Yagi-Uda-antenni ja sen suunnittelumenetelmä

Yagi-Uda Antenna on suunnattu antenni, jota käytetään laajalti radioviestinnässä, ja se on tunnettu korkeasta vahvistuksestaan, voimakkaasta suuntaavuudestaan ​​ja suhteellisen yksinkertaisesta rakenteestaan. Japanilaisten tiedemiesten Hidetsugu Yagi ja Shintaro Uda keksivät 1920-luvulla, ja sitä käytetään pääasiassa sellaisilla aloilla kuin televisiovastaanotto, radioviestintä ja tutkajärjestelmät. Tässä artikkelissa käsitellään Yagi-Uda-antennin perusperiaatteita, rakenteellista koostumusta ja suunnittelumenetelmiä.

I. Yagi-Uda-antennin perusperiaatteet

Yagi-Uda-antenni on lopputuliantenniryhmä ja sen toimintaperiaate perustuu sähkömagneettisten aaltojen säteilyyn ja vastaanottoon. Se saavuttaa suunnatun säteilyn useiden rinnakkaisten oskillaattorien (yleensä metallisauvojen) kautta. Nämä oskillaattorit sisältävät yhden aktiivisen elementin (tyypillisesti puoliaaltodipolin) ja useita passiivisia elementtejä (mukaan lukien heijastimet ja ohjaimet). Aktiivinen elementti on kytketty suoraan syöttölaitteeseen ja on vastuussa sähkömagneettisten aaltojen lähettämisestä tai vastaanottamisesta; passiiviset elementit ovat vuorovaikutuksessa aktiivisen elementin kanssa sähkömagneettisen kytkennän kautta sähkömagneettisten aaltojen säteilysuunnan säätämiseksi.

Yagi-Uda-antennin suuntaavuus riippuu pääasiassa passiivielementtien sijoittelusta ja pituudesta. Heijastin sijaitsee aktiivisen elementin takana, yleensä hieman pidempi kuin aktiivinen elementti, ja sitä käytetään heijastamaan sähkömagneettisia aaltoja antennin eteenpäin suuntautuvan säteilyn tehostamiseksi. Ohjain sijaitsee aktiivisen elementin edessä, yleensä hieman lyhyempi kuin aktiivinen elementti, ja sitä käytetään ohjaamaan sähkömagneettisia aaltoja eteenpäin suuntautuvan säteilyn lisäämiseksi. Suunnittelemalla kohtuudella heijastimen ja suunnan pituus ja etäisyys, suuri - vahvistus ja kapea - b

eam-säteilyominaisuudet voidaan saavuttaa.

II. Yagi-Uda-antennin rakennekoostumus

Yagi-Uda-antennin perusrakenne sisältää seuraavat osat:

Aktiivinen elementti: Aktiivinen elementti on Yagi-Uda-antennin ydinosa, yleensä puoliaaltodipoli, joka vastaa sähkömagneettisten aaltojen lähettämisestä tai vastaanottamisesta. Se on kytketty suoraan syöttölaitteeseen ja sijaitsee yleensä antennin keskellä.

Heijastin: Heijastin sijaitsee aktiivisen elementin takana, yleensä 5% - 10% pidempi kuin aktiivinen elementti. Sen tehtävänä on heijastaa sähkömagneettisia aaltoja, vähentää taaksepäin suuntautuvaa säteilyä ja tehostaa eteenpäin suuntautuvaa säteilyä. Heijastimia on yleensä vain yksi, mutta suuntaavuuden parantamiseksi voidaan suunnitella myös useita heijastimia.

Ohjaaja: Ohjaaja sijaitsee aktiivisen elementin edessä, yleensä 5% - 10% lyhyempi kuin aktiivinen elementti. Sen tehtävänä on ohjata sähkömagneettisia aaltoja ja tehostaa eteenpäin suuntautuvaa säteilyä. Ohjainten määrää voidaan säätää antennin vahvistus- ja suuntavaatimusten mukaan, yleensä 1-10.

Puomi: Puomia käytetään aktiivisen elementin, heijastimen ja suunnan kiinnittämiseen, ja se on yleensä pitkä sauva, joka on valmistettu metallista tai ei-metallisista materiaaleista. Puomin suunnittelussa on otettava huomioon antennin mekaaninen lujuus ja painojakauma

Syöttöjohto: Syöttöjohtoa käytetään aktiivisen elementin liittämiseen lähettimeen tai vastaanottimeen, yleensä koaksiaalikaapelilla tai kierretyllä parilla. Syöttöjohdon impedanssin on vastattava aktiivisen elementin impedanssia signaalin heijastuksen ja häviön vähentämiseksi.

III. Yagi-Uda-antennin suunnittelumenetelmä

Yagi-Uda-antennia suunniteltaessa on otettava huomioon useita parametreja, mukaan lukien toimintataajuus, vahvistus, suuntaus ja impedanssisovitus. Seuraavat ovat Yagi-Uda-antennin suunnittelun perusvaiheet:

Määritä toimintataajuus: Ensin on määritettävä antennin toimintataajuus. Yagi-Uda-antennin koko liittyy läheisesti toimintataajuuteen; Mitä suurempi taajuus, sitä pienempi antennin koko. Yleensä Yagi-Uda-antennin toimintataajuus on useista kymmenistä MHz:stä useisiin GHz:eihin.

Valitse aktiivisen elementin tyyppi: Aktiivinen elementti on yleensä puoliaaltodipoli ja sen pituus on noin puolet toimintaaallonpituudesta. Puoliaallon dipolin pituus voidaan laskea seuraavalla kaavalla:

(jossa L on oskillaattorin pituus ja λ on toiminta-aallonpituus. 0,95 on lyhennyskerroin.)

Suunnittele heijastin ja suuntaus: Heijastimen pituus on yleensä 5% - 10% pidempi kuin aktiivisen elementin ja ohjaimen pituus on yleensä 5% - 10% lyhyempi kuin aktiivisen elementin. Heijastimen ja aktiivisen elementin välinen etäisyys on yleensä 0,15 - 0,25 aallonpituutta ja ohjaajan ja aktiivisen elementin välinen etäisyys on yleensä 0,1 - 0,15 aallonpituutta. Ominaispituus ja väli voidaan optimoida simulaatioohjelmiston tai empiiristen kaavojen avulla.

Määritä ohjaimien määrä: Ohjaajien määrä vaikuttaa suoraan antennin vahvistukseen ja suuntaavuuteen. Mitä enemmän ohjaimia on, sitä suurempi antennin vahvistus ja kapeampi keilan leveys. Liiallinen määrä ohjaimia lisää kuitenkin antennin monimutkaisuutta ja kokoa. Yleensä johtajien määrä vaihtelee 1-10, ja tietty määrä on punnittava sovellusvaatimusten mukaan

Impedanssin sovitus: Aktiivisen elementin impedanssi on yleensä 50Ω tai 75Ω, jonka on vastattava syöttölaitteen impedanssia. Impedanssisovitus voidaan saada aikaan säätämällä aktiivisen elementin pituutta ja halkaisijaa tai käyttämällä impedanssisovitusverkkoa.

Simulointi ja optimointi: Kun suunnittelu on valmis, sähkömagneettista simulointiohjelmistoa (kuten HFSS, CST jne.) voidaan käyttää simuloimaan antennia sen suorituskyvyn tarkistamiseksi. Antennin vahvistuksen, suuntaavuuden ja impedanssin sovitus voidaan optimoida säätämällä parametreja, kuten oskillaattorien pituutta ja etäisyyttä.

Valmistus ja testaus: Prototyyppiantenni valmistetaan suunnittelutulosten mukaan ja testataan antennin todellisen suorituskyvyn varmistamiseksi verkko-analysaattorilla ja spektrianalysaattorilla. Lisäoptimointi suoritetaan testitulosten mukaan.

IV. Yagi-Uda-antennin edut ja haitat

Edut

· Suuri vahvistus: Yagi-Uda-antennilla on suhteellisen korkea vahvistus, yleensä 10 - 20 dBi, mikä sopii pitkän matkan viestintään.

· Vahva suuntaavuus: Yagi-Uda-antennilla on kapea säteen leveys ja vahva suuntaavuus, mikä voi tehokkaasti vähentää häiriöitä.

· Yksinkertainen rakenne: Yagi-Uda-antennin rakenne on suhteellisen yksinkertainen, joten se on helppo valmistaa ja huoltaa.

· Alhaiset kustannukset: Yagi-Uda-antennin materiaalikustannukset ovat alhaiset, joten se soveltuu laajamittaisiin sovelluksiin.

Haitat:

· Kapea kaistanleveys: Yagi-Uda-antennin kaistanleveys on suhteellisen kapea, yleensä 5% - 10% toimintataajuudesta, joten se ei sovellu laajakaistasovelluksiin.

· Suuri koko: Yagi-Uda-antennin koko on kääntäen verrannollinen toimintataajuuteen. Matalataajuuskaistan antennit ovat suurikokoisia, mikä ei sovellu sovelluksiin, joissa on rajoitettu tila.

Kiinteä suunta: Yagi-Uda-antennin suuntaavuus on kiinteä, ja se on säädettävä manuaalisesti, joten se ei sovellu skenaarioihin, joissa suuntaa on vaihdettava usein.

V. Yagi-Uda-antennin sovellukset

Yagi-Uda-antennia käytetään laajalti seuraavilla aloilla:

· Televisiovastaanotto: Yagi-Uda-antenni on yleinen television vastaanottoantenni, jota käytetään maanpäällisten televisiosignaalien vastaanottamiseen.

· Radioviestintä: Yagi-Uda-antennia käytetään viestintäjärjestelmissä, kuten amatööriradioissa, lähetysasemissa ja langattomissa lähiverkoissa.

· Tutkajärjestelmät: Yagi-Uda-antennia käytetään kohteen havaitsemiseen ja seurantaan tutkajärjestelmissä.

Satelliittiviestintä: Yagi-Uda-antennia käytetään satelliittitelevisiosignaalien ja satelliittiviestintäsignaalien vastaanottamiseen.

VI. Johtopäätös

Yagi-Uda-antenni on klassinen suunta-antenni, jolla on korkea vahvistus, vahva suuntaavuus ja yksinkertainen rakenne. Erinomainen säteilyteho voidaan saavuttaa suunnittelemalla järkevästi aktiivisen elementin, heijastimen ja suunnan pituus ja etäisyys. Vaikka Yagi-Uda-antennilla on haittoja, kuten kapea kaistanleveys ja suuri koko, sen laaja käyttö televisiovastaanotossa, radioviestinnässä ja tutkajärjestelmissä todistaa sen tärkeyden ja käytännöllisyyden. Sähkömagneettisen simulointitekniikan kehityksen myötä Yagi-Uda-antennin suunnittelu ja optimointi ovat tehostuneet ja tarkentuneet, ja sillä on edelleen tärkeä rooli langattoman viestinnän alalla tulevaisuudessa.