La Antena Yagi-Uda: Principios básicos y Metrices de Rendimiento

La antena Yagi-Uda, inventada por Hidetsugu Yagi y Shintaro Uda en 1926, sigue siendo uno de los diseños de antena direccional más elegantes y eficaces. Su estructura es engañosamente simple: un elemento conducido (por lo general, una dipola de media onda o dipolo plegado) está flanqueado por un elemento reflector ligeramente más largo detrás de ella y uno o más elementos de la dirección electromag

Un buen diseño de la banda estrecha, pero el control de la banda estrecha, que es de 55 grados, para un diseño de tres elementos, hasta 25 grados o menos para los arrays con diez o más elementos. La relación de la banda frontal a la espalda, una medida de la capacidad de la antena para rechazar las señales desde atrás, y en principio la teoría de referencias de 20 a 30 dB.

Más allá de la clásica Yagi, las implementaciones modernas utilizan la tecnología de tableros de circuito impreso (PCB) para crear antenas "Quasi-Yagi". Estos diseños impresos reemplazan varillas parasitarias con tiras de cobre grabadas en un sustrato dieléctrico, ofreciendo un menor costo, rendimiento repetible, y la capacidad de integrar balones y redes de emparejado directamente en el tablero.

MIMO multi-usuario: El Imperativo de Múltiple espacial

Multi-User MIMO es una tecnología fundamental en los estándares inalámbricos modernos, incluyendo 4G LTE-Advanced Pro, 5G NR y Wi-Fi 6 (802.11ax) y Wi-Fi 7 (802.11be). A diferencia de los usuarios individuales MIMO, que dirige múltiples flujos espaciales a un solo dispositivo, MU-MIMO permite una estación base o punto de acceso para comunicarse con varios usuarios distintos simultáneamente en el mismo espectro espacial.

La realización práctica de la ganancia MU-MIMO depende críticamente de la capacidad de la estación base para adquirir información precisa de canal de enlace (CSI) para cada usuario. Esto se obtiene normalmente a través de señales de referencia de sonido de enlace o retroalimentación explícita. El sistema de antena aplica pesos de precodificación angulares —calculados de las estimaciones del canal— para crear rayos con baja puntuación transversal.

La Rationale para Antenas Yagi en Sistemas MU-MIMO

Aunque los arrays totalmente digitales con docenas de elementos de parche representan el enfoque principal para las estaciones base de macro-celulares, las arquitecturas basadas en Yagi ofrecen ventajas distintas en contextos de implementación específicos. Un único Yagi con cuatro o cinco elementos puede ofrecer 12 dBi de ganancia utilizando poco más de unas pocas varillas de metal y un simple balón. Un array de parche requeriría al menos cuatro elementos, una red de alimentación corporativa, y un plano de tierra para abordar el mismo rendimiento,

Más allá del costo, la directividad inherente de Yagi proporciona rechazo pasivo de interferencia. Las señales que llegan desde fuera del rayo principal se atenúan por 20 dB o más sin ningún procesamiento activo de señales. Este filtrado espacial pasivo reduce los requisitos de rango dinámico en convertidores analógico-digital y reduce la carga computacional en el precoder digital, permitiendo al sistema asignar más recursos de procesamiento a las redes de interferencia de usuario.

La limitación obvia es que un único Yagi produce sólo un haz a la vez. Para servir a múltiples usuarios simultáneamente, el sistema de antenas debe combinar múltiples Yagis en una configuración conmutada o gradual, o modificar la estructura parasitaria para permitir la dirección electrónica del haz. Estos enfoques arquitectónicos se exploran en detalle en las secciones siguientes. Los diseñadores también deben contender con el ancho de banda inherentemente estrecho de Yagi en comparación con dipoles de banda ancha que requieren una banda cuidadosa

Parámetros de diseño crítico para los rayos MU-MIMO Yagi

Director Conde y el Comercio de la Gain-Bandwidth

Cada elemento director adicional aumenta el componente de onda de viaje a lo largo del boom, aumentando la ganancia y estrechando HPBW. Un diseño cuidadosamente optimizado de seis elementos Yagi consigue aproximadamente 13 dBi ganancia con un ancho de haz de 35 grados, mientras que un diseño de diez elementos puede alcanzar 14.5 dBi con un ancho de banda de 28 grados.

Aparición inter-elemento y couplinga mutua

Las múltiples antenas Yagi se colocan en un array lateral para servir rayos independientes, el espaciado centro-centro se convierte en un parámetro crítico. El espaciado insuficiente aumenta el acoplamiento mutuo entre elementos adyacentes, alterando la impedancia de entrada, distorsionando los patrones de radiación y elevando el coeficiente de correlación entre los puertos de antena.

Impedancia de banda ancha que coincide en la banda de operaciones

El elemento de impulso es el punto focal de la ingeniería de ancho de banda en cualquier diseño de Yagi. Un dipolo plegado presenta naturalmente una impedancia cerca de 300 ohmios, que se puede transformar a 75 ohmios utilizando un balón de 4:1, pero la rápida variación de impedancia de los límites de resonancia de ancho de banda usable.

Profundidad de la campana y supresión de la presión de la acera

En un sistema MU-MIMO, cada grado de ancho de haz afecta directamente al aislamiento de los usuarios. Un haz demasiado amplio cubrirá inadvertidamente a dos usuarios, causando interferencia entre usuarios que degrada SINR para ambos. Un haz demasiado estrecho puede perder el seguimiento de un usuario durante movimientos de banda pequeña o debido a variaciones de canal.

Arquitecturas para el apoyo multi-usuario simultáneo

Arrays multi-Yagi sectorizados

El enfoque más sencillo para servir a múltiples usuarios con antenas Yagi es desplegar varios elementos fijos, cada uno cubriendo un sector angular distinto. Cuatro Yagis con anchos de haz de 30 grados dispuestos en un mástil común pueden cubrir colectivamente un espacio angular de 120 grados horizontales. Un procesador de banda base selecciona qué puerto de antena sirve a qué usuario basado en mediciones de calidad de canal de cada sector.

Radiadores de rayos pasivos transmisibles electrónicamente (ESPAR)

El concepto de conexión de bandas transmisibles (ESPAR) representa un avance significativo en la estructura de rayos Yagi. Una antena ESPAR consiste en un elemento único impulsado, por lo general un monopolio o dipolo, rodeado de un anillo de elementos parasitarios, cada uno cargado con una reacción variable como un diodo de PIN o un diodo de varactor.

Arrays de Yagi Elements

Para sistemas de mayor rendimiento, una matriz lineal o planaria de antenas Yagis puede alimentarse a través de una red corporativa de transmisores de fase y atenuadores. Este enfoque híbrido aprovecha la ganancia de alto rendimiento de Yagis individuales para reducir el número total de módulos transmisores/receptivos activos necesarios en comparación con un conjunto de parches convencional.

Sistemas de vapor multi-beam de la matriz de la matriz de la máquina

Una matriz de alimentación de tipo Yagi, que se ha convertido en una red de alimentación pasiva, que permite un sistema de rayos espaciales y de rayos de entrada múltiples. Una matriz de 4×4 que permite una serie lineal de cuatro antenas de Yagi genera cuatro rayos diferentes, cada uno apuntando en una dirección diferente y mostrando una superposición de patrón mínima.

Estrategias de gestión de las interferencias y separación de usuarios

La capacidad de un sistema MU-MIMO para distinguir usuarios depende de la correlación espacial entre sus firmas de canales. La alta relación frontal-a-back en una antena Yagi -típicamente 20 a 30 dB- es una ventaja natural, ya que atenua fuertemente las señales angulares de las direcciones detrás del rayo principal. Cuando múltiples Yagis se utilizan simultáneamente, la separación angular entre sus direcciones de visión debe ser suficiente para mantener una regla de sobre baja

El uso de sistemas de radiación de alta densidad de los usuarios de la serie ESPAR o de la serie Yagi es una opción de control de los sistemas de alta densidad de usuarios, que permite al sistema dirigir los rayos hacia grupos de usuarios de alta densidad, mientras que coloca los nulos hacia fuentes de interferencia de dominios fijos.

Ingeniería de ancho de banda para estándar de banda ancha moderna

5G NR operando en bandas sub-6 GHz como n77 (3.3 a 4.2 GHz) y n78 (3.3 a 3.8 GHz) requiere anchos de banda de canal de hasta 100 MHz. Una antena Yagi convencional diseñada para una sola resonancia estrecha no puede cubrir este rango sin variación inaceptable en la impedancia de ganancia y entrada. Se utilizan varias técnicas establecidas para ampliar el ancho de banda operacional de antenas Yagi

  • ] Escalado de log-periodico: Las longitudes y espaciados de los elementos directores se escalan en una progresión geométrica, de modo que diferentes secciones de la matriz resonan en diferentes frecuencias. La región activa se desplaza a lo largo del boom a medida que cambia la frecuencia, produciendo una respuesta continua de banda ancha con una ganancia relativamente constante y características de patrón.
  • Elementos de profil de púas y de proa: El uso de conductores cilíndricos con un diámetro grande relativo a longitud de onda reduce el factor Q de cada elemento, ampliando el ancho de banda de impedancia. El paso del diámetro a lo largo del perfil de elementos introduce múltiples resonancias que se pueden fusionar en un solo partido de banda ancha.
  • Carga de tono parasitario: Los problemas de transmisión cortos o de circuito abierto unidos al elemento impulsado introducen resonancias adicionales en frecuencias controladas. Con un diseño cuidadoso, estas resonancias pueden ser posicionadas para superponerse con la resonancia principal, ampliando efectivamente el ancho de banda de impedancia entre 50 y 100 por ciento.
  • ] Profundidad de guía de onda integrada por sustratos: Para frecuencias de onda milímetro, las antenas de quasi-Yagi impresas alimentadas por estructuras SIW pueden lograr anchos de banda fraccionados superiores al 20%, manteniendo una alta eficiencia de radiación y estabilidad de patrón en toda la banda.Los alimentadores SIW también proporcionan una integración de baja pérdida con transceptores de mmWave.

El objetivo de ingeniería para la mayoría de los diseños comerciales de banda ancha Yagi es un VSWR por debajo de 2:1 con una variación de ganancia de menos de 2 dB en toda la banda con licencia. Lograr estas especificaciones simultáneamente con las exigencias de la pureza de la directividad y el patrón de MU-MIMO es un proceso de diseño iterativo desafiante que requiere una amplia simulación y optimización electromagnética de onda completa.

Estudio de caso: Un 3,5 GHz ESPAR Array para células pequeñas 5G

Para ilustrar estos principios de diseño en una aplicación concreta, considere una estación base de pequeñas células diseñada para la banda n78 centrada en 3.5 GHz. Una antena ESPAR se construye utilizando un elemento central de media onda rodeado de seis elementos de monopolio parasitarios dispuestos en una configuración circular con un radio de longitudes de onda 0.35.

El rendimiento medido de este prototipo de ESPAR muestra 9.5 dBi ganancia de la vista con una relación frontal-PAR-back superior a 25 dB en la banda de operaciones. El ancho de banda de 10 dB de pérdida de rendimiento cubre la gama total de 3,3 a 3,8 GHz. En un ensayo de campo con cuatro dispositivos de uso colocados en posiciones simultáneas alrededor de la estación base, el sistema emplea un esquema de síntesis de la línea redonda

Emerging Directions and Future Evolution

Los transductores de frecuencias de carga líquidas pueden ser utilizados por ultraconductores de frecuencias y se pueden convertir en sistemas de 6a generación, el concepto de antena Yagi-Uda se está ampliando a nuevos regímenes de frecuencia e integrados con materiales avanzados.

El concepto de Superficies Inteligentes Reconfigurables (RIS) comparte similitudes operacionales profundas con grandes arrays Yagi parasitarios. Un panel RIS puede ser visto como una serie bidimensional de dispersadores parasitarios cuya fase de reflexión es individualmente controlable, formando rayos y nulas a través de la viga pasiva.

En el lado del sistema, se están desarrollando algoritmos de aprendizaje automático para determinar la configuración óptima de carga parasitaria para un determinado conjunto de canales de usuario en tiempo real, superando la necesidad de barrer y reducir la estimación del canal sobre Antehead. Estos circuitos de control impulsados por IA, entrenados en grandes conjuntos de datos de realizaciones de canales mediante el aprendizaje profundo del refuerzo, prometen hacer ESPAR y soluciones de rayos parasitarios relacionadas realmente adaptables

Resumen

El diseño de las antenas de Yagi para los sistemas multiusuario MIMO requiere una integración disciplinada de la teoría de la antena clásica con los requisitos modernos de procesamiento de señales. El desafío de diseño clave consiste en equilibrar simultáneamente ganancia, ancho de banda, ancho de haz y pureza de patrón dentro de las limitaciones de coste y sencillez mecánica.