La Anatomía de una Antena Yagi: Un Reflexión Rápido

El elemento retrovisor, que se dirige a la fase de la operación, se basa en el elemento de reflexión, que se dirige a la estructura de la base.El elemento reductor, que se dirige a la estructura de la reposición, se basa en el elemento de la reposición de la unidad y se traduce en un elemento destructivo.

Comprender el punto focal en las antenas Yagi

En óptica, un reflector parabólico lleva ondas de avión a un solo punto focal donde se debe colocar la antena de alimentación. El reflector Yagi no es una parabola continua, pero el principio de colimación de energía en un lóbulo principal es análogo. Cuando una onda de avión llega desde el frente, el elemento reflector se comporta como un dispersor resonante. Su campo re-radiado se combina con la olacion directa en el elemento focal

Definir la distancia focal efectiva

En un elemento Yagi, no hay un solo enfoque físico porque el reflector es un dipolo finito en lugar de un espejo curvado. Sin embargo, simulaciones numéricas y estudios empíricos han demostrado constantemente que la relación máxima de frente a revés y ganancia se logran cuando el elemento impulsado se encuentra 0.1λ a 0.2λ de avance del reflector.

Influencia de la longitud del revisor en la zona focal

El punto focal eficaz no es independiente de las dimensiones del reflector. Un reflector que es exactamente un medio-longitud reflejada en la frecuencia del diseño aparece como un dipolo resonante; su campo re-radiado está en fase con el campo eléctrico de la onda del incidente, que conduce a la cancelación detrás pero requiere un cierto cambio de fase para la posteriorización.

El papel del centro de fase

Una manera más rigurosa de pensar en el punto focal es el centro de fase[FLT]] del reflector. Para un dipolo resonante, el centro de fase está cerca del centro del elemento, pero como el reflector se alarga (inductivo hecho), el centro de fase se mueve ligeramente lejos del centro físico.

d ♥ λ/2π * (π/2 + φ)

φ es el cambio de fase introducido por el reflector (en radians). Para un reflector típico con φ ♥ 0,3 rad (17°), d Ω 0,15λ. Esta fórmula proporciona una base teórica para el rango empírico 0,1λ–0,2λ. En la práctica, la diferencia entre 0,15 y 0,18λ puede ser sólo unos pocos milímetros en UHF, pero que puede cambiar el punto de impedancia de la de inicio por diez

Calculando el punto focal paso a paso

Determinar la región focal comienza con la longitud de onda de funcionamiento:

λ = c/ f], donde c] = 299,792,458 m/s (a menudo redondeado a 300 Mm/s para cálculos de campo rápido) y f es la frecuencia en el hertz.

  • Para una antena de banda marina VHF a 156.8 MHz, λ ♥ 1.91 m.
  • Para un enlace Wi-Fi de 2.4 GHz, λ ♥ 0.125 m (12,5 cm).
  • Para un sistema de 5.8 GHz, λ ♥ 0,0517 m (5.17 cm).

Siguiente, decidir sobre el estilo reflector. Un reflector estándar de varilla es el punto de partida más común. Su longitud se establece normalmente en 0.5λ to 0.52λ. Usando el valor 0.52λ para 2.4 GHz da alrededor de 6.5 cm. Luego, el elemento impulsado debe ser colocado 0.1λ to 0.2λ[LT]

Para las antenas que utilizan un reflector de esquina o una pantalla reflectora multi-rod, el concepto de “punto focal” es más literal; el elemento impulsado se coloca en el enfoque geométrico de la superficie reflectante. En esos casos, la distancia del vértice de la esquina al elemento conducido es típicamente 0,25λ a 0,35λ, y las barras reflectoras son espaciadas 0.1λ o menos.

Para ajustar el punto focal, puede utilizar una técnica llamada mapeo de locus de impacto. Medir la impedancia de entrada del elemento impulsado como el espaciado impulsado por reflector es variado en pequeños pasos (por ejemplo, 0.01λ). El espaciado que produce la parte real más alta y un método de baja reacción (cerca de 0 ohmios) corresponde generalmente a un impulsor

Element Spacing: El motor de la Directividad

Mientras que el espaciado impulsado por reflector establece la concentración de campo en el elemento impulsado, las distancias entre el elemento impulsado y los directores, y entre directores sucesivos, controlan el acoplamiento y el patrón de campos re-radiados que dan forma al haz delantero. El espaciado incorrecto puede degradar el aumento, estrechar el ancho de banda de impedancia, o introducir sidelobes no deseados.

Elementos entre elemento conductor y el primer director

El primer director se encarga de la energía de dirección hacia adelante. Su espaciado del elemento impulsado es generalmente 0.15λ to 0.25λ. Un espaciado más ajustado (cerrar a 0.15λ) aumenta el acoplamiento, que puede elevar la amplitud actual en el director y mejorar la ganancia, pero al costo de reducir la impedancia en el elemento impulsado elevar a valores muy bajos.

Inter-Director Spacing

Para varios directores, el espaciado uniforme es común para la simplicidad, pero optimizado diseños de Yagi a menudo acortar la distancia.El rango típico de cada director a director es 0.15λ a 0.3λ. Usar una constante 0,15λ puede maximizar el número de elementos en una longitud de boom dada, proporcionando mayor directividad, pero de nuevo disminuye la impedancia y el espajet.

Coherencia de fase y el factor de array

El elemento de extensión de la fase de la fase de la fase de la fase de la fase de la fase de la fase de la fase de la fase de la fase de la fase de la fase de la extensión, se puede realizar en el espacio de la fase de la fase de la fase de la fase de la fase de la fase de la fase de la fase de la fase de la fase de la fase de la extensión.

El enfoque de diseño DL6WU

0-Dλ6 0-Dλ6 (DL6WU) publicó un método de diseño ampliamente utilizado para largos Yagis (10 o más elementos) que enfatiza el espaciado optimizado para maximizar la ganancia manteniendo una curva de impedancia suave.

Poniéndolo todo junto: Un ejemplo de diseño práctico

Diseñemos un Yagi de 5 elementos (reflector, elemento conducido y tres directores) para 433 MHz, una banda común ISM para telemetría remota, sensores IoT y aplicaciones de radio de jamón.

  1. Longitud de onda cálcula: λ = 300 / 433 ♥ 0,6928 m (69.3 cm).
  2. Longitud del reactor: Un buen punto de partida es 0.51λ ♥ 35.3 cm para una varilla en espacio libre; sin embargo, con el boom finito y el espesor del elemento, la simulación lo recortará. Utilizaremos 35 cm como valor inicial. Para una longitud de inicio más precisa, aplique un 2 % para el diámetro del elemento: si se utiliza tubo de 6 mm (diametro ♥ 1 0.0087–λ),
  3. Espacio impulsado por el reflector: 0.15λ = 10.4 cm. Esto coloca el elemento conducido en la zona focal aproximada. Para un cheque rápido, 0.15λ es una apuesta segura; si desea una impedancia de punto de alimentación ligeramente superior, prueba 0.18λ (12.5 cm).
  4. Longitud del elemento: Idealmente un dipolo de media onda corregido para efectos finales. El espacio libre de longitud de media onda es de 34.6 cm, pero un dipolo resonante es de alrededor de 0.47–0.48λ debido a la condensación de fring en los extremos. Comenzaremos con 0.95 × 0.5λ = 32.9 cm de longitud y ajustar para la dipoancia del conductor.
  5. Duración de primer director: Típicamente 0.45λ to 0.48λ. Elegimos 0.46λ = 31.9 cm. Espaciamiento del elemento conducido: 0.2λ = 13.9 cm.
  6. Segundo director:] Longitud 0.44λ = 30.5 cm. Espaciamiento del primer director: 0.2λ = 13.9 cm.
  7. Tercer director:] Longitud 0.43λ = 29.8 cm. Espacio: 0.25λ = 17.3 cm (con una función externa para mejorar el ancho de banda).

Con estas dimensiones, la ganancia delantera debe ser alrededor de 8-9 dBi, y la relación frontal a posteriori más de 15 dB después de la afinación de simulación. El elemento impulsor será probablemente bajo, alrededor de 12–25 ohms, por lo que un balón de media onda o un dipolo plegado (que da pasos arriba la impedancia 4×) sería necesario para que coincida con 50 ohmios.

Estrategias avanzadas de espaciamiento

Director Variable Espaciamiento para Yagis de banda ultra-Wideband

0,12 para el diseño de la banda de radio de alta frecuencia, se puede utilizar un modelo de radio de alta frecuencia, con un diseño de alta frecuencia 0,1 para el diseño de la banda de alta frecuencia.

Indemnización de materiales de la explosión

Cuando los booms metálicos pasan por los elementos sin aislamiento, el boom introduce la capacitancia parasitaria entre elementos y aumenta efectivamente cada elemento eléctricamente. Para compensar, el espaciado físico debe ser recalculado considerando la constante dieléctrica efectiva de la región de boom. Por otra parte, el montaje aislado puede preservar el espaciamiento eléctrico, pero entonces el boom debe ser aislado eléctricamente a intervalos para evitar corrientes de larga línea.

Impedancia que se ajusta mediante ajustes de espaciamiento

Una técnica de retroceso a menudo es utilizar el espaciado como elemento de coincidencia. Al mover ligeramente el primer director relativo al elemento impulsado (dentro de la ventana 0.15λ–0.25λ), puede cambiar la impedancia de punto de alimentación en el gráfico Smith. Movimentar el director más cerca del elemento impulsado disminuye la impedancia (más acoplamiento, más actual, menor resistencia); moverlo más lejos aumenta la impedancia.

Errores comunes cuando se establece los espacios y el punto focal

  • Usando la longitud reflectora igual al elemento conducido: Esto elimina el efecto de directiva. El reflector debe ser más largo por al menos un poco por ciento. Un error típico es cortar todos los elementos a la misma longitud para la simplicidad; el patrón resultante es casi omnidireccional.
  • Colocando el elemento conducido demasiado cerca del reflector: Los espaciamientos bajo 0.08λ conducen a una impedancia de punto de alimentación extremadamente baja (bajo 5 ohmios) y ancho de banda estrecho, y se pierde el punto focal eficaz. La relación frontal a posteriori se vuelve pobre porque la onda reflejada cancela la señal de avance.
  • Ignorando el diámetro del elemento: La relación longitudinal a diametro afecta a la frecuencia resonante. Para elementos gruesos, la longitud eléctrica es más corta que la longitud física; las correcciones espaciamiento son a menudo necesarias porque el centro de fase cambia. Una buena regla del pulgar: si el diámetro del elemento excede 0.005λ, reduce las longitudes del elemento en un 1–2% y posiblemente aumenta ligeramente el espaciamiento de un ejemplo.
  • Uniform short spacing para todos los directores: Esto puede causar un impedancia agudo y un patrón deficiente en los bordes de banda. Tapering ayuda a mantener la progresión de fase consistente. Incluso un simple aumento de 0.15λ a 0.2λ en tres directores puede suavizar la curva SWR.
  • ] Reflejar el efecto de objetos cercanos: Al diseñar un Yagi para ser montado en forma más masculina, el mástil de metal detrás del reflector actúa como un elemento pasivo adicional y desplaza el punto focal eficaz. Dejar al menos 0.25λ entre el reflector y cualquier soporte metálico grande. Si el mástil está más cerca, considere agregar una longitud de coaxial choke o un ferrite.
  • Ignorar el tipo de elemento impulsado: Un dipolo doblado tiene un impedancia diferente y un centro de fase ligeramente diferente en comparación con un simple dipolo de media onda. Ajustar el espaciado de reflector por alrededor de 0.01λ cuando se utiliza un dipolo plegado para compensar la geometría de elemento más amplia.

Herramientas de simulación y optimización

[LT:2] El sistema de control de la interfaz de usuario, que se utiliza para mejorar la calidad de los usuarios, se utiliza para mejorar la calidad de los usuarios, y se puede utilizar en el sistema de control de los usuarios.

Para una optimización seria, considere utilizar optimizadores basados en algoritmos genéticos (como el incorporado en 4nec2) que pueden variar simultáneamente 10+ parámetros (longitudes de elementos, espaciados y diámetros) para lograr un objetivo multiobjetivo: alto rendimiento, bajos sidelobes, buena relación de geometría de frente a lado, y una impedancia de 50 mm. Tal optimización puede producir diseños que superan las tablas convencionales por 1–2 dB

Verificación en el mundo real

Después de construir la antena según dimensiones calculadas y simuladas, utilice un analizador de red vectorial (VNA) o un analizador de antena para medir la entrada VSWR. Un Yagi bien diseñado debe mostrar un salto en la frecuencia de diseño con un ancho de banda (VSWR 2:1) de típicamente 3–5% para diseños de banda estrecha y hasta 10% para espaciamientos más amplios.

Un método de validación práctico: establecer un dipolo de referencia a una distancia fija (al menos 10λ) y medir el nivel de señal recibido. Luego, reemplazar el dipolo con su Yagi, apuntando directamente a la fuente. La diferencia en dB (después de contabilizar las pérdidas de cable) es la ganancia avanzada relativa a un dipolo excesivo (dBd). Añadir 2.15 dB para convertir a dBi.

Consejos de construcción para resultados consistentes

La atención al detalle mecánico puede marcar la diferencia entre una simulación que funciona y una antena física que decepciona. Usar un boom no conductor si es posible – fibra de vidrio o PVC – para eliminar el acoplamiento parasitario. Si usted debe utilizar metal, aislar cada elemento con los bushings de nylon o una sección corta de tubos de plástico donde pasa por el boom.

Conclusión

El punto focal y el elemento espaciado en un diseño de antena Yagi no son meras curiosidades teóricas, son los botones fundamentales que ajustan ganancia, relación frontal a posteriori, y la impedancia coinciden. Entendiendo que el elemento impulsado debe sentarse entre 0.1λ y 0,2λ en frente del reflector para interceptar el campo concentrado reflejado, y que el director espaciamiento de 0.15λ controla la formación de haz