L'anatomia di un'antenna Yagi: un rapido Refresher

Prima di immergersi nei calcoli, aiuta a rivedere la struttura di base. Uno standard Yagi consiste in tre tipi di elementi montati su un boom: un singolo elemento critico] (di solito un dipolo a mezza onda o un dipolo piegato), uno reflector[FLT-:3] posizionato dietro l'elemento di fase guidato, e uno o più breve

Comprendere il punto focale in Antenna Yagi

In ottica, un riflettore parabolico porta le onde del piano incidente ad un unico punto focale dove dovrebbe essere posizionato l’antenna di alimentazione. Il riflettore Yagi non è un parabola continuo, ma il principio di collisione dell’energia in un lobo principale è analogo. Quando un’onda di piano arriva dal fronte, l’elemento riflettore si comporta come un diffusore di risonanza.

Definire la distanza focale efficace

In un Yagi, non c'è un solo obiettivo fisico perché il riflettore è un dipolo finito piuttosto che uno specchio curvo. Tuttavia, le simulazioni numeriche e gli studi empirici hanno costantemente dimostrato che il massimo rapporto anteriore-torno e il guadagno sono raggiunti quando l'elemento guidato è situato 0,1λ a 0.2λ avanti del riflettore.

Influenza della lunghezza del riflettore nella zona focale

Il punto focale efficace non è indipendente dalle dimensioni del riflettore. Un riflettore che è esattamente una lunghezza di mezza onda alla frequenza di progettazione appare come un dipolo di interazione risonante; il suo campo di ri-radiated è in fase con il campo elettrico dell'onda incidente, che porta alla cancellazione dietro ma richiede un certo spostamento di fase per l'aggiunta in avanti.

Il ruolo del centro di fase

Un modo più rigoroso per pensare al punto focale è il centro di fase del riflettore. Per un dipolo a risonanza, il centro di fase è vicino al centro dell'elemento, ma come il riflettore è allungato (fatto induttivo), il centro di fase si allontana leggermente dal centro fisico.

d ≈ λ/2π * (π/2 + φ)]

dove φ è il cambio di fase introdotto dal riflettore (in radianti). Per un riflettore tipico con φ ≈ 0.3 rad (17°), d ≈ 0.15λ. Questa formula fornisce una base teorica per la gamma di decibel empirici 0.1λ-0.2λ. In pratica, la differenza tra 0,15λ e 0,18λ può essere solo pochi millimetri a UHF altera, ma che può spostare l'impedance di punto di fronte da

Calcolo del punto focale Passo-by-Step

Determinare la regione focale inizia con la lunghezza d'onda operativa:

λ = c / f], dove c = 299,792,458 m/s (spesso arrotondato a 300 millimetri / s per calcoli rapidi sul campo) e f] è la frequenza nell'hertz.

  • Per un'antenna a banda marina VHF a 156,8 MHz, λ ≈ 1.91 m.
  • Per un collegamento Wi-Fi a 2.4 GHz, λ ≈ 0.125 m (12,5 cm).
  • Per un sistema a 5,8 GHz, λ ≈ 0,0517 m (5,17 cm).

Il riflettore a barra singola standard è il punto di partenza più comune. La sua lunghezza è tipicamente impostata a 0.5λ a 0.52λ[FLT≈:1]]. Utilizzando il valore 0.52λcing per 2.4 GHz fornisce circa 6.5 cm. Poi, l'elemento pilota dovrebbe essere posizionato 0.1λ a 0.2λ

Per le antenne che utilizzano un riflettore angolare o uno schermo multi-rod riflettore, il concetto “punto focale” è più letterale; l’elemento pilotato è posto al centro geometrico della superficie riflettente. In questi casi, la distanza dal vertice dell’angolo all’elemento pilota è tipicamente 0.25λ a 0.35λ, e le barre del riflettore sono distanziate 0.1λ o meno.

Per ottimizzare il punto focale, è possibile utilizzare una tecnica chiamata ]impedance locus mapping]. Misurare l'impedenza di ingresso dell'elemento guidato come la spaziatura a riflettore-driven è variata in piccoli passi (ad esempio, 0,01λ).

Element Spacing: Il motore della direttività

Mentre la spaziatura a riflettore stabilisce la concentrazione sul campo all'elemento pilotato, le distanze tra l'elemento pilotato e i direttori, e tra i successivi registi, controlla l'accoppiamento e il modello di campi ri-radiati che modellano il fascio in avanti.

Spacing tra Elemento Driven e Primo Direttore

Il primo direttore si occupa di sterzare l'energia in avanti. La sua spaziatura dall'elemento guidato è solitamente 0.15λ a 0.25λ. Una spaziatura più stretta (più vicina a 0.15λ) aumenta l'accoppiamento, che può aumentare l'ampiezza attuale sul direttore e migliorare il guadagno, ma al costo di ridurre l'impedenza all'elemento guidato a valori molto bassi.

Spaziatura Inter-Director

Per i registi multipli, la distanza è comune per la semplicità, ma i disegni Yagi ottimizzati spesso rastremano la distanza. La gamma tipica per ogni disco di direzione-direttore è 0.15λ a 0.3λ. Utilizzando una costante 0.15λ può massimizzare il numero di elementi su una data lunghezza del boom, fornendo maggiore direttività, ma abbassa ancora impedenza e ristretto larghezza di banda.

La coerenza di fase e il fattore di argini

Per un Yagi-di-spostamento di una struttura d’onda di viaggio, le onde ri-radiate da ogni elemento devono arrivare ad un punto lontano in fase. La spaziatura tra gli elementi, insieme al cambiamento di fase introdotto da ciascuna lunghezza di elemento (più lunga = induttiva, più breve = capacitiva), determina la fase relativa.

Approccio di progettazione DL6WU

Il metodo di progettazione di Yagiλ3 (DL6-WU) ha pubblicato un metodo di progettazione ampiamente usato per Yagis lunghi (10 o più elementi) che sottolinea la spaziatura ottimizzata per massimizzare il guadagno mantenendo una curva di impedenza liscia.

Mettere tutto insieme: un esempio di design pratico

Progettiamo un Yagi a 5 elementi (reflector, elemento guidato e tre registi) per 433 MHz, una banda ISM comune per telemetria remota, sensori IoT e applicazioni radio di prosciutto.

  1. Lunghezza d'onda di calcolo:[ λ = 300 / 433 ≈ 0.6928 m (69.3 cm).
  2. Lunghezza del reflettore:[ Un buon punto di partenza è 0.51λ ≈ 35.3 cm per un asta in spazio libero; tuttavia, con il boom finito e lo spessore degli elementi, la simulazione lo tratterà. Useremo 35 cm come valore iniziale.Per una lunghezza di partenza più accurata, applicare una correzione per il diametro dell'elemento: se si utilizzano tubi da 6 mm (diametro ≈ 0.0087λ), ridurre di circa 34,5 cm.
  3. La spaziatura a reflettore:[ 0.15λ = 10.4 cm. Questo pone l'elemento guidato nella zona focale approssimativa. Per un rapido controllo, 0.15λ è una scommessa sicura; se si desidera un'impedenza di punto di alimentazione leggermente superiore, provare 0.18λ (12,5 cm).
  4. Lunghezza dell'elemento di guida:[ Idealmente un dipolo a mezza onda corretto per gli effetti finali. La lunghezza di mezza onda libera è di 34,6 cm, ma un dipolo di risonanza è di circa 0.47–0.48λ a causa della capacità di fringing alle estremità.
  5. Primo lunghezza del regista:[ Normalmente 0.45λ a 0.48λ. Scegliamo 0.46λ = 31.9 cm. Spacing dall'elemento guidato: 0.2λ = 13.9 cm.
  6. Secondo direttore:[ Lunghezza 0.44λ = 30.5 cm. Spacing dal primo direttore: 0.2λ = 13.9 cm.
  7. Terzo regista:[ Lunghezza 0.43λ = 29.8 cm. Spacing: 0.25λ = 17.3 cm (destinato verso l'esterno per migliorare la larghezza di banda).

Con queste dimensioni, il guadagno in avanti dovrebbe essere di circa 8–9 dBi, e rapporto anteriore-to-back superiore a 15 dB dopo la simulazione di sintonia. L'impedenza dell'elemento pilotato probabilmente sarà bassa, circa 12–25 ohms, quindi una balun a mezza onda o un dipolo piegato (che passi fino impedenza 4×) sarebbe necessario per abbinare a 50 ohm- in alternativa, si può regolare la spaziatura di aumento del fattore di riflesso di impulso

Strategie di spaziatura avanzate

Variabile Direttore Spacing per Ultra-Wideband Yagis

Se si ha bisogno di coprire un ampio range di frequenze, come l'intero 470–698 MHz UHF banda TV per uso di antenna over-the-air, le spacing fisse che funzionano a fine bassa possono causare restringimento del lobo principale all'estremità alta.

Compensazione dei materiali di Boom

Quando i boom metallici passano attraverso gli elementi senza isolamento, il boom introduce una capacità parassita tra gli elementi e allunga efficacemente ogni elemento elettricamente. Per compensare, la spaziatura fisica deve essere ricalcolata considerando l'efficace costante dielettrica della regione del boom. In alternativa, il montaggio isolato può preservare la spaziatura elettrica, ma poi il boom dovrebbe essere isolato elettricamente ad intervalli per evitare correnti di lunga linea.

Impedenza Abbinamento tramite Regolazione di spaziatura

Una tecnica spesso sovrapposta è quella di utilizzare la spaziatura come elemento corrispondente. Spostando leggermente il primo direttore rispetto all'elemento pilotato (nel rapporto 0,15λ–0.25λ), è possibile spostare l'impedenza del punto di alimentazione sul grafico Smith. Spostando il regista più vicino all'elemento pilota abbassa l'impedenza (più accoppiamento, più corrente, resistenza inferiore); spostandolo più aumenta l'impedenza.

Errori comuni quando si impostano spazi di servizio e punto focale

  • Utilizzando la lunghezza del riflettore pari all'elemento pilotato: Questo elimina l'effetto della direttiva. Il riflettore deve essere più lungo di almeno un po' di per cento. Un errore tipico è quello di tagliare tutti gli elementi alla stessa lunghezza per semplicità; il modello risultante è quasi omnidirezionale.
  • Placing all'elemento pilota troppo vicino al riflettore:[ Le spazzature sotto 0,08λ portano ad un'impedenza di punto di alimentazione estremamente bassa (sotto 5 ohm) e una larghezza di banda stretta, e il punto focale efficace è mancato. Il rapporto anteriore-to-back diventa povero perché l'onda riflessa cancella il segnale in avanti.
  • Diammissione dell'elemento ignorante: Il rapporto di lunghezza-diametro influisce sulla frequenza di risonanza. Per gli elementi spessi, la lunghezza elettrica è più corta della lunghezza fisica; le correzioni di spaziatura sono spesso necessarie perché il centro di fase si sposta.
  • Una breve spaziatura uniforme per tutti i registi:[] Questo può causare un forte dip di impedenza e un cattivo modello ai bordi della banda. Il tapering aiuta a mantenere costante progressione di fase. Anche un semplice aumento da 0,15λ a 0.2λ su tre registi può regolare la curva SWR.
  • Neglettendo l'effetto degli oggetti vicini:[] Quando si progetta un Yagi da montare, la stuoia metallica dietro il riflettore agisce come elemento passivo aggiuntivo e sposta il punto focale efficace. Lasciare almeno 0.25λ tra il riflettore e qualsiasi supporto metallico di grandi dimensioni. Se il masto è più vicino, considerare l'aggiunta di una lunghezza di coassiale o di un ponte in ferri.
  • Ignorando il tipo di elemento pilotato:[ Un dipolo piegato ha una impedenza diversa e un centro di fase leggermente diverso rispetto ad un semplice dipolo a mezza onda. Regolare la spaziatura a riflettore-driven di circa 0,01λ quando si utilizza un dipolo piegato per compensare l'elemento più ampio.

Strumenti di simulazione e ottimizzazione

Mentre i calcoli manuali forniscono un solido punto di partenza, il moderno software di simulazione dell'antenna permette una rapida iterazione e una regolazione fine. Strumenti liberi o a basso costo come 4nec2], simulare la scheda grafica , e EZNEC [FLT]

Per un'ottimizzazione seria, si consideri l'utilizzo di ottimizzatori basati su algoritmi genetici (come quello costruito in 4nec2) che possono variare simultaneamente 10+ (lunghezza degli elementi, spaziature e diametri) per raggiungere un obiettivo multi-oggettivo: alto guadagno, basso lobi laterali, buon rapporto di simulazione anteriore-to-back e un'impedenza di 50-ohm.

Verifiche del mondo reale

Dopo aver costruito l'antenna secondo le dimensioni calcolate e simulate, utilizzare un analizzatore di rete vettoriale (VNA) o un analizzatore di antenna per misurare l'ingresso VSWR. Un Yagi ben progettato dovrebbe mostrare un tuffo alla frequenza di progettazione con una larghezza di banda (VSWR 2:1) di solito 3–5% per i disegni a banda stretta e fino al 10% per il posizionamento più ampio.

Un metodo di validazione pratico: impostare un dipolo di riferimento a una distanza fissa (almeno 10λ di distanza) e misurare il livello di segnale ricevuto. Quindi sostituire il dipolo con il Yagi, indicandolo direttamente alla fonte. La differenza di misura in dB (dopo la contabilizzazione delle perdite di cavo) è il guadagno in avanti rispetto a un dipolo (dBd).

Consigli per la costruzione per risultati costanti

L'attenzione ai dettagli meccanici può fare la differenza tra una simulazione che funziona e un'antenna fisica che delude. Utilizzare un boom non-conduttivo se possibile - vetroresina o PVC - per eliminare l'accoppiamento parassita. Se è necessario utilizzare il metallo, isolare ogni elemento con boccole in nylon o una breve sezione di tubi in plastica dove passa attraverso il boom.

Conclusioni

Il punto focale e l’elemento che spaziano in un design di antenna Yagi non sono solo curiosità teoriche: sono le manopole fondamentali che regolano il guadagno, il rapporto anteriore-to-back e l’impedenza corrispondente.