Antena yagi-Uda to jedna z konstrukcji, które znacząco wpłynęły na praktyczną technologię antenową XX wieku. Jego zasada narodziła się w Japonii w połowie lat 20. ubiegłego wieku i już wtedy wykorzystywano koncepcję dobrze znaną radioamatorom: jeden element zasilany i system pasywnych, wzajemnie połączonych elementów. W roku 2026 będziemy zatem obchodzić około stulecie od powstania i pierwszych publikacji tej anteny.
Przeczytasz w artykule
Uda, Yagi i 1926
Za budową stoją Shintaro Uda i Hidetsugu Yagi z Imperial University Tohoku w Sendai w Japonii. Prace nad anteną kierunkową na fale krótkie trwały już od 1924 r. Wyniki swoich badań Uda opublikował w 1925 r., a w 1926 r. ukazała się wspólna publikacja Yagiego i Udy opisująca nową antenę kierunkową z elementami pasożytniczymi.
Yagi odegrał znaczącą rolę w międzynarodowym rozpowszechnianiu tej zasady. W 1928 roku opublikował anglojęzyczny artykuł w Proceedings of the Institute of Radio Engineers, dzięki któremu konstrukcja dotarła do szerszego grona specjalistów. To właśnie ta publikacja w znaczący sposób przyczyniła się do ugruntowania się w praktyce nazwy anteny Yagi, chociaż Uda odegrała zasadniczą rolę w faktycznym eksperymentalnym rozwoju tej zasady.
Bardziej dokładne oznaczenie Yagi-Uda przypomina zatem obu autorów. Jednak nazwa „Yagi” stała się znacznie bardziej rozpowszechniona w literaturze technicznej, a później także wśród radioamatorów.
Jak działa antena Yagi-Uda
Podstawowy Yagi-Uda ma jeden element zasilany, zwykle dipol półfalowy, i co najmniej jeden element pasożytniczy. Za grzejnikiem znajduje się odbłyśnik, przed nim jeden lub więcej reżyserów. Elementy pasożytnicze nie są galwanicznie połączone z zasilaczem. Energia przekazywana jest do nich poprzez sprzężenie elektromagnetyczne, a w elementach powstają indukowane prądy.
Długość i wzajemna odległość elementów określa fazę i amplitudę indukowanych prądów. Odbłyśnik jest zwykle dłuższy niż emiter, a reżyserki są krótsze. Wytworzone w ten sposób pola elektromagnetyczne sumują się w kierunku reżyserów i znoszą się w większym stopniu w kierunku przeciwnym. Rezultatem jest wyraźnie kierunkowy, tak zwany wzór promieniowania końcowego.
Nie jest to więc prosty „reflektor”, który mechanicznie odbijałby falę radiową. Prawidłowe działanie jest wynikiem wzajemnego połączenia elementów i stosunków fazowych ich prądów. Dlatego długości elementów i ich rozstaw mają fundamentalne znaczenie przy projektowaniu Yagi.
Wzmocnienie, F/B, szerokość listka i przepustowość
Wzmocnienie Yagi zależy od liczby elementów, ich długości, rozstawu, średnicy przewodnika i ogólnej geometrii. Dodając dyrektorów, można ogólnie zwiększyć kierunkowość i zysk, podczas gdy wkład kolejnego elementu stopniowo maleje. Ważnym parametrem jest także stosunek przód-tył F/B, czyli stosunek natężenia sygnału w kierunku głównym do sygnału z kierunku tylnego.
Wraz ze wzrostem kierunkowości zmienia się również szerokość płata głównego. Dłuższe i zoptymalizowane układy z większą liczbą elementów mogą stworzyć węższy wzór promieniowania. Nie można jednak ignorować przepustowości kosztem wysokiej kierunkowości. Yagi jest naturalnie rezonansowy, a zarówno jego wzmocnienie, jak i F/B pogarszają się poza zoptymalizowanym zakresem częstotliwości.
| Parametr | Oznaczający |
|---|---|
| Zysk | Możliwość skupienia wypromieniowanej lub odebranej energii w pożądanym kierunku. |
| Stosunek F/B | Stosunek siły sygnału w kierunku głównym do siły sygnału w kierunku tylnym. |
| Szerokość płata głównego | Kąt charakteryzujący kierunkowość anteny w kierunku głównym (zwykle dla spadku -3dB) |
| Przepustowość łącza | Zakres częstotliwości, w którym antena utrzymuje wymagane parametry. |
Wideo: zasada anteny Yagi-Uda
Techniczną interpretację zasady anteny Yagi-Uda przygotował Universitat Politècnica de València. Film wyraźnie pokazuje rolę emitera, reflektora i reżyserów oraz ich wpływ na charakterystykę promieniowania.
Od prostych Yagi po konstrukcje specjalne
Zasada Yagi-Uda umożliwia stworzenie wielu praktycznych wariantów. Klasyczny jednopasmowy Yagi może mieć tylko reflektor, emiter i jeden reżyser, ale także kilkadziesiąt elementów. W praktyce radioamatorskiej spotykane są wieloelementowe Yagi VHF i UHF o dużej kierunkowości, ale także konstrukcje wielopasmowe, w których elementy lub obwody pasywne projektowane są dla kilku zakresów częstotliwości.
Powiązane anteny kierunkowe obejmują na przykład Konstrukcje Moxona oraz różne uwięzione lub skrócone anteny. Projektując należy rozróżnić, które rozwiązanie jest jeszcze klasycznym systemem Yagi-Uda, a które już działa na innej zasadzie. Odrębną grupę reprezentują modyfikacje połączone z falowodem lub innymi konstrukcjami.
Yagi w technologii radarowej z II wojny światowej
Ważnym historycznym zastosowaniem była technologia radarowa. Anteny Yagi-Uda były używane w systemach radarowych kilku krajów podczas II wojny światowej, w tym Wielkiej Brytanii, Stanów Zjednoczonych, Niemiec i Japonii. Ich kierunkowość, prosta konstrukcja i przydatność do pracy z wyższymi częstotliwościami uczyniły je praktycznym elementem systemów radarowych, w tym radarów pokładowych.
Historyczny paradoks polega na tym, że sama nazwa „Yagi”, według źródeł historycznych, była w czasie wojny mniej znana w Japonii, niż można by się spodziewać, biorąc pod uwagę japońskie pochodzenie wzoru. Na ekspansję międzynarodową znaczący wpływ miała angielska publikacja Yagi z 1928 roku.
Wideo: Yagi i radar
Historyczny kontekst zastosowania anten Yagi w technice radarowej II wojny światowej przybliża także poniższy film poświęcony rozwojowi radarów i ich anten.
Boom telewizyjny po wojnie
Po drugiej wojnie światowej Yagi zyskały kolejny duży obszar zastosowań w odbiorze technologii telewizyjnej. Rozwój transmisji telewizyjnych w paśmie VHF, a później UHF, stworzył potrzebę stosowania anten kierunkowych o większym zysku. Dlatego Yagi masowo pojawiło się na dachach domów jednorodzinnych i stało się jedną z najsłynniejszych anten odbiorczych zewnętrznych.
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 w radiu amatorskim
Pre rádioamatérov sa Yagi-Uda stala jednou zo základných smerových antén najmä na UKF 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.
Zaletą jest także możliwość tworzenia systemów antenowych z kilku identycznych Yagi. Układanie w stosy może zwiększyć wzmocnienie i dostosować pionowy lub poziomy wzór promieniowania. Jednak w przypadku takich systemów należy precyzyjnie określić odległość między antenami, fazowaniem i zasilaniem. Obecnie w praktycznych projektach dla częstotliwości 432 MHz i 1296 MHz do weryfikacji wyników wykorzystuje się symulacje NEC i późniejsze pomiary.
Od arkuszy kalkulacyjnych po optymalizację komputerów
Pierwsze projekty powstały poprzez połączenie teorii, eksperymentu i powtarzanych pomiarów. Dziś geometrię Yagi można modelować za pomocą symulatorów elektromagnetycznych opartych np. na NEC. Program umożliwia zmianę długości elementów, ich średnic i rozstawów, a także monitorowanie wzmocnienia, impedancji, F/B i wykresu promieniowania. Dzięki temu nowoczesne projekty mogą optymalizować kilka parametrów na raz, zamiast dostrajać jeden element krok po kroku.
Symulacja nie jest jednak ostatnim krokiem w praktycznej konstrukcji. Średnica elementu, sposób montażu, wysięgnik, izolacja chłodnicy, zasilanie i tolerancje mechaniczne zmieniają właściwości elektryczne. Dlatego późniejszy pomiar impedancji i właściwości radiacyjnych rzeczywistej anteny jest również ważny dla projektowania komputera.
Dlaczego Yagi-Uda jest nadal aktualny?
Po stu latach zasada pozostaje ta sama: jeden element zasilany, elementy pasożytnicze, wzajemne sprzężenie i precyzyjnie określone fazy prądu. Zmieniły się materiały, możliwości symulacji i technika pomiaru, a nie podstawowa istota elektromagnetyczna. To połączenie prostoty mechanicznej, kierunkowości i możliwości optymalizacji sprawia, że antena Yagi-Uda jest nadal praktycznym wyborem dla amatorskich zastosowań radiowych VHF, UHF, EME i satelitarnych.