя в качестве пассивного элемента
Основной элемент Яги имеет три составные части.
Длина каждого пассивного элемента отличается от половины длины волны, являющейся резонансной для антенны.
Если она больше (обычно на величину около 15 процентов), то такой элемент имеет индуктивные свойства и работает как рефлектор.
Если же длина элемента меньше половины длины волны (с шагом 5 процентов),
то элемент имеет емкостные свойства и определяется как директор,
поскольку он вызывает усиление излучения в направлении от активного вибратора к директору.
Для понимания принципа действия рассмотрим резонансный
диполь
и добавим к нему пассивный элемент, расположив его на небольшом расстоянии.
Излучение диполя вызывает возбуждение пассивного элемента, причем с разностью фаз, определяемой расстоянием между ними.
Емкостной характер из-за меньшей длины пассивного элемента приводит к дополнительной задержке токов и напряжений в этом элементе и, соответственно,
в фазе излучаемого им поля. Поскольку разность фаз соответствует расстоянию между элементами,
то оба излучаемых поля (активного и пассивного элементов) синфазны в одном направлении и противофазны в другом направлении.
Рисунок 3. Трехэлементная антенна Яги, суперпозиция колебаний, вызванных активным элементом, рефлектором и директором
Рисунок 3. Трехэлементная антенна Яги, суперпозиция колебаний, вызванных активным элементом, рефлектором и директором
Возникновение одного поперечного луча при использовании одного активного вибратора и одного пассивного элемента позволяет предположить,
что еще большее усиление может быть достигнуто использованием рефлектора и директора по разные стороны от активного вибратора.
В действительности так и есть.
Трехэлементная антенна Яги имеет
коэффициент усиления,
достигающий 6 дБ.
В рефлекторе, имеющем длину больше половины длины волны, индуцируется ток, который, в свою очередь, является источником волны, гасящей волну от активного вибратора.
Массив элементов Яги можно описать как структуру с медленной волной. Поэтому антенны Яги относятся к категории антенн бегущей волны. В такой структуре поддерживается неубывающая волна в прямом направлении, а токи в директорах имеют примерно одиноковые значения, хотя и с увеличивающейся фазовой задержкой. Фазовая скорость волны в этом случае составляет от 0,7 до 0,9 скоростей света.
Figure 4: 3D representation of the antenna pattern of a Yagi antenna having 8 elements including folded dipole fed with a power of 11 dBm
Рисунок 4.
Трехмерное представление диаграммы направленности антенны Яги, имеющей 8 элементов, включая петлевой вибратор, запитываемый мощностью
11 дБм
Рисунок 5. Радиолокатор, в котором используется решетка антенн Яги (П-18 «Терек», по классификации НАТО «Spoon Rest D») с коэффициентом усиления G = 69
Какая антенна лучше? Антенна Yagi или всенаправленная?
Мы получаем много вопросов о том, какие антенны выбрать при выборе усилителя сигнала, и на самом деле нет простого ответа, который мы можем предложить для всех случаев. Итак, мы собираемся уделить минуту, чтобы поговорить о некоторых наиболее распространенных ситуациях, о которых мы слышим, и о том, когда лучше всего использовать антенну Yagi, логопериодическую или всенаправленную антенну.
Что такое антенна Яги?
Во-первых, наверное, полезно знать, что такое антенна Yagi. Антенны Yagi — это мощные направленные антенны, разработанные в Японии в 1926 году. Обычно они состоят из нескольких параллельных элементов, расположенных вдоль линии.
Это создает мощный эффект фокусировки сигнала в определенном направлении. Некоторые из самых мощных антенн Yagi могут добавить до 20 дБ усиления к системе, на которую они настроены, и чем больше стержней проходит перпендикулярно первому массиву, тем мощнее будет антенна.
Антенны Yagi являются одними из наиболее распространенных направленных антенн, однако существуют также логопериодические антенны, и, возможно, это та, с которой люди больше всего знакомы. Все эти направленные антенны имеют высокий коэффициент усиления и обычно обеспечивают наилучший сигнал для всего, что работает на радиочастоте.
Хотя настроить антенну Yagi сложнее, чем всенаправленную антенну, это только потому, что всенаправленные антенны чрезвычайно просты в установке. Чтобы правильно установить антенну Yagi, вам просто нужно сориентировать ее на вышку, с которой вы пытаетесь получить сигнал, поэтому, если у вас есть хорошее представление (или вы можете использовать Интернет), где находится ближайшая к вам вышка сотовой связи, вы можете легко настроить Yagi или другую направленную антенну.
Стоит отметить, что антенна Яги (волновой канал) имеет узкий диапазон частот и не может применяться в мультидиапазонных системах.
Всенаправленные антенны
Всенаправленные антенны являются менее мощными из двух типов антенн, однако они обменивают меньшую мощность на полезность и простоту использования. В то время как антенна Yagi или другая направленная антенна будет принимать сигнал только с одного узкого направления, всенаправленные антенны могут принимать сигнал из любого другого места. Фактически, именно это делает всенаправленные антенны идеальными для большинства применений. Несмотря на то, что каждый хочет получить наилучший сигнал, часто всенаправленные антенны обеспечивают более чем адекватное усиление с гораздо более простой настройкой, чем использование антенны Yagi или другого варианта направленной антенны с возможностью приема сигнала из нескольких источников.
Выбор между Yagi (или другой направленной антенной) и многонаправленной антенной
На самом деле все сводится к тому, какое усиление сигнала вам нужно.
Если вы получаете действительно хороший сигнал снаружи, почти всегда лучше просто получить всенаправленную антенну, потому что она будет принимать сигнал с разных направлений и вышек, а также ее проще установить.
Однако, если вы получаете очень плохой сигнал (1-2 полоски), лучшим решением будет приобретение антенны Yagi или другой направленной антенны. Хотя для этого потребуется дополнительная настройка, при правильной установке она обеспечит наилучший результат в условиях плохого сигнала.
Основы » Заметки по электронике
Понимание некоторых основ теории антенн Yagi может помочь в их использовании, эксплуатации и проектировании.
Антенна Yagi включает:
Антенна Yagi
Теория антенны Яги и расчеты
Усиление и направленность антенны Yagi
Сопротивление подачи Yagi и согласование
Подробно Теория антенны Yagi может быть сложной, но базовое понимание того, как работает антенна Yagi, может дать достаточно информации для многих приложений и для основных целей проектирования.
При понимании основной теории антенны Яги различные элементы антенны Яги реагируют сложным и взаимосвязанным образом.
Антенна Yagi Uda с указанием типов элементов
Теория антенны Yagi — основы
Одним из основных ключей к пониманию теории Яги является знание фаз токов, протекающих в различных элементах антенны.
Паразитные элементы антенны Яги переизлучают свои сигналы в фазе, немного отличающейся от фазы ведомого элемента. Таким образом, сигнал усиливается в одних направлениях и подавляется в других.
Поскольку дополнительные антенные элементы в Yagi не управляются напрямую, а потребляют мощность от ведомого элемента, эти дополнительные элементы называются паразитными элементами.
Антенна Yagi Uda, показывающая направление максимального излучения Одним из ограничений конструкции антенн Yagi является то, что мощность этих дополнительных элементов не передается напрямую. Соответственно амплитуда и фаза индуцированного тока не могут полностью контролироваться.
Это зависит от их длины и расстояния между ними и диполем или ведомым элементом.
Это означает, что невозможно получить полную компенсацию в одном направлении. Тем не менее, все еще возможно получить высокую степень усиления в одном направлении и иметь высокий уровень усиления, а также иметь высокую степень подавления в другом, чтобы обеспечить хорошее соотношение фронта к тылу. Антенна Yagi способна обеспечить очень полезные уровни усиления и отношения фронта к тылу.
Основная концепция антенны Yagi
с более длинным рефлектором и более короткими директорами, чем ведомый элемент)
Для получения необходимого фазового сдвига элемент можно сделать как индуктивным, так и емкостным. Каждый тип реактивного сопротивления имеет различный эффект.
- Индуктивный: Если паразитный элемент сделать индуктивным, обнаруживается, что наведенные токи находятся в такой фазе, что они отражают мощность от паразитного элемента. Это заставляет радиочастотную антенну излучать большую мощность в направлении, противоположном этой форме паразитного элемента.
Элемент, который делает это, называется отражателем.Элемент можно сделать индуктивным, настроив его ниже резонанса. Это можно сделать, физически добавив некоторую индуктивность в виде катушки или, чаще, сделав ее длиннее резонансной длины. Обычно он делается примерно на 5% длиннее ведомого элемента, поскольку это снижает затраты и сохраняет элемент механически как единое целое, что делает его дешевле и прочнее.
Всегда используется только один отражатель. Добавление дополнительных отражателей не дает заметной разницы.
- Емкостный: Если паразитный элемент сделать емкостным, обнаружится, что наведенные токи находятся в такой фазе, что они направляют мощность, излучаемую всей антенной, в направлении паразитного элемента. Элемент, который делает это, называется директором. Его можно сделать емкостным, настроив его выше резонанса. Это можно сделать, физически добавив некоторую емкость к элементу в виде конденсатора или, что чаще всего, сделав его примерно на 5% короче, чем управляемый элемент.
Обнаружено, что добавление дополнительных директоров увеличивает направленность антенны, увеличивая коэффициент усиления и уменьшая ширину луча. Длина сменяющих друг друга директоров немного сокращается.
Элемент, который делает это, называется отражателем.
Подводя итог теории директоров и отражателей антенны Yagi:
Краткий обзор размеров элементов антенны Yagi Распространение радио Ионосферное распространение Грунтовая волна Разброс метеоров Тропосферное распространение Основы антенны Кубический четырехугольник Диполь Отключить Ферритовый стержень Логопериодическая антенна Антенна с параболическим отражателем Антенны с фазированной решеткой Вертикальные антенны Яги Заземление антенны телевизионные антенны Коаксиальный кабель Волновод КСВ Антенные балуны MIMO
Вернитесь в меню «Антенны и распространение». . .
Это просто
построить и имеет высокую
усиление, обычно превышающее 10 дБ.
Антенны Яги-Уда обычно работают в диапазонах от ВЧ до УВЧ.
(от 3 МГц до 3 ГГц), хотя их
пропускная способность обычно мала,
порядка нескольких процентов от центральной частоты. Вы, вероятно, знакомы с этой антенной, так как они расположены сверху
везде крыши. Пример антенны Яги-Уда показан ниже.
Этот
приводит к тому, что массив обозначается как антенна бегущей волны. Выбрав
таким образом, антенна Яги-Уда становится торцевой решеткой — излучение идет вдоль оси +y
как показано на рисунке 1.
Облучающий элемент представляет собой полуволновой
диполь, укороченный до резонансного (усиление = 2,15 дБ). Коэффициент усиления в зависимости от разделения равен
показано на рис. 2.
