Anténa Yagi-Uda a spôsob jej návrhu

Yagi-Uda Antenna je smerová anténa široko používaná v rádiovej komunikácii, známa pre svoj vysoký zisk, silnú smerovosť a relatívne jednoduchú štruktúru. Vynájdený japonskými vedcami Hidetsugu Yagi a Shintaro Uda v 20. rokoch 20. storočia a používa sa hlavne v oblastiach, ako je televízny príjem, rádiová komunikácia a radarové systémy. Tento článok sa bude zaoberať základnými princípmi, konštrukčným zložením a metódami návrhu antény Yagi-Uda.

I. Základné princípy Yagi-Uda antény

Anténa Yagi-Uda je sústava antén s koncovým ohňom a jej pracovný princíp je založený na vyžarovaní a prijímaní elektromagnetických vĺn. Smerové vyžarovanie dosahuje prostredníctvom viacerých paralelne – usporiadaných oscilátorov (zvyčajne kovových tyčí). Tieto oscilátory obsahujú jeden aktívny prvok (typicky polovičný vlnový dipól) a viacero pasívnych prvkov (vrátane reflektorov a direktorov). Aktívny prvok je priamo spojený s podávačom a je zodpovedný za prenos alebo príjem elektromagnetických vĺn; pasívne prvky interagujú s aktívnym prvkom prostredníctvom elektromagnetickej väzby na nastavenie smeru žiarenia elektromagnetických vĺn.

Smerovosť antény Yagi-Uda závisí predovšetkým od usporiadania a dĺžky pasívnych prvkov. Reflektor je umiestnený za aktívnym prvkom, zvyčajne o niečo dlhší ako aktívny prvok, a používa sa na odrážanie elektromagnetických vĺn na zvýšenie dopredného žiarenia antény. Direktor je umiestnený pred aktívnym prvkom, zvyčajne o niečo kratší ako aktívny prvok, a používa sa na vedenie elektromagnetických vĺn na ďalšie zosilnenie dopredného žiarenia. Rozumným návrhom dĺžky a rozostupu reflektora a direktória, vysoký - zisk a úzky - b

možno dosiahnuť vyžarovacie charakteristiky.

II. Konštrukčné zloženie Yagi-Uda antény

Základná konštrukcia antény Yagi-Uda obsahuje nasledujúce časti:

Aktívny prvok: Aktívny prvok je základná časť antény Yagi-Uda, zvyčajne polovičný vlnový dipól, zodpovedný za vysielanie alebo príjem elektromagnetických vĺn. Je priamo spojený s podávačom a zvyčajne sa nachádza v strede antény.

Reflektor: Reflektor je umiestnený za aktívnym prvkom, zvyčajne o 5% - 10% dlhší ako aktívny prvok. Jeho funkciou je odrážať elektromagnetické vlny, znižovať spätné žiarenie a zvyšovať dopredné žiarenie. Zvyčajne je len jeden reflektor, ale na ďalšie zlepšenie smerovosti možno navrhnúť aj viacero reflektorov.

Riaditeľ: Riaditeľ je umiestnený pred aktívnym prvkom, zvyčajne o 5% - 10% kratší ako aktívny prvok. Jeho úlohou je usmerňovať elektromagnetické vlny a ďalej zvyšovať dopredné žiarenie. Počet direktorov je možné upraviť podľa požiadaviek na zisk a smerovosť antény, zvyčajne v rozsahu od 1 do 10.

Rameno: Rameno sa používa na upevnenie aktívneho prvku, reflektora a direktívy a je to zvyčajne dlhá tyč vyrobená z kovu alebo nekovových materiálov. Konštrukcia výložníka musí zohľadňovať mechanickú pevnosť a rozloženie hmotnosti antény

Napájacie vedenie: Napájacie vedenie sa používa na pripojenie aktívneho prvku k vysielaču alebo prijímaču, zvyčajne koaxiálny kábel alebo krútená dvojlinka. Impedancia napájacieho vedenia sa musí zhodovať s impedanciou aktívneho prvku, aby sa znížil odraz a strata signálu.

III. Spôsob navrhovania antény Yagi-Uda

Pri navrhovaní antény Yagi-Uda je potrebné zvážiť niekoľko parametrov vrátane pracovnej frekvencie, zisku, smerovosti a prispôsobenia impedancie. Nižšie sú uvedené základné kroky pre návrh antény Yagi-Uda:

Určenie pracovnej frekvencie: Najprv je potrebné určiť rozsah pracovnej frekvencie antény. Veľkosť antény Yagi-Uda úzko súvisí s prevádzkovou frekvenciou; čím vyššia je frekvencia, tým menšia je veľkosť antény. Vo všeobecnosti je rozsah prevádzkovej frekvencie antény Yagi-Uda od niekoľkých desiatok MHz do niekoľkých GHz.

Výber typu aktívneho prvku: Aktívnym prvkom je zvyčajne polovičný vlnový dipól a jeho dĺžka je približne polovica prevádzkovej vlnovej dĺžky. Dĺžku polvlnového dipólu možno vypočítať podľa nasledujúceho vzorca:

(kde L je dĺžka oscilátora a λ je prevádzková vlnová dĺžka. 0,95 je koeficient skrátenia.)

Navrhnite reflektor a direktor: Dĺžka reflektora je zvyčajne o 5% - 10% dlhšia ako dĺžka aktívneho prvku a dĺžka reflektora je zvyčajne o 5% - 10% kratšia ako dĺžka aktívneho prvku. Vzdialenosť medzi reflektorom a aktívnym prvkom je zvyčajne 0,15 - 0,25 vlnovej dĺžky a vzdialenosť medzi direktorom a aktívnym prvkom je zvyčajne 0,1 - 0,15 vlnovej dĺžky. Špecifickú dĺžku a rozstup je možné optimalizovať pomocou simulačného softvéru alebo empirických vzorcov.

Určte počet direktorov: Počet direktorov priamo ovplyvňuje zisk a smerovosť antény. Čím viac direktívov je, tým vyšší je zisk antény a tým užšia je šírka lúča. Nadmerný počet režisérov však zvýši zložitosť a veľkosť antény. Zvyčajne sa počet riaditeľov pohybuje od 1 do 10 a konkrétny počet je potrebné zvážiť podľa požiadaviek aplikácie

Impedančné prispôsobenie: Impedancia aktívneho prvku je zvyčajne 50Ω alebo 75Ω, čo musí zodpovedať impedancii podávača. Impedančné prispôsobenie je možné dosiahnuť úpravou dĺžky a priemeru aktívneho prvku alebo použitím siete impedančného prispôsobenia.

Simulácia a optimalizácia: Po dokončení návrhu je možné použiť elektromagnetický simulačný softvér (ako HFSS, CST atď.) na simuláciu antény na overenie jej výkonu. Zisk, smerovosť a impedančné prispôsobenie antény je možné optimalizovať úpravou parametrov, ako je dĺžka a rozstup oscilátorov.

Výroba a testovanie: Prototyp antény je vyrobený podľa výsledkov návrhu a testovaný pomocou zariadenia, ako je sieťový analyzátor a spektrálny analyzátor, aby sa overil skutočný výkon antény. Ďalšia optimalizácia sa vykonáva podľa výsledkov testov.

IV. Výhody a nevýhody Yagi-Uda antény

Výhody

· Vysoký zisk: Anténa Yagi-Uda má relatívne vysoký zisk, zvyčajne 10 - 20 dBi, čo je vhodné pre komunikáciu na veľké vzdialenosti.

· Silná smerovosť: Anténa Yagi-Uda má úzku šírku lúča a silnú smerovosť, čo môže účinne znížiť rušenie.

· Jednoduchá štruktúra: Štruktúra antény Yagi-Uda je relatívne jednoduchá, čo uľahčuje výrobu a údržbu.

· Nízka cena: Materiálové náklady antény Yagi-Uda sú nízke, vďaka čomu je vhodná pre aplikácie vo veľkom meradle.

Nevýhody:

· Úzka šírka pásma: Šírka pásma antény Yagi-Uda je relatívne úzka, zvyčajne 5% - 10% prevádzkovej frekvencie, takže nie je vhodná pre širokopásmové aplikácie.

· Veľká veľkosť: Veľkosť antény Yagi-Uda je nepriamo úmerná prevádzkovej frekvencii. Antény v nízkofrekvenčnom pásme majú veľké rozmery, čo nie je vhodné pre aplikácie s obmedzeným priestorom.

Pevný smer: Smerovosť antény Yagi-Uda je pevná a je potrebné ju nastaviť manuálne, takže nie je vhodná pre scenáre, kde je potrebné často meniť smer.

V. Aplikácia Yagi-Uda antény

Anténa Yagi-Uda je široko používaná v nasledujúcich oblastiach:

· Televízny príjem: Yagi-Uda anténa je bežná forma televíznej prijímacej antény, používaná na príjem pozemných televíznych signálov.

· Rádiová komunikácia: Anténa Yagi-Uda sa používa v komunikačných systémoch, ako sú amatérske rádio, vysielacie stanice a bezdrôtové lokálne siete.

· Radarové systémy: Anténa Yagi-Uda sa používa na detekciu a sledovanie cieľa v radarových systémoch.

Satelitná komunikácia: Anténa Yagi-Uda sa používa na príjem signálov satelitnej televízie a signálov satelitnej komunikácie.

VI. Záver

Anténa Yagi-Uda je klasická smerová anténa s charakteristikami vysokého zisku, silnej smerovosti a jednoduchej konštrukcie. Vynikajúci výkon žiarenia možno dosiahnuť rozumným návrhom dĺžky a rozstupu aktívneho prvku, reflektora a direktívy. Hoci anténa Yagi-Uda má nevýhody, ako je úzka šírka pásma a veľké rozmery, jej široké uplatnenie v oblastiach ako je televízny príjem, rádiová komunikácia a radarové systémy dokazuje jej dôležitosť a praktickosť. S rozvojom technológie elektromagnetickej simulácie sa návrh a optimalizácia antény Yagi-Uda stala efektívnejšou a presnejšou a aj v budúcnosti bude hrať dôležitú úlohu v oblasti bezdrôtovej komunikácie.