Проектирование Яги-антенны: формулы и паразитные элементы для точной работы

Что такое Яги-антенна (Yagi-Uda)?

Антенна — устройство для приема/передачи радиосигналов. Яги-антенна (Yagi-Uda) — направленная антенна для FM. Изобретатели: Синтаро Уда и Хидецугу Яги. Подходит для FM: ловит и излучает на большие расстояния (до 5 км при 1 Вт RF). Компактная, высокий коэффициент усиления. Состоит из группы стержней — паразитных элементов: отражатель (reflector), один или более директоров (directors), вибратор (dipole/driven element). Их точное расположение создает направленную диаграмму направленности.

(Яги-антенна рядом со спутниковой тарелкой)

Формулы проектирования Яги-антенны

Ключевые физические параметры: длины и расстояния между стержнями. Антенна настраивается под частоту. Размеры определяются через длину волны (λ). Частота задает размер и полосу пропускания.

(хорошо спроектированная антенна)

Отражатель (Reflector)

Находится за вибратором. На 5% длиннее активного элемента. Расстояние вибратор-отражатель: 0,1λ – 0,25λ. Выход за пределы ухудшает сигнал. Зависит от соотношения частота/полоса и боковых лепестков. Важные параметры: полоса, усиление (dB), входное сопротивление, коэффициент передне-заднего действия (F/B). Вводятся в калькулятор Яги.

Вибратор (Dipole / Driven Element)

В центре вибратора — точка питания (feed point). Здесь встречаются линии передачи передатчика и приемника. Передает частоту от передатчика к антенне. Иногда используется сложенный вибратор (folded dipole) — повышает входное сопротивление. Резонанс при электрической длине ≈ λ/2.

(набор иконок антенн)

Директор (Director)

Самый короткий элемент. Длина на 5% меньше вибратора. Принимает ЭМ волны в поле. Резонансная частота выше, чем у вибратора. Обеспечивает направленность и усиление. Яги может иметь несколько директоров. Расстояние между директорами: 0,1λ – 0,5λ. Усиление определяется не числом директоров, а длиной антенной решетки (boom).

Пример для 200 МГц (очень высокие частоты):

• Длина отражателя = 150/f = 150/200 = 0,75 м
• Длина вибратора = 138/f = 138/200 = 0,69 м
• Длина 1-го директора = 140/f = 0,70 м
• Длина 2-го директора = 136/f = 0,68 м
• Расстояния: вибратор-директор, отражатель-вибратор, длина бума

(коллекция антенн)

Программное обеспечение для проектирования

• Yagi Designer 2.0 — калькулятор с отображением: горизонтальная/вертикальная диаграммы, E/H-плоскости, входное сопротивление, усиление, F/B.
• MS-DOS Antenna Maker — быстрые и точные расчеты размеров.

(фото передатчика)

Как спроектировать Яги-антенну (пример)

Частота 300 МГц, 1 директор. Скорость света в среде v = 180 000 000 м/с. λ = v/f = 0,6 м. Начальные данные для софта: отражатель 0,495λ, вибратор 0,473λ, директор 0,440λ, расстояние отражатель-вибратор 0,125λ. Программа оптимизирует параметры. Точные размеры критичны для производительности. Можно сделать дома из алюминиевых труб при точных измерениях.

(антенна с несколькими директорами)

Применение Яги-антенны

• RF антенна для передачи узкого луча радиоволн
• Поляризация относит к полусферическим антеннам. Радиоастрономия требует такие антенны.

Резюме

Яги-антенна — одна из лучших и популярных. В быту и офисах за компактность и эффективность. Надеемся, статья помогла. Другие материалы на сайте или пишите за помощью.