Antenele Yagi-Uda – punând teoria în practică – modele personalizate!

Antena Yagi-Uda sau Yagi este unul din cele mai cunoscute modele de antenă. În ciuda construcției relativ simple, are un câștig mare, deobicei mai mare de 10dB. Antenele Yagi-Uda pot funcționa în benzile FIF și UIF (de la 3MHz la 3GHz) dezavantajul fiind câștigul mare într-o bandă relativ îngustă.

Conceptul antenei Yagi-Uda a fost inventat în Japonia de Shintaro Uda în 1926 și publicat în Japonia. Lucrarea a fost prezentată pentru prima dată în engleză de profesorul Yagi care prin mutarea sa în America a ajutat la răspândirea conceptului.

Geometria de bază a antenei Yagi-Uda este prezentată în diagrama de mai jos. Antena are numai un singur element activ, în mod normal un dipol in semiundă (lambda/ 2) sau dipol închis. Înseamnând că numai acest element (W) al structurii va fi activ (conectat la un generator de semnal sau receptor). Restul de elemenți sunt parazitici (radiatori pasivi) și ajută la direcționarea energiei și astfel la conturarea fasciculului într-o direcție anume. Dipolul este aproape întotdeauna al doilea element de la coadă (partea din stânga diagramei), cu o lungime potrivită pentru a rezona în frecvența de funcționare (în prezența elementelor pasive lungimea optimă a dipolului este uneva între 0.45 și 0.48 a lungimii de undă).

Geometria antenelor Yagi-Uda

Elementul din spatele dipolului este reflectorul (R). Lungimea reflectorului este mai mare decât a elementului activ. Creşterea numărului de reflectori nu produce creşteri de câştig importante. Rolul cel mai important al reflectorilor este creşterea raportului faţă-spate al antenei. Reflectorul cum îi spune şi numele, reflectă radiaţia antenei într-o anumită direcţie (prelungind lobii frontali) şi în cazul recepţiei maschează semnalele venite din spatele antenei care pot deranja recepţia.
Lungimea mai mare a reflectorului în raport cu elementul activ are două avantaje. Primul, elementul lung reflectă unda mai eficient, astfel încât câștigul antenei va crește. Al doilea, dacă reflectorul este mai lung decât dipolul, impedanța va avea un caracter inductiv (faza tensiunii de-a lungul reflectorului este înaintea curentului). În cazul directoarelor (D1, D2,…. – componentele parazite aflate în dreapta dipolului W), care sunt mai scurte decât dipolul, impedanța este capacitivă (curent înainte de tensiune). O astfel de distribuție a impedanței elementelor duce la o progresie fază în lungul axului antenei, ceea ce face ca antena să radieze axial.

De obicei, numărul de directori variază de la 1 la 20, în funcție de câștigul necesar și mărimea admisibilă a antenei. Distanțele dintre directori sunt, in mod normal, constante, iar lungimile directorilor scad odată cu creșterea distanței lor față de dipol, pentru distribuția impedanței necesare, descrisă mai sus.

Cel mai des întâlnit element activ al antenelor Yagi-Uda este dipolul închis. Conturul dipolului închis (imaginea de jos) este un dreptunghi în care una dintre laturi este mult mai scurtă decât celălaltă (d << L).

Schița unui dipol închis

Dipol pliat poate fi analizat ca două linii de transmisie scurt-circuitate paralele cu lungimi de L/2 (separate în mijloc de linia de alimentare). Deci, impedanța dipolului pliat depinde de impedanța liniei de transmisie. Deasemenea, deoarece curenții se susțin reciproc în loc de anulare (ca la dipolul jumătate de undă), impedanța de intrare depinde deasemenea de impedanța liniei de transmisie cu lungimea L.

Simetrizatorul sau adaptorul de impedanţă sau balunul. Balunul de mai jos a fost proiectat şi realizat pe un circuit imprimat de cupru FR4 cu grosime de h = 1.52 mm, caracterizat de permitivitatea relativă εr = 4.4. Configurația balunului este prezentată în figura de mai jos. Protecţia la supratensiuni DC a fost implementată prin două bobine de impedanţă mare legate la masă. Nu au fost necesare linii de ieșire în 50 ohm, pentru că sarcina din bucla antenei va garanta potrivirea impedanței. Această soluție a ajutat la reducerea dimensiunii balunului.

Vedere a balunului cu protecție

Antena Yagi de mai jos a fost concepută cu ajutorul unui program specializat în proiectarea şi optimizarea antenelor. Ţelul acestui proiect a fost crearea unei antene Yagi-Uda cu un dipol închis printat pe PCB, treisprezece directori și un singur reflector, pentru funcţionarea în banda de 2 Ghz. Geometria antenei este prezentă în schema de mai jos, iar următoarea schemă prezintă circuitul printat cu dipolul închis conectat la simetrizator. Simulările modelului de radiații la 2 GHz, VSWRul și câștigul antenei în funcţie de frecvență sunt afișate în urmatoarea secvență de desene. Poate fi notat că la centru frecvenței (2 GHz) câștigul antenei este de aproximativ 17 dBi și valoarea VSWR nu depăşeşte 1.15.

Vedere 3D a exemplului de antenă Yagi-Uda

Vedere a circuitului imprimat cu dipolul închis și balun

Modelul de radiații la 2 GHz

VSWR (simulare) în frecvențele 1800-2200 MHz

Câştig (simulare) în frecvențele 1800-2200 MHz