Eine Yagi-Uda-Reihe, allgemein bekannt einfach als eine Antenne von Yagi, ist eine Richtungsantenne, die aus einem gesteuerten Element (normalerweise ein Dipol oder gefalteter Dipol) und zusätzlichen parasitischen Elementen (gewöhnlich ein so genannter Reflektor und ein oder mehr Direktoren) besteht. Die Namenstämme von seinen Erfindern, weil die Yagi-Uda-Reihe 1926 von Shintaro Uda der Tohoku Reichsuniversität, Japan mit einer kleineren von seinem Kollegen Hidetsugu Yagi gespielten Rolle erfunden wurde. Jedoch ist der "Yagi"-Name vertrauter mit dem Namen von häufig weggelassenem Uda geworden. Das Reflektor-Element ist (normalerweise um 5 % länger) ein bisschen länger als der gesteuerte Dipol, wohingegen die so genannten Direktoren ein kleines bisschen kürzer sind. Dieses Design erreicht eine sehr wesentliche Zunahme im directionality der Antenne und Gewinn im Vergleich zu einem einfachen Dipol.

Hoch gerichtete Antennen wie der Yagi-Uda werden allgemein "Balken-Antennen" wegen ihres hohen Gewinns genannt. Jedoch erreicht das Yagi-Uda Design nur diesen hohen Gewinn über eine ziemlich schmale Bandbreite, es nützlicher für verschiedene Kommunikationsbänder (einschließlich des Amateurradios), aber weniger passend für traditionelle Radio- und Fernsehsendungsbänder machend. Amateurbordfunker ("hams") verwenden oft diese für die Kommunikation über HF, VHF und UHF-Bänder, häufig solche Antennen selbst ("homebrewing") bauend, zu einer Menge von technischen Papieren und Software führend. Für die VHF/UHF verwendete Breitbandantennen senden Bänder schließen den niedrigeren Gewinn mit dem Klotz periodische Dipolreihe ein, die häufig mit der Yagi-Uda-Reihe wegen seines oberflächlich ähnlichen Äußeren verwirrt ist. Dieses Design zusammen mit anderer aufeinander abgestimmter Reihe hat elektrische Verbindungen auf jedem Element, wohingegen das Yagi-Uda Design auf der Grundlage von der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen den "parasitischen" Elementen und ein gesteuerter (Dipol) Element funktioniert.

Beschreibung

Yagi-Uda Antennen sind entlang der Achse-Senkrechte zum Dipol im Flugzeug der Elemente, vom Reflektor zum gesteuerten Element und dem Direktor (En) gerichtet. Der typische Abstand zwischen Elementen ändert sich vom ganzen 1/10 bis 1/4 einer Wellenlänge abhängig vom spezifischen Design. Die Längen der Direktoren sind kleiner als dieses des gesteuerten Elements, das kleiner ist als dieser des Reflektors (En) gemäß einem wohl durchdachten Designverfahren. Diese Elemente sind gewöhnlich in einem Flugzeug parallel, das auf einem einzelnen als ein Boom bekannten Querbalken unterstützt ist.

Die Bandbreite einer Yagi-Uda Antenne bezieht sich auf die Frequenzreihe, über die sein Richtungsgewinn und Scheinwiderstand-Match zu innerhalb eines festgesetzten Kriteriums bewahrt werden. Die Yagi-Uda-Reihe in seiner grundlegenden Form ist mit seiner Leistung sehr engbandig, die bereits an Frequenzen gerade einiges Prozent oben oder unter seiner Designfrequenz in Verlegenheit gebracht ist. Jedoch verwendende größere Diameter-Leiter, unter anderen Techniken, kann die Bandbreite wesentlich erweitert werden.

Yagi-Uda für das Amateurradio verwendete Antennen werden manchmal entworfen, um auf vielfachen Bändern zu funktionieren. Diese wohl durchdachten Designs schaffen elektrische Brechungen entlang jedem Element (beide Seiten), an dem Punkt ein paralleler LC (Induktor und Kondensator) Stromkreis eingefügt wird. Diese so genannte Falle hat die Wirkung, das Element am höheren Frequenzband zu stutzen, es etwa eine halbe Wellenlänge in der Länge machend. An der niedrigeren Frequenz ist das komplette Element (einschließlich der restlichen Induktanz wegen der Falle) Halbwelle-Klangfülle nah, eine verschiedene Yagi-Uda Antenne durchführend. Mit einem zweiten Satz von Fallen kann eine "triband" Antenne an drei verschiedenen Bändern widerhallend sein. In Anbetracht der verbundenen Kosten, eine Antenne und Rotor-System über einem Turm aufzustellen, ist die Kombination von Antennen für drei Amateurbänder in einer Einheit eine sehr praktische Lösung. Der Gebrauch von Fallen ist nicht ohne Nachteile jedoch, weil sie die Bandbreite der Antenne auf den individuellen Bändern reduzieren und die elektrische Leistungsfähigkeit der Antenne reduzieren.

Theorie der Operation

Denken Sie einen Yagi-Uda, der aus einem Reflektor, gesteuertem Element und einem einzelnen Direktor, wie gezeigt, hier besteht. Das gesteuerte Element ist normalerweise ein λ/2 Dipol oder gefalteter Dipol und ist das einzige Mitglied der Struktur, die (elektrisch verbunden mit dem feedline) direkt aufgeregt ist. Alle anderen Elemente werden parasitisch betrachtet. D. h. sie strahlen Macht wiederaus, die sie vom gesteuerten Element erhalten (sie wirken auch mit einander aufeinander).

Eine Denkart über die Operation solch einer Antenne soll denken, dass ein parasitisches Element ein normales Dipolelement mit einer Lücke an seinem Zentrum, dem feedpoint ist. Jetzt, anstatt die Antenne einer Last (wie ein Empfänger) beizufügen, verbinden wir es mit einem kurzen Stromkreis. Wie in der Übertragungslinientheorie weithin bekannt ist, widerspiegelt ein kurzer Stromkreis die ganze Ereignis-Macht 180 gegenphasige Grade. So konnte man ebenso die Operation des parasitischen Elements als die Überlagerung einer Dipolelement-Empfang-Macht und des Sendens davon unten eine Übertragungslinie zu einer verglichenen Last und ein Sender modellieren, denselben Betrag der Macht unten die Übertragungslinie zurück zum Antenne-Element sendend. Wenn die Welle vom Sender 180 gegenphasige Grade mit der erhaltenen Welle an diesem Punkt wäre, würde es zu gerade shorting gleichwertig sein, dass der Dipol am feedpoint (es ein festes Element machend, wie es ist).

Die Tatsache, dass das parasitische beteiligte Element nicht genau widerhallend ist, aber etwas kürzer (oder länger ist), als λ/2 modifiziert die Phase des Stroms des Elements in Bezug auf seine Erregung vom gesteuerten Element. Das so genannte Reflektor-Element, länger seiend als λ/2, hat eine induktive Reaktanz, was bedeutet, dass die Phase seines Stroms die Phase der Stromspannung des offenen Stromkreises isoliert, die durch das erhaltene Feld veranlasst würde. Das Direktor-Element andererseits kürzer seiend als λ/2 hat eine kapazitive Reaktanz mit der Stromspannungsphase, die diesen des Stroms isoliert. Wenn die parasitischen Elemente im Zentrum gebrochen und mit derselben auf das Zentrum-Element angewandten Stromspannung gesteuert würden, dann würde solch ein Phase-Unterschied in den Strömen aufeinander abgestimmte Reihe eines Endfeuers durchführen, die Radiation in einer Richtung erhöhend und es in der entgegengesetzten Richtung vermindernd. So kann man den Mechanismus schätzen, durch den parasitische Elemente der ungleichen Länge zu einem Einrichtungsstrahlenmuster führen können.

Analyse

Während die obengenannte qualitative Erklärung nützlich ist, um zu verstehen, wie parasitische Elemente die gesteuerte Element-Radiation in einer Richtung auf Kosten des anderen erhöhen können, sind die verwendeten Annahmen ziemlich ungenau. Da der so genannte Reflektor, das längere parasitische Element, einen Strom hat, dessen Phase-Zeitabstände dieses des gesteuerten Elements, man annehmen würde, dass der directivity in der Richtung auf den Reflektor, das Gegenteil des wirklichen Richtungsmusters der Yagi-Uda Antenne ist. Tatsächlich würde das der Fall sein waren wir, um eine aufeinander abgestimmte Reihe mit eher nah Elementen unter Drogeneinfluss alle zu bauen, die durch Stromspannungen in der Phase gesteuert sind, als wir postuliert haben.

Jedoch werden diese Elemente als solch nicht gesteuert, aber erhalten ihre Energie vom durch das gesteuerte Element geschaffenen Feld, so werden wir fast finden gegenüber, wahr sein. Für jetzt, denken Sie, dass das parasitische Element auch der Länge λ/2 ist. Wieder auf das parasitische Element als ein Dipol schauend, der shorted am feedpoint gewesen ist, können wir sehen, dass, wenn das parasitische Element auf das gesteuerte Element mit einem offenen Stromkreis feedpoint Stromspannung in der Phase damit antworten sollte, das auf das gesteuerte Element angewandt ist (für den wir jetzt annehmen werden) dann die widerspiegelte Welle vom kurzen Stromkreis aktuelle 180 gegenphasige Grade mit dem Strom im gesteuerten Element veranlassen würde. Das würde dazu neigen, die Radiation des gesteuerten Elements zu annullieren. Jedoch wegen der durch den Länge-Unterschied verursachten Reaktanz läuft der Phase-Zeitabstand des Stroms im Reflektor, der zu diesem 180 Grad-Zeitabstand hinzugefügt ist, auf einen Phase-Fortschritt, und umgekehrt für den Direktor hinaus. So ist der directivity der Reihe tatsächlich in der Richtung zum Direktor.

Man muss in Betracht ziehen, dass sich eine zusätzliche Phase wegen der begrenzten Entfernung zwischen den Elementen der weitere Verzögerungen die Phase der Ströme sowohl in den Direktoren als auch im Reflektor (En) verspätet. Der Fall einer Yagi-Uda-Reihe, die gerade ein gesteuertes Element und einen Direktor verwendet, wird im Begleitdiagramm illustriert, alle diese Effekten in Betracht ziehend. Die Welle, die durch das gesteuerte (grüne) Element erzeugt ist, pflanzt sich sowohl im nachschicken als auch in den Rückwartsrichtungen (sowie andere Richtungen, nicht gezeigt) fort. Der Direktor erhält diese Welle ein bisschen verzögert rechtzeitig (das Belaufen auf eine Phase-Verzögerung von ungefähr 35 Graden), und das Erzeugen eines Stroms, der mit dem gesteuerten Element (so zusätzliche 180 Grad-Phase-Verschiebung) gegenphasig sein würde, aber der weiter in der Phase (durch ungefähr 70 Grade) wegen der kürzeren Länge des Direktors vorgebracht wird. In der Vorwärtsrichtung ist die Nettowirkung eine Welle, die vom (schwarzen) Direktor ausgestrahlt ist, der ungefähr 110 Grade ist, die in Bezug darauf vom gesteuerten Element verzögert sind (grün), in diesem besonderen Design. Diese Wellen verbinden sich, um die Nettovorwärtswelle (Boden, Recht) mit einem Umfang zu erzeugen, der ein bisschen größer ist als die individuellen Wellen.

In der Rückwartsrichtung, andererseits, veranlasst die zusätzliche Verzögerung der Welle vom Direktor (schwarz) wegen des Abstands zwischen den zwei Elementen (ungefähr 35 Grade der Phase-Verzögerung) es, ungefähr 180 gegenphasige Grade mit der Welle vom gesteuerten (grünen) Element zu sein. Die Nettowirkung dieser zwei Wellen, wenn hinzugefügt (Boden, verlassen), ist fast ganze Annullierung. Die Kombination der Position des Direktors und kürzerer Länge hat so einen Einrichtungs-aber nicht die bidirektionale Antwort des gesteuerten (Hälfte des Welle-Dipols) Element allein erhalten.

Eine volle Analyse solch eines Systems verlangt Computerwissenschaft der gegenseitigen Scheinwiderstände zwischen den Dipolelementen, der implizit in Betracht zieht, dass sich die Fortpflanzung wegen des begrenzten Abstands zwischen Elementen verspätet. Wir modellieren Element Nummer j als, einen feedpoint am Zentrum mit einer Stromspannung V und einem Strom ich zu haben, darin fließend. Gerade zwei solche Elemente denkend, können wir die Stromspannung an jedem feedpoint in Bezug auf die Ströme mit den gegenseitigen Scheinwiderständen Z schreiben:

Z und Z sind einfach die gewöhnlichen Fahrpunkt-Scheinwiderstände eines Dipols, so 73+j43 Ohm für ein halbes Welle-Element (oder rein widerspenstig für einen ein bisschen kürzer, wie gewöhnlich für das gesteuerte Element gewünscht wird). Wegen der Unterschiede in den Längen der Elemente haben Z und Z einen wesentlich verschiedenen reaktiven Bestandteil. Wegen der Reziprozität wissen wir das Z

Z. Jetzt ist die schwierige Berechnung in der Bestimmung, dass gegenseitiger Scheinwiderstand Z, der eine numerische Lösung verlangt. Das ist für zwei genaue Halbwelle-Dipolelemente auf den verschiedenen Abstand im Begleitgraphen geschätzt worden.

Die Lösung des Systems ist dann wie folgt. Lassen Sie das gesteuerte Element 1 benannt werden, so dass V und ich die Stromspannung und der durch den Sender gelieferte Strom bin. Das parasitische Element wird 2 benannt, und da es shorted an seinem "feedpoint" ist, den wir dem V =0 schreiben können. Mit den obengenannten Beziehungen, dann, können wir weil ich in Bezug auf mich lösen:

: 

Das ist der Strom, der im parasitischen Element wegen des Stroms I im gesteuerten Element veranlasst ist. Wir können auch für die Stromspannung V am feedpoint des gesteuerten Elements mit der früheren Gleichung lösen:

Z_ {11} I_1 - Z_ {12} {Z_ {21} \over Z_ {22}} \, I_1 </Mathematik>

wo wir Z = Z eingesetzt haben. Das Verhältnis der Stromspannung zum Strom an diesem Punkt ist der Fahrpunkt-Scheinwiderstand Z 2-Elemente-Yagi:

Mit nur der gesteuerten Element-Gegenwart wäre der Fahrpunkt-Scheinwiderstand einfach Z gewesen, aber ist jetzt durch die Anwesenheit des parasitischen Elements modifiziert worden. Und jetzt die Phase (und Umfang) meiner in Bezug auf wissend, erlaube mich so geschätzt uns oben, das Strahlenmuster (Gewinn zu bestimmen, wie eine Funktion der Richtung) wegen der Ströme, die in diesen zwei Elementen fließen. Die Lösung solch einer Antenne mit mehr als 2 Elementen geht entlang denselben Linien weiter, jeden V=0 für alle außer dem gesteuerten Element setzend, und für die Ströme in jedem Element (und die Stromspannung V am feedpoint) lösend.

Design

Es gibt keine einfachen Formeln, um Yagi-Uda Antennen wegen der komplizierten Beziehungen zwischen physischen Rahmen wie Element-Länge, Abstand, und Diameter und Leistungseigenschaften wie Gewinn und Eingangsscheinwiderstand zu entwerfen. Aber mit der obengenannten Sorte der Analyse kann man die Leistung gegeben eine Reihe von Rahmen berechnen und sie anpassen, um den Gewinn (vielleicht Thema einigen Einschränkungen) zu optimieren. Seitdem mit einem N Element Yagi-Uda Antenne gibt es 2N-1 Rahmen, um sich anzupassen (die Element-Längen und der Verhältnisabstand), das ist nicht ein aufrichtiges Problem überhaupt. Die gegenseitigen Scheinwiderstände, die oben nur geplant sind, gelten für λ/2 Länge-Elemente, so müssten diese eventuell wieder gerechnet werden, um gute Genauigkeit zu bekommen. Was mehr ist, wird der aktuelle Vertrieb entlang einem echten Antenne-Element nur durch die übliche Annahme einer klassischen stehenden Welle ungefähr gegeben, eine Lösung der Integralgleichung von Hallen verlangend, die die anderen Leiter in Betracht zieht. Solch eine ganze genaue Analyse, die alle erwähnten Wechselwirkungen denkt, ist ziemlich überwältigend, und Annäherungen werden unvermeidlich angerufen, weil wir im obengenannten Beispiel getan haben.

Folglich sind diese Antennen häufig empirische Designs mit einem Element der Probe und des Fehlers, häufig mit einem vorhandenen gemäß jemandes Buckel modifizierten Design anfangend. Das Ergebnis könnte durch das direkte Maß oder durch die Computersimulation überprüft werden. Eine wohl bekannte in der letzten Annäherung verwendete Verweisung ist ein Bericht, der vom Nationalen Büro von Standards (NBS) veröffentlicht ist (jetzt das Nationale Institut für Standards und Technologie (NIST)), der sechs grundlegende Designs zur Verfügung stellt, ist auf Maße zurückzuführen gewesen, die an 400 MHz und Verfahren geführt sind, um diese Designs an andere Frequenzen anzupassen. Diese Designs und diejenigen, die aus ihnen abgeleitet sind, werden manchmal "NBS yagis genannt."

Geschichte

Die Yagi-Uda Antenne wurde 1926 von Shintaro Uda der Tohoku Reichsuniversität, Sendai, Japan mit der Kollaboration von Hidetsugu Yagi auch der Tohoku Reichsuniversität erfunden. Hidetsugu Yagi hat Radioenergieübertragung im Februar 1926 mit dieser Antenne versucht. Yagi und Uda haben ihren ersten Bericht über den Welle-Kinoprojektor Richtungsantenne veröffentlicht. Yagi hat einen Beweis des Konzepts demonstriert, aber die Technikprobleme haben sich erwiesen, lästiger zu sein, als herkömmliche Systeme.

Yagi hat die erste Englischsprachige Verweisung auf der Antenne in einem 1928-Überblick-Artikel über die Kurzwelle-Forschung in Japan veröffentlicht, und es ist gekommen, um mit seinem Namen vereinigt zu werden. Jedoch hat Yagi immer den Hauptbeitrag von Uda zum Design anerkannt, und der Eigenname für die Antenne, ist als oben, die Yagi-Uda Antenne (oder Reihe).

Der Yagi wurde zuerst während des Zweiten Weltkriegs für Bordradarsätze, wegen seiner Einfachheit und directionality weit verwendet. Trotz, dass es in Japan erfunden wird, haben viele japanische Radaringenieure das Design bis sehr spät im Krieg, teilweise wegen der Konkurrenz zwischen der Armee und Marine nicht gewusst. Die japanischen militärischen Behörden sind sich zuerst dieser Technologie nach dem Kampf Singapurs bewusst geworden, als sie die Zeichen eines britischen Radartechnikers gewonnen haben, der "yagi Antenne" erwähnt hat. Japanische Nachrichtenoffiziere haben nicht sogar erkannt, dass Yagi ein japanischer Name in diesem Zusammenhang war. Wenn infrage gestellt, hat der Techniker gesagt, dass es eine nach einem japanischen Professor genannte Antenne war. (Diese Geschichte ist der Geschichte von amerikanischen Nachrichtenoffizieren analog, die deutsche Rakete-Wissenschaftler befragen und herausfinden, dass Robert Goddard der echte Pionier der Rakete-Technologie war, wenn auch er in den Vereinigten Staaten damals nicht weithin bekannt war.)

Eine horizontal polarisierte Reihe kann unter dem linken Blei von Grumman F4F, F6F, TBF Rächer Transportunternehmen-basiertes Flugzeug von US-Marine gesehen werden. Vertikal polarisierte Reihe kann auf den Backen des P-61 und auf den Raketenspitzen von vielen WWII Flugzeugen, namentlich der Lichtenstein radarausgestattete Beispiele der deutschen Klapperkisten Ju 88R-1 Jagdbomber und das britische Bristol Beaufighter Nachtkämpfer und Kurzes Flugboot von Sunderland gesehen werden. Tatsächlich hatten die Letzteren so viele Antenne-Elemente, die auf seinem Rücken - zusätzlich zu seiner furchterregenden turreted Verteidigungsbewaffnung in der Nase und dem Schwanz, und oben auf dem Rumpf eingeordnet sind - es war fliegende Stachelschwein, oder "Fliegendes Stachelschwein" durch deutsche Flieger mit einem Spitznamen bezeichnet. Die experimentelle Morgenstern deutsche AI mit der VHF bändige Radarantenne 1943-44 hat eine "doppelte-Yagi" Struktur von seinem 90º umgebogene Paare von Antennen von Yagi verwendet, es möglich zur Messe die Reihe innerhalb eines konischen, gummibedeckten Sperrholzes radome auf einer Nase eines Flugzeuges mit den äußersten Tipps der Antenne-Elemente von Morgenstern machend, die von der Oberfläche des radome, mit einem NJG 4 Ju 88G-6 vom Personalflug des Flügels damit spät im Krieg für seinen Lichtenstein SN-2 AI Radar hervortreten.

Yagi-Uda Antennen werden mit ziemlich hohen Gewinnen (das mehr als 10 DB) Bilden von ihnen eine allgemeine Wahl für Richtungsantennen besonders in der VHF und den UHF-Kommunikationssystemen alltäglich gemacht, wo eine engbandige Antenne annehmbar ist. Nur an der höheren UHF und den Mikrowellenfrequenzen sind parabolische Reflektoren und andere so genannte Öffnungsantennen einer praktischen Größe; diese können noch höhere Gewinne leicht erreichen.

Die Yagi-Uda Antenne wurde einen IEEE Meilenstein 1995 genannt.

Siehe auch

• Antenne (Radio)
• Formel von Larmor
• Numerischer Electromagnetics-Code
• Radiorichtungsfinder
• Radiopeilung

Referenzen

• Braun, Louis (1999). Eine Radargeschichte des Zweiten Weltkriegs: technische und militärische Befehlsformen. CRC Presse. Internationale Standardbuchnummer 0-7503-0659-9
• S. Uda, "Biegen hoch Radiation von kurzen elektrischen Wellen um". Verhandlungen des ZORNS, vol. 15, Seiten 377-385, Mai 1927.
• S. Uda, "Radiotelegraphy und Sprechfunk auf Halbmeter-Wellen". Verhandlungen des ZORNS, vol. 18, Seiten 1047-1063, Juni 1930.
• H. Yagi, Verhandlungen des ZORNS, vol. 16, Seiten 715-740, Juni 1928. Die URL-ADRESSE ist zu einem 1997 IEEE Nachdruck des klassischen Artikels. Siehe auch durch D.M. Pozar, in Verhandlungen des IEEE, des Bands 85, der Ausgabe 11, November 1997 Seiten (N):1857 - 1863.
• "Abtastung der Vergangenheit: Eine Geschichte der Elektrotechnik von der Vergangenheit". Verhandlungen des IEEE Vol. 81, Nr. 6, 1993.
• Shozo Usami und Gentei Sato, "lenkende Kurzwelle-Antenne, 1924". IEEE Meilensteine, IEEE Geschichtszentrum, IEEE, 2005.

Links

• D. Jefferies, "Yagi-Uda Antennen". 2004.
• Yagi-Uda Antenne. Einfache Information über das grundlegende Design, Projekt und Maß der Yagi-Uda Antenne. 2008
• Yagi-Uda Antennen www.antenna-theory.com