Die Yagi-Uda-Antenne gehört zu den Konstruktionen, die die praktische Antennentechnik des 20. Jahrhunderts maßgeblich beeinflusst haben. Sein Prinzip entstand Mitte der 20er Jahre des letzten Jahrhunderts in Japan und nutzte schon damals eine Idee, die Funkamateuren wohlbekannt ist: ein angetriebenes Element und ein System passiver, miteinander verbundener Elemente. Im Jahr 2026 begehen wir daher rund ein Jahrhundert seit der Entstehung und ersten Veröffentlichung dieser Antenne.
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Uda, Yagi und 1926
Hinter dem Bau stehen Shintaro Uda und Hidetsugu Yagi von der Tohoku Imperial University in Sendai, Japan. Bereits seit 1924 wurde an einer Richtantenne für Kurzwellen gearbeitet. Uda veröffentlichte die Ergebnisse seiner Forschung 1925, 1926 folgte eine gemeinsame Veröffentlichung von Yagi und Uda, in der eine neue Richtantenne mit parasitären Elementen beschrieben wurde.
Yagi spielte eine bedeutende Rolle bei der internationalen Verbreitung des Prinzips. 1928 veröffentlichte er einen englischsprachigen Artikel in den Proceedings of the Institute of Radio Engineers, wodurch der Bau einer breiteren Fachöffentlichkeit bekannt wurde. Es war diese Veröffentlichung, die maßgeblich dazu beitrug, dass sich der Name Yagi-Antenne in der Praxis durchsetzte, obwohl Uda maßgeblich an der eigentlichen experimentellen Entwicklung des Prinzips beteiligt war.
Die genauere Bezeichnung Yagi-Uda erinnert daher an beide Autoren. Allerdings verbreitete sich der Name „Yagi“ deutlich weiter in der Fachliteratur und später auch unter Funkamateuren.
So funktioniert die Yagi-Uda-Antenne
Ein einfacher Yagi-Uda verfügt über ein angetriebenes Element, normalerweise einen Halbwellendipol, und mindestens ein parasitäres Element. Hinter dem Strahler befindet sich ein Reflektor, davor ein oder mehrere Direktoren. Parasitäre Elemente sind nicht galvanisch mit der Stromversorgung verbunden. Durch elektromagnetische Kopplung wird Energie auf sie übertragen und es entstehen induzierte Ströme in den Elementen.
Die Länge und der gegenseitige Abstand der Elemente bestimmen die Phase und Amplitude der induzierten Ströme. Der Reflektor ist normalerweise länger als der Emitter und die Direktoren sind kürzer. Die so entstehenden elektromagnetischen Felder addieren sich in Richtung der Direktoren und heben sich in der Gegenrichtung stärker auf. Das Ergebnis ist ein deutlich gerichtetes, sogenanntes End-Fire-Strahlungsmuster.
Es handelt sich also nicht um einen einfachen „Reflektor“, der die Radiowelle mechanisch reflektieren würde. Die korrekte Funktion ist das Ergebnis der gegenseitigen Verbindung der Elemente und der Phasenverhältnisse ihrer Ströme. Deshalb sind die Längen der Elemente und deren Abstände bei der Gestaltung der Yagi von grundlegender Bedeutung.
Verstärkung, F/B, Keulenbreite und Bandbreite
Die Yagi-Verstärkung hängt von der Anzahl der Elemente, ihrer Länge, ihrem Abstand, dem Leiterdurchmesser und der Gesamtgeometrie ab. Durch die Hinzufügung von Direktoren können Direktionalität und Gewinn im Allgemeinen erhöht werden, während der Beitrag des nächsten Elements allmählich abnimmt. Ein wichtiger Parameter ist auch das Front-Back-F/B-Verhältnis, also das Verhältnis der Signalintensität in der Hauptrichtung zum Signal aus der hinteren Richtung.
Mit zunehmender Direktionalität ändert sich auch die Breite der Hauptkeule. Längere und optimierte Arrays mit mehr Elementen können ein schmaleres Strahlungsmuster erzeugen. Allerdings darf die Bandbreite nicht auf Kosten einer hohen Richtwirkung vernachlässigt werden. Der Yagi ist von Natur aus resonant und sowohl seine Verstärkung als auch sein F/B verschlechtern sich außerhalb des optimierten Frequenzbereichs.
| Parameter | Bedeutung |
|---|---|
| Profitieren | Die Fähigkeit, abgestrahlte oder empfangene Energie in die gewünschte Richtung zu fokussieren. |
| F/B-Verhältnis | Das Verhältnis der Signalstärke in der Hauptrichtung zur Signalstärke aus der hinteren Richtung. |
| Die Breite des Hauptlappens | Der Winkel, der die Richtwirkung der Antenne in die Hauptrichtung charakterisiert (normalerweise für einen Abfall von -3 dB) |
| Bandbreite | Der Frequenzbereich, in dem die Antenne die erforderlichen Parameter beibehält. |
Video: Das Prinzip der Yagi-Uda-Antenne
Die technische Interpretation des Yagi-Uda-Antennenprinzips wurde von der Universitat Politècnica de València erstellt. Das Video zeigt deutlich die Rolle des Emitters, des Reflektors und der Direktoren und ihre Wirkung auf das Strahlungsmuster.
Von der einfachen Yagi bis hin zu Sonderkonstruktionen
Durch das Yagi-Uda-Prinzip sind viele praktische Varianten möglich. Ein klassischer Single-Band-Yagi verfügt möglicherweise nur über einen Reflektor, einen Emitter und einen Direktor, aber auch über Dutzende Elemente. In der Funkamateurpraxis gibt es Multielement-VHF- und UHF-Yagis mit hoher Richtwirkung, aber auch Multiband-Konstruktionen, bei denen Elemente oder passive Schaltungen für mehrere Frequenzbereiche ausgelegt sind.
Verwandte Richtantennen sind z. B Moxon-Konstruktionen und verschiedene gefangene oder verkürzte Antennen. Beim Entwurf muss unterschieden werden, welche Lösung noch ein klassisches Yagi-Uda-System ist und welche bereits ein anderes Prinzip nutzt. Eine separate Gruppe stellen Modifikationen in Kombination mit Wellenleiter- oder anderen Strukturen dar.
Yagi in der Radartechnologie des Zweiten Weltkriegs
Eine wichtige historische Verwendung war die Radartechnologie. Yagi-Uda-Antennen wurden während des Zweiten Weltkriegs in den Radarsystemen mehrerer Nationen eingesetzt, darunter im Vereinigten Königreich, den Vereinigten Staaten, Deutschland und Japan. Ihre Richtwirkung, einfache Konstruktion und Eignung für höhere Frequenzen haben sie zu einem praktischen Element von Radarsystemen, einschließlich Flugradaren, gemacht.
Das historische Paradox besteht darin, dass der Name „Yagi“ selbst historischen Quellen zufolge während des Krieges in Japan weniger bekannt war, als angesichts der japanischen Herkunft des Designs zu erwarten wäre. Die internationale Expansion wurde maßgeblich durch die englische Veröffentlichung von Yagi ab 1928 beeinflusst.
Video: Yagi und Radar
Den historischen Kontext des Einsatzes von Yagi-Antennen in der Radartechnik des Zweiten Weltkriegs wird auch durch das folgende Video näher gebracht, das sich der Entwicklung von Radargeräten und ihren Antennen widmet.
Fernsehboom nach dem Krieg
Nach dem Zweiten Weltkrieg erlangte die Yagi ein weiteres großes Einsatzgebiet in der Fernsehempfangstechnik. Die Entwicklung der VHF- und später der UHF-Fernsehübertragung führte zu einem Bedarf an Richtantennen mit höherem Gewinn. Daher tauchte Yagi massenhaft auf den Dächern von Einfamilienhäusern auf und wurde zu einer der berühmtesten Empfangsantennen für den Außenbereich.
Televízne Yagi zároveň ukázali jeden zo základných kompromisov konštrukcie: vysoká smerovosť a zisk sú spojené s obmedzenou šírkou pásma. S rastúcim počtom televíznych kanálov a požiadavkou na širší frekvenčný rozsah sa preto začali presadzovať aj širokopásmové konštrukcie, napríklad log-periodické antény.
Yagi im Amateurfunk
Pre rádioamatérov sa Yagi-Uda stala jednou zo základných smerových antén najmä na UKW a vyšších frekvenciách. Na 144 MHz, 432 MHz a 1296 MHz umožňuje relatívne jednoduchou mechanickou konštrukciou dosiahnuť smerovosť potrebnú pre DX, contesting, meteor scatter, EME a satelitnú prevádzku.
Ein Vorteil ist auch die Möglichkeit, Antennensysteme aus mehreren identischen Yagis zu erstellen. Durch Stapeln kann die Verstärkung erhöht und das vertikale oder horizontale Strahlungsmuster angepasst werden. Allerdings müssen bei solchen Systemen der Abstand zwischen den Antennen, die Phasenlage und die Stromversorgung genau gelöst werden. Praktische Designs für 432 MHz und 1296 MHz nutzen heute NEC-Simulationen und anschließende Messungen, um das Ergebnis zu verifizieren.
Von Tabellenkalkulationen bis zur Computeroptimierung
Die ersten Entwürfe entstanden durch eine Kombination aus Theorie, Experiment und wiederholten Messungen. Heutzutage kann die Yagi-Geometrie durch elektromagnetische Simulatoren modelliert werden, die beispielsweise auf NEC basieren. Mit dem Programm können Sie die Länge der Elemente, deren Durchmesser und Abstand ändern sowie Verstärkung, Impedanz, F/B und Strahlungsdiagramm überwachen. Somit können moderne Designs mehrere Parameter gleichzeitig optimieren, anstatt ein Element Schritt für Schritt abzustimmen.
Allerdings ist die Simulation nicht der letzte Schritt in der praktischen Konstruktion. Elementdurchmesser, Montageart, Ausleger, Kühlerisolierung, Stromversorgung und mechanische Toleranzen verändern die elektrischen Eigenschaften. Daher ist die anschließende Messung der Impedanz und Strahlungseigenschaften der realen Antenne auch für den Computerentwurf wichtig.
Warum ist Yagi-Uda immer noch relevant?
Auch nach hundert Jahren ist das Prinzip dasselbe: ein angetriebenes Element, parasitäre Elemente, gegenseitige Kopplung und genau definierte Stromphasen. Die Materialien, Simulationsmöglichkeiten und Messtechnik haben sich geändert, nicht jedoch das grundlegende elektromagnetische Wesen. Es ist die Kombination aus mechanischer Einfachheit, Richtwirkung und der Möglichkeit der Optimierung, die die Yagi-Uda-Antenne immer noch zu einer praktischen Wahl für Amateurfunk-VHF-, UHF-, EME- und Satellitenanwendungen macht.