הבעיה הבונדית ב- Yagi Antennas

האנטנה Yagi-Uda הייתה כלי אמין לתקשורת כיוון מאז כניסתה בשנות העשרים של המאה העשרים. עיצובה הוא פשוט - מרכיב מונע עם משקף מאחוריה וכמה מנהלים בחזית - עלייה גבוהה ורווח חזית טובה לדחייה טובה עם עלויות חומר נמוכות יחסית.במשך עשרות שנים, מהנדסים הטמיעו את האנטנות האלה למגוון תדרים צרים, השגת רוחב פס של 5 עד 10 אחוזים במתח של 2:1, יחס רדיו יציב עבור להקות רדיו מתוחכמות מספיק.

מערכות אלחוטיות מודרניות פועלות בתנאים שונים מאוד.רדיו מוגדרים תוכנה, גישה ספקטרום דינמי, ורב פס אחורי תא דורש אנאנטנות כי תפקוד בטווחי תדר המשתרעים על פני octave או יותר. A קונבנציונלי Yagi עם אלמנטים חד-צדדיים מגלה במהירות את החסרונות שלה: קלט שטף קבוע של תנודות עם תדירות, רווחים לפתח עמוק בלהקות, ואת הקרינת הטמפרטורות איטיות כמו גם את הירכיים של חומרים דרמטיות של מגנטיות של מומנטום.

הפיזיקה ברורה: כל אלמנט צינלי פועל כעיגול מהדהד עם אורך חשמלי מסוים.כפי שתדירות נעה הרחק ממרכז העיצוב, תגובה משתנה במהירות, גורם להפחתה של חוסר התאמה דפוס והשפלה. הפיכה הדדית בין אלמנטים מגביר את הריאציות האלה, יצירת שרשרת של אינטראקציות פס צר-פעמי.

מה בעצם אומר בעצם טייפינג

חומרת אלמנטים מציגה שינוי מבוקר, הדרגתי בקוטר המנצח לאורך כל אלמנט טפילי או מונע.במקום מוט אחיד, האנטנה משתמשת באלמנטים ששטחם משתרע או חוזים על פי פרופיל שנבחר בקפידה.פול טיפוסי עשוי למדוד 15 מ"מ בקוטר בקוטר בנקודת ההזנת המרכזית שלו ולנצל בצורה חלקה עד 3 מ"מ בטיפים.זה מציג מבנה משתנה באופן קבוע להפחתה של עיצובים פנימיים, אשר מכווצים את המשתנים.

גישה זו שואבת ישירות מתיאוריה רחבה של פס רחב, שבו conical ו-קשת-tie Geometries כבר מזמן ידוע לתגובת הרחבה של עכבות שטוחה. בהקשר של Yagi, קלטת מוחל לא רק על האלמנט המונע אלא גם למנהלים, ולפעמים, המשקף.המטרה היא להפיץ את השיאים המהדהדים לאורך מסלול של אורכו של אורכו של טלוויזיות, הורדת המערכת הכוללת ולהרחיב את ה- Qoffy ו-Cosopertexreatives-line, בדרך כלל, בדרך כלל, בדרך כלל, בוחרים את המורכבות של המשתנים.

כדי לבחון לעומק כיצד מעברי האימפולס ההדרגתיים מייצבים את התנהגות פס רחב, העבודה הבסיסית על עיצוב רחב פס רחב המתואר ב-FLT:0) הניתוח של תורת אנטנה של גרסאות רחבות של פס רחב (FLT) מספק רקע שימושי.

למה לצטט את Broadens Bandwidth: The Physics

המנגנון הראשי מאחורי יעילותו של הקלטת הוא ההפחתה של גורם Q היעיל של האנטנה.Q הוא היחס של אנרגיה ראקטיבית מאוחסן כדי לקרינה אנרגיה במחזור. אנטנה גבוהה-Q קורנת ביעילות רק בתוך להקה תדר צר כי עקומת התגובה שלה היא תלולה, גרימת אי התאמה מהירה כמו שינויים תדר.

במערך Yagi, ה-Auto desance של האלמנט המונע על תרשים סמית' הופך מלולאה הדוקה לספירלה רחבה כאשר הוא מיושם.ה ⁇ הרחבה הזו שומרת על הדחף בתוך 2:1 VWR מעגל על מרווח תדר רחב הרבה יותר.האלמנטים הפרציטיים גם ליהנות: ההתפלגות הנוכחית שלהם הופכת פחות פסגות, ואת ההפיכה ההדדית בין אותם מייצבים על פני תדרים בדרך כלל לא יכול להיות יעיל יותר כדי ליצור רוחב פס רחב יותר.

גורם נוסף הוא דיכוי של אפקטים של פיזור על אלמנטים. a truncation חדה של מנצח עבה מייצרת פיזור קצה משמעותי, אשר נראה כמו קנאות גבוהות וקרינת backlobe מוגברת. Tapering מאפשר רדיוס חשמלי להפחית חלקה, צמצום ההפסקות הנוכחית ב הקצוות.זה מדכא רכיבי קרינה לא רצויים ומסייע לשמור על מדדים של סגסוגת Yagireds באופן רדיקלימי של תצוגות קיצוניות לעתים רחוקות של 25 אחוזים של ביצועים נחשבומטר אחד עם 2:1B אחד עם 2.

השוואת פרופילים וחתימות החשמל שלהם

בחירת פרופיל הטלטר משפיעה ישירות על מסלול ההסתה של האנטנה ויציבות דפוס.שלוש פרופילים שולטים בעיצוב רחב מודרני של פס יאגי:

  • (FLT:0)Linear טאראר: 1FLT: הקוטר משתנה בקצב קבוע ממרכז לטיפ.פרופיל זה פשוט למכונה ומספק הרחבה רוחב פס בינוני, בדרך כלל 15 עד 20 אחוזים רוחב פס חלקי.פרופיל ליניארי מייצר מעבר מעט יחסית חלק אך עשוי להשאיר את הקרע השוני בסוף הלהקה.
  • (FLT:0) מפיץ חובה: FLT:1 הקוטר עוקב אחר פונקציה אקספוננציאלית, ריכוז של צלב עבה יותר ליד המרכז וקליט במהירות לעבר הטיפים.פרופיל זה מניב את רוחב הפס הרחב ביותר - לעתים קרובות מעל 30 אחוזים - כי המעבר האינטנסיבי הוא הדרגתי ביותר באזור שבו הזרם הוא חזק ביותר.
  • (FLT:0) Cosine-squared טאלר:BuildFLT:1) הקוטר משתנה בהתאם לתפקוד קוסטין-squared, מתן מעבר חלק מאוד במרכז והטיפים.פרופיל זה מציע יציבות דפוס מעולה והוא מעדיף ביישומים שבהם דיכוי צדולה הוא קריטי.הרחבה רוחב הפס הוא דומה לפרופיל ליניארי, אבל התבנית היא מעולה.

בפועל, עיצובים רבים משתמשים בנספחים מתקדמים לפרופילים המתמשכים הללו על ידי קינון צינורות טלקופינג של קוטרים מופחתים. A תלת-שלבי משתמש 12-מילימטר, 8-מילימטר, ו-5 מ"ממבט יכול ללכוד 80 עד 90 אחוזים של היתרון של מדבק ממכונה מלאה בשבריר של העלות.המפתח הוא לדרגות בנקודות שבהן מקצרים נמוכה, כל אחד מהם הוא הגורם למזערי.

שיטת עיצוב שיטתית עבור Tapered Yagis

בניית טייפ בעל ביצועים גבוהים יאגי דורש סימולציה אלקטרומגנטית קפדנית ואופטימיזציה של הרצאתית.התהליך בדרך כלל מתפתח באמצעות מספר שלבים.

פרדוקס ראשוני

המעצב מגדיר את פרופיל ה-Tater עבור כל אלמנט במונחים של קוטר במרכז, קוטר בקצה, ואת הפונקציה המתמטית השולטת במעבר. פרמטרים אלמנט Driven נקבע ראשון, שכן אלמנט זה שולט בהתנהגות הניתוק קלט.מנהלים הם אז פרמטר עם פרופילי ה-Ter שלהם, לעתים קרובות לאחר גרף דינמי המראה את ההתקדמות של האלמנט.

סימולציה מלאה ואופטימיזציה

באמצעות כלים כגון CST מיקרוגל Studio, Ansys HFSS, או NEC מבוסס אופטימיזציה, המעצב מטאטא את הפרמטרים של ה-Cter על פני תדירות תוך ניטור S-paras, רווח, ויחס לפני-back.המטרה אופטימיזציה היא בדרך כלל למזער את ה-VWR המקסימלי על פני רצועת היעד תוך שמירה על רווח מתחת לסף מוגדר.זה הוא בעיה רב-סביר כי היתרונות מאלגוריתמים או ממערכות גנטיות במיוחד מאשר חמישה אלמנטים.

המונחים: pointאינטגרציה

מיפוי האלמנט המונע משנה את הפחתת נקודת ההזנת כלפי מטה.חלק מרכז עבה מציג תנופה נמוכה יותר, לעתים קרובות נופל מתחת 50 הומס. מהנדסים לפצות על משחק gamma, T-match, או מתקפל וריאנטול רחב של ה dipolered מטבולד לעתים קרובות מאפשר רשת התאמה קבועה יותר כי האימפולס עוקבות עקביות יותר עם התדר:0ARR.

אימות ותיקון

עיצובים סימלוטיים חייבים להיות אבטיפוס ובדיקה בחדר anechoic או בטווח חיצוני. Vector Network לנתח מדידות של VSWR ורווחה בהשוואה לסימולציה לזהות פערים.בעיות נפוצות כוללות התנגדות משותפת באלמנטים מואצים, אינטראקציה בום, ועומס דיאלקטרי חומרה עלה.כל אחד מהם מחדד את המודל ומפגיש את האנטנה הפיזית קרוב יותר לביצועים מדומים.

קבלות ביצועים

כאשר יאגי מוקרן משווה ישירות לתכנון אחיד של מטר המכסה את אותו תדר מרכז, השיפורים הם משמעותיים וסבירים:

  • (FLT:0)Bandwidth: FLT:1חיקויים Tapered להשיג באופן שגרתי 25 עד 35 אחוזים רוחב פס חלק ב- VSWR מתחת 2:1, בעוד אחידים Yagis בדרך כלל לנהל 5 עד 10 אחוזים. הפער רחב יותר כאשר 1.5:1 VSWR קריטריון מוחל על ידי פחות מ"ג'י של 6 ⁇ "ב 435 מגהה עשוי לכסות 410 מוקדם יותר מ"ל עם חומר בגודל 5 מ"ד.
  • (FLT:0)Gain Flatness:FLT:1 , לעתים קרובות מציגות שיאים מתגלגלים בחדות, ירידה 2 עד 3 דציבלים בשוליים של הלהקה. Tapered Yagis לשמור על רווח בתוך פלוס או 0 0.5 decibels על פני טווח ההפעלה כולו. עקביות זו היא קריטית עבור יישומים כמו ניטור ספקטרום שבו יש צורך להשוות את עוצמת האות במדויק על פני תדרים.
  • יחס החזית-ל-בחזרה:0 יחס החזית-ל-back של עיצובים אחידים מתפוגג במהירות מחוץ לחלון תדר צר, לפעמים יורד מתחת ל-10 דציבלים בשוליים. Tapering מייצב את ההפיכה הפרסיטית שיחסי החזית-ל-החזרה נותרו מעל 20 הריסות רחבות יותר - לעתים קרובות מלא עד 30 אחוזים רוחב פס.
  • (FLT:0) טביעת הרגל הפיזיולוגית: 1 משום שבמאים מרוקנים יותר חשמל בשל הסעיפים העבים יותר שלהם, פחות אלמנטים נדרשים להשיג רווח מסוים. עיצוב של חמישה חלקים יכול להתאים את רווח של מערך אחיד של שש או שבעה-הישול במרכז הלהקה תוך מתן רוחב פס עליון.

משקל ועלויות מציגות את המרכיבים המקולקלים של המסחר.תמיד מכווצים להוסיף המונים ודורשים תפנית מדויקת.עם זאת, חיסול רשתות התאמה חיצוניות וההפחתה של ספירת האלמנטים הכוללת יכול לצמצם את פער העלויות.ביישומים צבאיים ומסחריים שבהם שולי ביצועים הם קריטיים, היתרון רוחב הפס כמעט תמיד מצדיק את הפרימיה.

אתגרים מכניים ושחיתות מעשית

תרגום עיצוב מוקרן לתוך אנטנה פיזית אמינה דורש תשומת לב זהירה לפרטים מכניים.כמה אתגרים נפוצים מתעוררים במהלך כוונון וייצור.

אינטגרציה משותפת ב-Standped Elements

חלקי צינור Telescoing חייבים ליצור צמיגים נמוכים, מפרקים יציבים מכניים. Oxidation ורכיבה תרמיים יכולים להציג צומת לא-לינארי, שהם בעייתיים במיוחד במערכות דופלקס שבו יש למזער את האינטגרציה הפסיבית נגד קורוזיה מוליכים יש ליישם בכל מפרק, ומכניקה באמצעות מבולטים או סט ברגים עדיף על פני התקשורת בלבד.

המונחים: Wind Loading

טיפ ארוך, מוקרן במאי יכול להתפתל בתדרים טבעיים אשר עולים בקנה אחד עם צאת הרוח המושרה.זה מוביל עייפות מכנית וכישלון בסופו של דבר. שרוולים עשויים סיליקון או ניאופרין ירד על פני קצה קצה קצה קצה קצה יכול לשנות את התדר המהדהד מחוץ ללהקה. לחלופין, שטוחה קלה של הטיפ ליד הטיפ - תוך גרימת ביצועים לא-מסלולאריים - מבלי לשנות באופן משמעותי את הביצועים החשמליים.

אפקט אינטראקציה

הפריחה עצמה הופכת אלמנט קורנינג כאשר הקוטר שלה הוא משמעותי יחסית לאורכי הגל.באמצעות הבוץ, שבו אלמנטים עוברים דרך הפריחה והחיבור במרכז, משנה את הקוטר היעיל של האלמנט המונע בשלב ההזנה.אפקט הזה חייב להיות כלול במודל הסימולציה וניתן לנצל על ידי עיצוב הפריחה כחלק העבה ביותר של ה-A בום, אשר ממצילים ממרכז כדי לשרת פונקציות גדולות יותר ואלקטרומגנטיות יכולות לשרת יותר.

דרישות סימטריות

מיפוי האלמנט המונע באופן סימטרי - למשל, חצי עבה יותר מהשני - משחיתים העיקריים מחוץ ל-Hamtedud. Strict מכני סימטריה הוא חיוני אלא אם שינוי שלב מכוון הוא הרצוי עבור עיצוב קרן. Symmetry צריך להיות מאומת עם בדיקה פיזית של כל אחד לפני ההרכבה, כמו אפילו סובלנות מאצ'ינג קטנה יכול לייצר דפוס מדידה.

יישום נהיגה בעולם האמיתי

הביקוש לאנטנות יאגיות מרוקדות מקורו ממגזרים שבהם כיוון פס רחב אינו מותרות אלא צורך מבצעי.

  • (FLT:0) ניטור וסיגום מודיעין: FIRLT:1 וסוכנויות הביטחון דורשים יירוט אותות על פני טווחי תדר רחב - מ VHF ל- L-band - באמצעות פלטפורמה אנטנה אחת. A Tapered Yagi מותקן על רוטטור מספק רווח גבוה וכיוון מציאת יכולת ללא צורך חילופי אנטנה מרובים.
  • (FLT:05G Backhaul בלהקות תת--6 ג'יגהארץ:FLT:1 קישורים אלחוטיים קבועים לעתים קרובות משתרעים על להקות דיסקרטיות מרובות או חייב להיות reconfig in the field. a רחב פס Yagi המכסה 3.3 עד 4.2 ג'יגההרץ מבטל את הצורך במלאי ולפרוס מודלים אנטנה שונים עבור כל להקה, מפשט את הלוגיסטיקה וצמצום זמן הפריסה.
  • (FLT:0) אסטרונומיה והתבוננות עמוקה בחלל: ההרחבה הארוכה של תצפיות ארוכות (FLT:1 ), נהנה מאנטנות שמבצעות באופן עקבי על הקצאות תדר רחבות ללא כוונון.ניתן לשלב את מערך Yagi של טייפדמן כדי ליצור חזית טלסקופית דלת-רעש, רגישות גבוהה מסתיימת כי שמירה על קיברון על פני התבוננות בחלונות.
  • (FLT:0) תחרות רדיו אדדור: FLT:1 אופרות ערך אחד גבוה מגה-ג'י מכסה להקות מרובות. עיצובים מקודדים כבר הוצבו בהצלחה עבור הלהקה 6 מטר, המכסה 50 עד 54 מגהץ עם קרן קל משקל אחד, ומסיבה של 2 מטר שבו ל-145 מגהץ נדרש כיסוי.

יישומים אלה חולקים צורך בכיוון אמין, רחב פס כי אחידים מסורתיים Yagis לא יכול לספק. Tapering ממלא את הפער ללא המורכבות והגודל של מערךים ביו-משפטיים או אובדן רשתות התאמה חיצוניות.

המלצות עיצוב מעשי

מהנדסים ותחביבים מנוסים שנושאים פרויקט יאגי מוקרן צריכים לעקוב אחר כמה המלצות מבוססות ראיות:

  • התחל עם מודל אלקטרומגנטי מלא גלי ופרמטריזציה של כל פרופיל טאקר.נוסחאות אנליטיות פשוטות מתיאוריה dipole אחיד לא ללכוד את ההשפעות ההפיכה ההדדית במערך רב-התכליתי. השתמש סימולציה ליחסי קוטר גורפים, פונקציות פרופיל, ואת האלמנט ספיגה בו זמנית.
  • לא רק האלמנט המניע, אלא לפחות שני המנהלים הראשונים.השיפור רוחב הפס ממחיש רק את האלמנט המונע מוגבל; הדירקטורים שולטים על רוחב הפס ההפיכה שקובע יציבות דפוס. מערך מוקרן מלא של חמישה עד שבעה אלמנטים מניב את ההחזר הטוב ביותר על מאמצי הנדסה.
  • קבל פשרה פרגמטית בין מורכבות מכנית וביצועים חשמליים. A עלה על ידי שני או שלושה קוטרים צינור ללכוד את רוב היתרונות של אלמנט מופעל ברציפות תוך השארת מביצועים על ידי חנות מכונות מקומית.
  • אבטיפוס של בדיקות על פני טמפרטורה ותנאי רוח.ההתרחבות הארומית ושיקום תנודתי מכני יותר בעיצובים מרוקנים כי הטיפים הדקים משנים את אורך החשמל במהירות רבה יותר עם טמפרטורה חיצונית במהלך מספר ימים מגלה את ההשפעות האלה לפני הפריסה.
  • תכנון מסמך ביסודיות ולשתף מדידות עם הקהילה.המידע שפורסם על ביצועי Yagi מרוקדים עדיין דלגן בהשוואה לעיצובים אחידים.כל אבטיפוס מוכר היטב מקדם את ההבנה הקולקטיבית של טכניקה רבת עוצמה זו.

עבור אלה המבקשים חומר התייחסות נוסף על עיצוב אנטנה פס רחב, הפתק הטכני על טכניקות עיצוב אנטנה (FLT:0wideband טכניקות עיצוב אנטנה עיצוב אנטנה מ Analog מכשירים FLT:1 מציע תובנה משלימה לתוך אסטרטגיות התאמה של חוסר יכולת בשילוב עם מחמת אלמנט.

מבט קדימה

חומרת אלמנטים הופכת את האנטנה Yagi-Uda ממכשיר מומחיות צר-band לתוך כלי רחב פס מסוגל לפגוש דרישות ספקטרליות מודרניות. על ידי החלפת מעברים אקראיים פתאומיים עם דירוג חלק, מהנדסים באופן שיטתי מטה האנטנה Q, לזרז את עקומת התגובה, ולייצב את דפוס הקרינה על פני מרווחי תדר שהיו פעם בלתי ניתנים להשגה.

ההתכנסות של סימולציה אלקטרומגנטית סבירה, דיוק מטמון, וביקוש גובר עבור מערכות תדירות-agile עמדות קלטו את יאגיס כפתרון מעשי עבור מהנדסים הזקוקים לרווח גבוה ורוחב פס רחב ללא עונשים של גודל, מורכבות, או אובדן. Mastering גישה עיצוב זה מצייד את מתרגלי אנטנה לגשר על הפער בין מורשת רדיו קלאסית צר פס רחב לעתיד רב-פס של קישוריות אלחוטית.