www.radartutorial.eu www.radartutorial.eu Radar Grondbeginselen

Yagi-antenne

Directors
Dipool
Reflector

Figuur 1: Onderdelen van de Yagi antenne

Directors
Dipool
Reflector

Figuur 1: Onderdelen van de Yagi antenne

Yagi-antenne

Yagi-antennes verwijzen naar longitudinale stralers en maken gebruik van elementen die door straling worden geëxciteerd. Dit type antenne is vernoemd naar een van de uitvinders, de Japanse professor Hidetsugu Yagi. De term "Yagi-Uda antennes" wordt vaak gebruikt, vooral in Franstalige literatuur. Shintaro Uda is de naam van een van de collega's van professor Yagi. Dit antenneontwerp is speciaal ontwikkeld voor het bereik van radiogolven van hoge frequenties (HF band) tot het bovenste deel van het zeer hoge frequentiebereik (VHF en UHF band). Yagi-antennes zijn erg populair vanwege hun eenvoudige ontwerp en relatief hoge versterking. Ze worden over het algemeen gecategoriseerd als zeer directionele antennes. Naast radio worden antennes van dit type ook gebruikt voor radiolocatie.

Yagi-antennes maken gebruik van de interactie tussen elementen die staande stroomgolven produceren, wat resulteert in een lopende golf met een uitgesproken stralingspatroon. Een dergelijke antenne bestaat uit een of meer actieve radiators (dipolen) en aanvullende passieve elementen. De elementen van een Yagi-antenne worden meestal aan een geleidende staaf of buis gelast die een giek wordt genoemd. Het verbindingspunt komt overeen met het midden van het element. Deze constructie is alleen bedoeld om de antenne mechanisch te versterken en heeft geen invloed op de prestaties. Omdat het actieve element centraal wordt gevoed, wordt het niet aan de steunstaaf gelast. De ingangsimpedantie van de antenne kan worden verhoogd door een lusvibrator als actief element te gebruiken.

De elementen waaruit de Yagi antenne is opgebouwd zijn weergegeven in figuur 1. De onderlinge afstanden zijn niet gelijk gekozen. Het enige antenne-element dat door de zender wordt aangeslagen is de actieve radiator. Alle andere elementen zijn passief, maar spelen een belangrijke rol bij het vormgeven van de antennestraling. De straling van de elementen telt in fase op bij voortplanting in de voorwaartse richting en in tegenfase bij voortplanting in de tegenovergestelde richting. De bandbreedte van een Yagi antenne wordt bepaald door de lengte en diameter van de elementen en de afstand ertussen. Voor de meeste ontwerpen is de bandbreedte meestal slechts een paar procent van de frequentie waarvoor de antenne is ontworpen.

De Yagi antenne in figuur 1 heeft één reflector, één dipool als actief element en drie directors. In het algemeen geldt dat hoe meer passieve elementen (directors en reflectoren) worden gebruikt, hoe hoger de versterking van de antenne is. Een groter aantal van deze elementen leidt tot een kleinere bundelbreedte van de antenne, maar tegelijkertijd tot een kleinere bandbreedte. Daarom is een goede afstemming van de antenne van groot belang. De versterking van een antenne neemt niet recht evenredig toe met de toename van het aantal gebruikte elementen. Een Yagi antenne met drie elementen heeft bijvoorbeeld een relatieve vermogenswinst van 5 tot 6 dB. Het toevoegen van een extra regisseur resulteert in een toename van deze parameter van ongeveer 2 dB. Het toevoegen van meer richtelementen heeft echter steeds minder effect.

Werkingsprincipe

Figuur 2: Een array met twee elementen met een resonantiedipool van een halve golflengte als actief element en een kortere dipool als passief element.

De functie van een richtingsdirector als parasitaire straler, 
© 2011 Christian Wolff www.radartutorial.eu

Figuur 2: Een array met twee elementen met een resonantiedipool van een halve golflengte als actief element en een kortere dipool als passief element.

Het Yagi-basiselement bestaat uit drie delen. De lengte van elk passief element verschilt van de halve golflengte die de resonantiegolflengte voor de antenne is. Als de lengte langer is (meestal ongeveer 15%), heeft het element inductieve eigenschappen en werkt het als een reflector. Als het minder is dan de halve golflengte (in stappen van 5%), heeft het element capacitieve eigenschappen en wordt het gedefinieerd als een regisseur omdat het stralingsversterking veroorzaakt in de richting van de actieve radiator naar de regisseur. Om het werkingsprincipe te begrijpen, beschouwen we een resonante dipool en voegen we er een passief element aan toe door het op een kleine afstand te plaatsen. De straling van de dipool wekt het passieve element op met een faseverschil dat wordt bepaald door de afstand ertussen. De capacitieve aard als gevolg van de kortere lengte van het passieve element resulteert in een extra vertraging van stromen en spanningen in dit element en dus in de fase van het veld dat het uitstraalt. Aangezien het faseverschil overeenkomt met de afstand tussen de elementen, zijn de twee uitgestraalde velden (actieve en passieve elementen) in de ene richting in fase en in de andere richting tegenfase. Aangezien de amplitudes van de trillingen in de antenne-elementen niet gelijk zijn, neemt de som van hun uitgestraalde velden toe in de ene richting en af in de andere richting.

Figuur 3: Yagi-antenne met drie elementen, superpositie van oscillaties veroorzaakt door het actieve element, de reflector en de director

Yagi-antenne met drie elementen, superpositie van oscillaties veroorzaakt door het actieve element, de reflector en de director, 
© 2011 Christian Wolff www.radartutorial.eu

Figuur 3: Yagi-antenne met drie elementen, superpositie van oscillaties veroorzaakt door het actieve element, de reflector en de director

Het verschijnen van een enkele transversale bundel met behulp van één actieve radiator en één passief element suggereert dat er nog meer winst kan worden behaald door de reflector en regisseur aan weerszijden van de actieve radiator te gebruiken. Dit is inderdaad het geval. Een Yagi antenne met drie elementen heeft een versterking van wel 6 dB. In de reflector, die een lengte heeft die groter is dan de halve golflengte, wordt een stroom geïnduceerd die op zijn beurt de bron is van de golf die de golf van de actieve radiator dempt. De regisseurs zijn iets korter, hun weerstand is capacitief van aard en ze moeten iets minder dan een halve golflengte uit elkaar staan om ervoor te zorgen dat de golven van de actieve vibrator en van de regisseurs in fase zijn. De versterking van een Yagi antenne kan worden verhoogd door het aantal elementen te vergroten, maar elk nieuw extra element zal steeds minder bijdragen. Bij een matig aantal elementen is de voorwaartse versterking evenredig met dat aantal.

Een array van Yagi-elementen kan worden beschreven als een langzame-golfstructuur. Daarom worden Yagi-antennes gecategoriseerd als lopende-golfantennes. In een dergelijke structuur wordt een niet afnemende golf in de voorwaartse richting gehandhaafd en hebben de stromen in de regisseurs ongeveer dezelfde waarde, zij het met toenemende fasevertraging. De fasesnelheid van de golf ligt in dit geval tussen 0,7 en 0,9 van de lichtsnelheid.

Figuur 4: Driedimensionale weergave van het patroon van de Yagi-antenne met 8 elementen inclusief een lusvibrator gevoed met 11 dBm vermogen.

Figuur 4: Driedimensionale weergave van het patroon van de Yagi-antenne met 8 elementen inclusief een lusvibrator gevoed met 11 dBm vermogen

P-18 in Greding 
(klik om te vergroten:  700·560px = 85 kByte)

Figuur 5. Radar met een Yagi antenne array (P-18 „Spoon Rest D“) met een antenneversterking van G = 18,4 dB