Comprendere Fisica Antenna Yagi per Distribuzione di Campo

Un'antenna Yagi-Uda, abbreviata in Yagi, è una schiera direzionale costruita da elementi paralleli montati su un boom. Si compone di un elemento guidato, un riflettore e uno o più registi. L'elemento pilota è l'unico direttamente collegato alla linea di alimentazione; gli altri sono parassitari e si basano su un accoppiamento reciproco per modellare il modello di radiazione. Il riflettore, posizionato dietro l'elemento pilota e leggermente più lungo, spinge il segnale anteriore RF

Per la banda di 2 metri, un elemento a grandezza naturale è lungo circa 1 metro, rendendolo abbastanza gestibile. Su 70 centimetri, gli elementi si restringono a circa 30 centimetri, che rende popolari i disegni multi-banda con sezioni di telescoping. La sfida consiste nel bilanciare la stabilità meccanica con precisione elettrica: anche piccoli errori di dimensione spostano la risonanza, la misurazione è essenziale.

La lunghezza e la spaziatura degli elementi sono fondamentali perché determinano l'interazione delle correnti sugli elementi parassitari. Il riflettore è tipicamente circa il 5 per cento più lungo dell'elemento pilota, creando un'impedenza capacitiva che riflette l'energia in avanti.

Scegliere la banda di frequenza giusta e la modalità di funzionamento

La maggior parte delle bande dilettanti VHF e UHF è stata indirizzata a Yagis per le dimensioni compatte e per le caratteristiche di propagazione chiare. La banda di 2 metri (144–148 MHz nella regione ITU 2) e la banda di 70 centimetri (420–450 MHz) sono più comuni. Alcuni operatori costruiscono Yagi a doppia banda con elementi intrappolati o boom separati per ogni banda.

Per i ripetitori di voci FM, il centro della banda spesso basta. Per il lavoro di segnale debole SSB o CW su 144.200 MHz, centrare il vostro disegno lì. Se si prevede di coprire un'intera banda, la larghezza di banda leggermente più ampia può essere raggiunta ottimizzando la spaziatura del direttore e il diametro degli elementi, ma generalmente un Yagi 2:1 SWR di guadagno di tre metri come l'accordatura A48.

Considerare il tipo di modulazione. I ripetitori FM tollerano un SWR più ampio (fino a 2:1) perché il limitatore del ricevitore gestisce la variazione, ma SSB, CW e le modalità digitali come FT4 o DMR beneficiano di una più stretta corrispondenza per evitare la potenza e la distorsione riflesse. Per i test sul campo dove si potrebbe passare tra analogico e digitale, il design per una frequenza centrale nella parte inferiore della banda (ad esempio, 145.0 MHz, MHz, MHz, MHz, MHz, leggermente MHz per SS4 MHz.

La maggior parte dei VHF/UHF lavora a segno debole utilizza polarizzazione orizzontale, mentre i ripetitori spesso usano verticale. Un Yagi portatile può essere impostato sul suo lato per polarizzazione verticale, ma il supporto meccanico deve consentire una rapida rotazione di 90 gradi. Alcuni operatori di campo costruiscono una disposizione dipolo rotabile sul braccio per commutare la polarizzazione senza riorientare l'intera antenna.

Raccogliere materiali e strumenti per una costruzione rugged

Prima della costruzione, assemblare tutto il necessario. Materiali di alta qualità impediscono la corrosione, problemi di allineamento e guasto meccanico nel campo.

  • Le aste in alluminio o il tubo:[ 6061-T6 l'alluminio è forte, leggero e resistente alla flessione. I diametri comuni sono da 3/16 a 3/8 di pollice. È possibile riutilizzare fruste telescopiche o acquistare barre di saldatura in alluminio.
  • Supporto telaio:[[]] Tubi in fibra di vetro, tubo in PVC-40 o tubo in alluminio quadrato tutto il lavoro. I tasselli in legno sono accettabili per i prototipi ma assorbono l'umidità.
  • Insulatori e hardware di montaggio:[ Blocchi in nylon o Delrin, rondelle in plastica, viti e dadi in acciaio inox per fissare elementi senza mettere a terra il braccio.
  • Cavo coassiale:[[] Basso-perdita RG-58 o RG-8X per brevi rune, o equivalente LMR-240. Per UHF, utilizzare cavi più piccoli e flessibili come RG-316.
  • Connector:[] Un supporto per telaio SO-239 per una spina maschio UHF, o una femmina di tipo N per una perdita inferiore a UHF. Scegliere in base alla porta dell'antenna della tua radio.
  • Travestimento e treppiede:[] Pali del pittore pieghevole, alberi in fibra di vetro telescopici o treppiedi leggeri con un adattatore di albero. Un treppiede della fotocamera con un filo da 1⁄4-20 può supportare un piccolo Yagi.
  • Strumenti:[] Tagli per tubi, file o carta vetrata, trapano con bit, righello, marcatore permanente, saldatore, misuratore SWR o analizzatore di antenna, tubo di calore-shrink, filettatore.

Per un dimensionamento degli elementi accurato, utilizzare una pinza digitale o almeno una misura precisa del nastro. Un semplice contatore SWR funziona per la messa a punto, ma un analizzatore di rete vettoriale (VNA) come il NanoVNA risparmia tempo e rivela l'impedenza, la resistenza e la reattività a colpo d'occhio. Se si prevede di costruire più antenne, investire in un buon software VNA e modellazione; il costo è rapidamente compensato da una prova ridotta e un errore.

Considerare i fattori ambientali. In ambienti costieri, utilizzare hardware in acciaio inox e alluminio marina-grado. Nei climi freddi, le parti in nylon diventano fragili - utilizzare Delrin o polipropilene invece. Per le aree ad alto vento, sovradimensionare i bulloni e utilizzare i rondelle.

Pianificazione del tuo design con la modellazione

Un Yagi a tre elementi (reflettore, elemento guidato, un regista) fornisce un buon equilibrio di guadagno (circa 7 dBi) e dimensioni gestibili.Per un guadagno più forte nel lavoro a segno debole, un design a quattro o cinque elementi aggiunge registi. Ogni direttore aggiuntivo aumenta la lunghezza del boom, rendendo la portabilità più impegnativa.

Utilizzare software di progettazione rispettabile o calcolatori online per generare lunghezze e spazi di elementi precisi. Ad esempio, il [K7MEM Yagi Designer[[]] prende frequenza, diametro degli elementi e numero di elementi e dimensioni di output. Per un'ottimizzazione più avanzata, 4nec2]] o EZNEC consentono di modellare le caratteristiche di ritaglio.

Parametri di progettazione da registrare: lunghezza del riflettore, elemento guidato e ogni regista; spaziatura tra elementi lungo il boom; diametro degli elementi; materiale del braccio e diametro. Si noti che l'elemento pilota probabilmente sarà un dipolo—sia un elemento diviso alimentato nel centro con un cavo coassiale (spesso con un balun) o un dipolo piegato per una maggiore corrispondenza di impedenza.

Una dila standard nello spazio libero è di 73 ohm, ma quando si posiziona su un boom Yagi con elementi parassitari vicini, può cadere a 20–40 ohms per disegni ad alta guadagno.

Costruisci gli elementi

Tagliare leggermente lungo e poi file alla dimensione finale per la precisione. Sburrare tutti i bordi per evitare lesioni e snagging. Per elementi di telescoping—sezioni che scivolano all'interno uno per portabilità—assicurare tolleranze strette senza wobble. Utilizzare morsetti di tubo o viti di fissaggio per bloccare le sezioni in posizione. Se si costruisce elementi di lunghezza fissa, è possibile memorizzarle in una custodia in PVC per il trasporto.

Per un semplice dipolo diviso, tagliare l'elemento a metà al centro, lasciando un piccolo spazio (circa 1 cm). Fori di trapano in ogni metà e collegare un terminale a anello saldato o una piccola staffa per collegare il coassino. Solder il conduttore centrale coax a una metà e lo scudo all'altra. L'affidabilità meccanica è vitale, quindi utilizzare il supporto di corrente di coassie

In alternativa, un dipolo piegato offre un'impedenza di 300-ohm, che è possibile abbinare con un balun 4:1 a 75-ohm coax o utilizzare un balun 6:1 per cavo 50-ohm. I dipoli piegati sono più a banda larga ma più difficile da costruire con barre rigide.

Un altro approccio popolare per il campo Yagis è il design degli elementi affusolati, dove l'elemento pilota è costituito da due sezioni di telescoping che si distinguono all'interno di un tubo esterno più grande. Questo permette la lunghezza dell'elemento da regolare rapidamente per le bande diverse.

Assemblare il Boom e gli Elementi

Se il braccio è in posizione riflettore (impostato come 0 cm) in avanti, i fori di perforazione sul braccio a questi segni, dimensionati per accettare bulloni di nylon o isolatori filettati. Attaccare ogni elemento utilizzando due dadi di nylon e bulloni, assicurando che l'elemento sia incentrato e perpendicolare al boom. L'elemento non deve toccare il boom se il boom è conduttivo; utilizzare insulatori di plastica tagliati da materiale di vetro di fissaggio o di sicurezza.

Un goccio di media resistenza (blu) Loctite su fili metallici impedisce viti di back-out. Per i fili di plastica, un po 'di silicio lavori di caulk. Confermare tutti gli elementi sono paralleli e in un piano - vista lungo il boom dalla fine per controllare l'allineamento.

Montare la staffa di collegamento vicino all'elemento pilotato. Collegare una piccola staffa di angolo in alluminio al braccio con un foro per il supporto del telaio SO-239 o N. Tenere la connessione porta dai terminali di balun o dipolo corto come pratico, idealmente sotto 5 cm, per ridurre al minimo l'induttanza.

Considerazioni e Baluns

RG-58 è sufficiente per le corse sotto 10 metri su 2 metri, ma LMR-240 o RG-8X offre una perdita inferiore. A UHF, prendere in considerazione RG-316 o LMR-100 per flessibilità. Utilizzare una linea di alimentazione che è valutato per l'uso all'aperto se il cavo sarà esposto agli elementi.

Un balun ballun è essenziale per un Yagi a dipolo-driven. Converte il mangime equilibrato del dipolo nella linea coassiale sbilanciata e sopprime la corrente comune-mode, che può distorcere il modello di radiazione e causare RF nello shack. Un semplice balun corrente 1:1 fatto da un toroide ferrite (FT-240-61) con la ferita del cavo coassiale attraverso esso funziona bene.

Per condizioni portatili estreme, prendere in considerazione un balun montato sul punto di alimentazione integrato in un contenitore resistente alle intemperie. Questo protegge il giunzione critico da umidità e stress meccanico. Le balsate pre-made da aziende come Balun Designs o DX Engineering sono affidabili, ma la costruzione propria da un toroide e coassi è conveniente e consente la personalizzazione per specifiche gamme di frequenza.

Strategie di montaggio e di distribuzione

Una volta assemblato il Yagi, collegarlo al vostro albero portatile. Un metodo semplice è un morsetto a U-bolt sul centro di gravità del boom, che si collega a un tubo di albero. Per una rapida configurazione, è possibile perforare un foro attraverso il braccio e utilizzare una noce ala attraverso la piastra superiore dell'albero. Alcuni operatori di campo preferiscono un tassello in legno o un blocco di plastica che scorre sopra la mast e fornisce un punto di rotazione.

Anche 2-3 metri di altezza fa una differenza significativa. I pali di vetroresina telescopici che crollano a meno di 70 cm sono ampiamente disponibili e possono sostenere un piccolo Yagi da 2 metri se tirato. Per le antenne più pesanti, un treppiede della fotocamera con sabbie o un robusto altoparlante di fissaggio veloce. In condizioni ventose, utilizzare tre linee di marcia attaccate al punto medio della videocamera.

Percorrere il coassino lungo l'albero, toccandolo ogni 30 cm per evitare che si formino sul connettore. Lasciare un anello a goccia in basso per impedire all'acqua di entrare nello shack. Utilizzare una coda di maiale corta e flessibile di coax sottile vicino al pivot del braccio se si prevede di ruotare l'antenna frequentemente.

Per il funzionamento a banda multipla, prendere in considerazione un supporto rotabile con un albero che può gestire la coppia di un Yagi più grande. Un rotore leggero come il Yaesu G-450A può essere eseguito da una batteria da 12V per il funzionamento a distanza del campo. Tuttavia, molti operatori di campo preferiscono rotazione manuale - semplicemente allentare un dado ala, girare l'antenna e reticolare.

Test e ottimizzazione con precisione

Collegare l'analizzatore dell'antenna o il misuratore SWR al punto di alimentazione (o il conto della lunghezza della linea di alimentazione se misurata alla fine della radio). Controllare la frequenza di risonanza e la curva SWR. Se il minimo SWR si verifica ad una frequenza inferiore a quella desiderata, i vostri elementi sono leggermente troppo lunghi; tagliare ugualmente da ogni elemento—avviare con l'elemento pilotato in piccoli incrementi (1-2 mm alla volta).

Per il lavoro di segnale debole SSB, centrare il basso SWR esattamente sulla frequenza di chiamata. Per il lavoro di ripetizione, assicurarsi che sia corretto abbinare alle frequenze di ingresso e di uscita se sono molto distanti. Se non si può raggiungere una larghezza di banda sufficiente, considerare l'aumento del diametro dell'elemento pilota o utilizzando un dipolo piegato.

Il test del modello può essere fatto mettendo l'antenna su un rotatore o puntandolo manualmente ad un faro distante o ad una fonte di segnale debole. Ascoltare o leggere il S-meter come si ruota. Il lobo anteriore dovrebbe essere affilato, con un chiaro nullo dai lati e una caduta profonda sul retro. Se il rapporto anteriore-to-back è povero, controllare l'allineamento dell'elemento, la simmetria e l'efficacia del balun.

Per i test quantitativi, eseguire un confronto con un'antenna di riferimento nota. Impostare una sorgente di segnale a una distanza fissa (almeno 10 lunghezze d'onda) e misurare la forza del segnale ricevuta sullo stesso ricevitore con il Yagi e con un semplice dipolo.

Miglioramenti di portabilità

Il nucleo di un Yagi pronto per il campo è l'equilibrio tra prestazioni elettriche solide e la capacità di confezionare piccoli.

  • Elementi di calcolo:[] Utilizzare fruste militari in eccesso o poli in alluminio multi-sezione che collassano. Segnare punti di estensione con nastro o un segno permanente per impostare rapidamente la giusta lunghezza.
  • Breakdown boom:[]] Utilizzare tubi quadrati in alluminio che accoppiano con una manica interna e un perno rapido. Anche il tubo in PVC con unioni filettate funziona. Mantenere il boom in sezioni non più di 60-80 cm per adattarsi a uno zaino standard.
  • Hardware rapido:[] Sostituisci dadi e bulloni con perni a scatto, perni a tenuta stagna o corde a bungee che mantengono la tensione senza strumenti.
  • Moduli di elementi intercambiabili:[] Creare gruppi di alimentazione separati per bande diverse, in modo da poterli scambiare sullo stesso boom.
  • Casi protettivi:[] Una custodia per canne da pesca, una borsa leggera cordura con divisori, o una lunghezza di tubo in PVC con elementi di protezione per i cappucci finali dalla flessione.

Un altro trucco avanzato: utilizzare una tecnica di caricamento lineare per l'elemento pilota per accorciare la sua lunghezza fisica senza sacrificare le prestazioni. Ciò comporta l'avvolgimento dell'elemento come una bobina di filo di alluminio intorno a una piccola forma, creando efficacemente un carico induttivo che riduce la lunghezza di risonanza. Questo può fare un Yagi di 2 metri in un pacchetto più piccolo, mantenendo il guadagno, anche se la larghezza di banda si restringe.

Protezione contro il tempo e l'usura

Applicare un rivestimento di spray acrilico chiaro (Krylon UV-resistente chiaro) agli elementi in alluminio per prevenire l'ossidazione. Per bombe di legno, utilizzare vernice spar marina. I connettori beneficiano di uno strato sottile di grasso dielettrico in silicone all'interno dei fili e superfici di accoppiamento, quindi coprire con nastro antitempo (auto-amalgamating nastro in gomma seguito da nastro elettrico).

Ritessure qualsiasi cosa che ha allentato. Sostituire l'hardware di nylon che mostra crepe o deformazione. Mantenere un piccolo kit di riparazione nel vostro ingranaggio: viti di ricambio, una lunghezza di asta di alluminio, un file e nastro elettrico.

Per le distribuzioni di campo prolungate (attivazione di più giorni o comunicazioni di emergenza), considerare la pittura degli elementi con colori di drab o camuffamento di olive piatte per ridurre l'abbagliamento e aiutare la miscela di antenna nell'ambiente.

Considerazioni di sicurezza nel campo

Controllare la conformità della stazione con i limiti di sicurezza RF, soprattutto quando si opera a potenza superiore (sopra 25 watt). Mantenere una distanza sicura dall'antenna—almeno 2 metri per 50 watt su 2 metri secondo le linee guida FCC/ICNIRP. Mai guardare direttamente lungo il boom a distanza ravvicinata quando si trasmette. Per le operazioni sul campo, impostare l'antenna lontano da persone, animali domestici.

Prima di estendere, guardare su e intorno per i conduttori. Assemblare l'antenna orizzontalmente e solo sollevarlo quando l'area è chiara. Utilizzare alberi non conduttivi e ragazzi per ridurre il rischio se si verifica contatto accidentale. Se si sente un temporale, abbassare l'antenna immediatamente e scollegare la coassia; il fulmine è una minaccia grave anche da lontano.

In terreno robusto, utilizzare calzature e guanti appropriati durante la manipolazione di sezioni di telescoping - bordi in alluminio può essere tagliente.

Risorse e lettura

Per le specifiche tecniche di progettazione e misura, consultare il ARRL Antenna Book]. Il RSGB] pubblica anche eccellenti guide pratiche.Un attrezzo di modellazione gratuito come NEC-2]]] permette di sperimentare con diverse configurazioni di elementi senza tagliare il metallo.

Inoltre, il forum 4nec2[[[]] è un ottimo posto per porre domande di modellazione. canali di YouTube come “Ham Radio Crash Course” e “The Smokin’ Monkey” hanno video pratici di costruzione che mostrano lo spiegamento del campo e errori comuni.

Conclusioni

Grazie al calcolo delle dimensioni degli elementi, alla scelta di materiali robusti ma leggeri, e utilizzando un processo di sintonia metodica, produci un'antenna che porta alla vita segnali distanti, rimanendo abbastanza compatta per qualsiasi avventura. Le competenze che costruisci, modellando, analizzando e creando problemi, trasferisci direttamente ad altri progetti di antenna e approfondisci la tua comprensione della propagazione delle onde radio.