Yagi-Uda-antenne en zijn ontwerpmethode

De Yagi-Uda-antenne is een richtantenne die veel wordt gebruikt in radiocommunicatie en bekend staat om zijn hoge versterking, sterke gerichtheid en relatief eenvoudige structuur. Het werd in de jaren twintig uitgevonden door de Japanse wetenschappers Hidetsugu Yagi en Shintaro Uda en wordt voornamelijk toegepast op gebieden als televisieontvangst, radiocommunicatie en radarsystemen. Dit artikel gaat dieper in op de basisprincipes, structurele samenstelling en ontwerpmethoden van de Yagi-Uda-antenne.

I. Basisprincipes van de Yagi-Uda-antenne

De Yagi-Uda-antenne is een end-fire antenne-array en het werkingsprincipe is gebaseerd op de straling en ontvangst van elektromagnetische golven. Het bereikt gerichte straling via meerdere parallel geschakelde oscillatoren (meestal metalen staven). Deze oscillatoren bevatten één actief element (meestal een halvegolfdipool) en meerdere passieve elementen (inclusief reflectoren en regisseurs). Het actieve element is rechtstreeks verbonden met de feeder en is verantwoordelijk voor de verzending of ontvangst van elektromagnetische golven; de passieve elementen werken samen met het actieve element via elektromagnetische koppeling om de stralingsrichting van de elektromagnetische golven aan te passen.

De richtingsgevoeligheid van de Yagi-Uda-antenne hangt voornamelijk af van de opstelling en lengte van de passieve elementen. De reflector bevindt zich achter het actieve element, meestal iets langer dan het actieve element, en wordt gebruikt om elektromagnetische golven te reflecteren om de voorwaartse straling van de antenne te versterken. De director bevindt zich vóór het actieve element, meestal iets korter dan het actieve element, en wordt gebruikt om elektromagnetische golven te geleiden om de voorwaartse straling verder te versterken. Door de lengte en afstand van de reflector en de regisseur redelijk te ontwerpen, hoge versterking en smal - b

Er kunnen goede stralingskarakteristieken worden bereikt.

II. Structurele samenstelling van de Yagi-Uda-antenne

De basisstructuur van de Yagi-Uda-antenne omvat de volgende onderdelen:

Actief element: Het actieve element is het kerngedeelte van de Yagi-Uda-antenne, meestal een halvegolfdipool, verantwoordelijk voor de verzending of ontvangst van elektromagnetische golven. Het is rechtstreeks verbonden met de feeder en bevindt zich meestal in het midden van de antenne.

Reflector: De reflector bevindt zich achter het actieve element, meestal 5% - 10% langer dan het actieve element. Zijn functie is het reflecteren van elektromagnetische golven, het verminderen van achterwaartse straling en het versterken van voorwaartse straling. Er is meestal maar één reflector, maar er kunnen ook meerdere reflectoren worden ontworpen om de richtingsgevoeligheid verder te verbeteren.

Regisseur: De regisseur bevindt zich vóór het actieve element, meestal 5% - 10% korter dan het actieve element. Zijn rol is het geleiden van elektromagnetische golven en het verder versterken van de voorwaartse straling. Het aantal regisseurs kan worden aangepast afhankelijk van de versterkings- en richtingsvereisten van de antenne, meestal variërend van 1 tot 10.

Giek: De giek wordt gebruikt om het actieve element, de reflector en de richter vast te zetten, en is meestal een lange staaf gemaakt van metaal of niet-metalen materialen. Bij het ontwerp van de giek moet rekening worden gehouden met de mechanische sterkte en gewichtsverdeling van de antenne

Voedingslijn: De voedingslijn wordt gebruikt om het actieve element op de zender of ontvanger aan te sluiten, meestal een coaxkabel of twisted pair. De impedantie van de voedingslijn moet overeenkomen met de impedantie van het actieve element om signaalreflectie en signaalverlies te verminderen.

III. Ontwerpmethode van de Yagi-Uda-antenne

Bij het ontwerpen van een Yagi-Uda-antenne moet rekening worden gehouden met verschillende parameters, waaronder werkfrequentie, versterking, directiviteit en impedantie-matching. Hieronder volgen de basisstappen voor het ontwerpen van een Yagi-Uda-antenne:

Bepaal de werkfrequentie: Ten eerste is het noodzakelijk om het werkfrequentiebereik van de antenne te bepalen. De grootte van de Yagi-Uda-antenne hangt nauw samen met de werkfrequentie; hoe hoger de frequentie, hoe kleiner de antenne. Over het algemeen bedraagt ​​het werkfrequentiebereik van de Yagi-Uda-antenne enkele tientallen MHz tot enkele GHz.

Selecteer het type actief element: Het actieve element is gewoonlijk een halvegolfdipool en de lengte ervan bedraagt ​​ongeveer de helft van de bedrijfsgolflengte. De lengte van de halvegolfdipool kan worden berekend met de volgende formule:

(waarbij L de lengte van de oscillator is en λ de bedrijfsgolflengte. 0,95 is de verkortingscoëfficiënt.）

Ontwerp de reflector en director: De lengte van de reflector is gewoonlijk 5% - 10% langer dan die van het actieve element, en de lengte van de director is gewoonlijk 5% - 10% korter dan die van het actieve element. De afstand tussen de reflector en het actieve element bedraagt ​​gewoonlijk 0,15 - 0,25 golflengten, en de afstand tussen de director en het actieve element bedraagt ​​gewoonlijk 0,1 - 0,15 golflengten. De specifieke lengte en afstand kunnen worden geoptimaliseerd door middel van simulatiesoftware of empirische formules.

Bepaal het aantal regisseurs: Het aantal regisseurs heeft rechtstreeks invloed op de versterking en richtingsgevoeligheid van de antenne. Hoe meer regisseurs er zijn, hoe hoger de versterking van de antenne en hoe smaller de bundelbreedte. Een overmatig aantal regisseurs zal echter de complexiteit en omvang van de antenne vergroten. Gewoonlijk varieert het aantal directeuren van 1 tot 10, en het specifieke aantal moet worden gewogen op basis van de toepassingsvereisten

Impedantie-aanpassing: De impedantie van het actieve element is meestal 50Ω of 75Ω, wat moet overeenkomen met de impedantie van de feeder. Impedantie-aanpassing kan worden bereikt door de lengte en diameter van het actieve element aan te passen of door een impedantie-aanpassingsnetwerk te gebruiken.

Simulatie en optimalisatie: Nadat het ontwerp is voltooid, kan elektromagnetische simulatiesoftware (zoals HFSS, CST, enz.) worden gebruikt om de antenne te simuleren om de prestaties ervan te verifiëren. De versterking, directiviteit en impedantie-aanpassing van de antenne kunnen worden geoptimaliseerd door parameters zoals de lengte en afstand van de oscillatoren aan te passen.

Fabricage en testen: Een prototype-antenne wordt vervaardigd op basis van de ontwerpresultaten en getest met behulp van apparatuur zoals een netwerkanalysator en een spectrumanalysator om de daadwerkelijke prestaties van de antenne te verifiëren. Op basis van de testresultaten wordt verdere optimalisatie uitgevoerd.

IV. Voor- en nadelen van de Yagi-Uda-antenne

Voordelen

· Hoge versterking: De Yagi-Uda-antenne heeft een relatief hoge versterking, meestal 10 - 20 dBi, wat geschikt is voor communicatie over lange afstanden.

· Sterke gerichtheid: de Yagi-Uda-antenne heeft een smalle bundelbreedte en een sterke gerichtheid, waardoor interferentie effectief kan worden verminderd.

· Eenvoudige structuur: De structuur van de Yagi-Uda-antenne is relatief eenvoudig, waardoor deze gemakkelijk te fabriceren en te onderhouden is.

· Lage kosten: De materiaalkosten van de Yagi-Uda-antenne zijn laag, waardoor deze geschikt is voor grootschalige toepassingen.

Nadelen:

· Smalle bandbreedte: De bandbreedte van de Yagi-Uda-antenne is relatief smal, meestal 5% - 10% van de werkfrequentie, en is dus niet geschikt voor breedbandtoepassingen.

· Groot formaat: De grootte van de Yagi-Uda-antenne is omgekeerd evenredig met de werkfrequentie. Antennes in de laagfrequente band hebben een groot formaat, wat niet geschikt is voor toepassingen met beperkte ruimte.

Vaste richting: De richtingsgevoeligheid van de Yagi-Uda-antenne staat vast en moet handmatig worden aangepast, dus deze is niet geschikt voor scenario's waarin de richting regelmatig moet worden gewijzigd.

V. Toepassingen van de Yagi-Uda-antenne

De Yagi-Uda-antenne wordt veel gebruikt op de volgende gebieden:

· Televisieontvangst: De Yagi-Uda-antenne is een veel voorkomende vorm van televisie-ontvangstantenne, die wordt gebruikt om terrestrische televisiesignalen te ontvangen.

· Radiocommunicatie: De Yagi-Uda-antenne wordt gebruikt in communicatiesystemen zoals amateurradio, omroepstations en draadloze lokale netwerken.

· Radarsystemen: De Yagi-Uda-antenne wordt gebruikt voor doeldetectie en tracking in radarsystemen.

Satellietcommunicatie: De Yagi-Uda-antenne wordt gebruikt om satelliettelevisiesignalen en satellietcommunicatiesignalen te ontvangen.

VI. Conclusie

De Yagi-Uda-antenne is een klassieke richtantenne met de kenmerken van hoge versterking, sterke gerichtheid en eenvoudige structuur. Uitstekende stralingsprestaties kunnen worden bereikt door de lengte en afstand van het actieve element, de reflector en de richter redelijk te ontwerpen. Hoewel de Yagi-Uda-antenne nadelen heeft zoals een smalle bandbreedte en een groot formaat, bewijst de brede toepassing ervan op gebieden als televisie-ontvangst, radiocommunicatie en radarsystemen het belang en de bruikbaarheid ervan. Met de ontwikkeling van elektromagnetische simulatietechnologie is het ontwerp en de optimalisatie van de Yagi-Uda-antenne efficiënter en nauwkeuriger geworden, en deze zal in de toekomst nog steeds een belangrijke rol spelen op het gebied van draadloze communicatie.