Yagi-Uda antena

1. Elementu-eroalea, 2. Islagailua, 3. Elementu-zuzentzailea, 4. Kablea

Yagi-Uda antena norabidezko antena bat da, antena-elementu erresonante paralelo bi edo gehiagoko matrize batez osaturik dagoena. Antena hau Lohokuko Unibertsitate Inperialeko Hidetsugu Yagik eta, neurri txikiagoan, Shintaro Udak asmatu zuten 1926. urtean. Asmakuntza honek lortu zuen errendimendu handiko antena bat eraiki ahal izatea; dipolo-egitura sinple bat erabiliz eta egitura hori islagailu eta elementu-zuzentzaile gisa ezagutzen diren elementu parasitoekin konbinatuz.

Islagailua (normalean bakarra erabiltzen da) dipoloa baino pixka bat luzeagoa da eta elikatutako elementuaren atzean kokatzen da, transmisioaren kontrako noranzkoan. Elementu-zuzentzailea, ordea, dipoloa baino pixka bat laburragoa da eta elikatutako elementuaren aurrean kokatzen da, transmisioaren noranzkoan.

Yagi doktorearen asmakuntza (1926. urtean patentatua) ez zen erabili Japonian hasiera batean, antenaren diseinuaren jatorrizko helburua energiaren hari gabeko transmisioa baitzen. Hala ere, Europan eta Ipar Amerikan komertzializatu egin zen difusio-sistemetarako, telebista-antenetarako, eta abar.

Antenaren erabilera Japonian ez zen Bigarren Mundu Gerra arte hasi, armada aliatuak radar-antena bezala erabiltzen zutela jakin zenean.

Historia

Yagi-Uda antena 1926. urtean asmatu zuen Lohokuko Unibertsitate Inperialeko Shintaro Uda doktoreak; Sendai, Japonian, Lohokuko Unibertsitate Inperialeko Hidetsugu Yagiren zuzendaritzapean. Yagik eta Udak argitaratutako lehen txostena uhinak proiektatzeko noranzko antena bati buruz izan zen. Yagik kontzeptu-proba frogatu zuen, baina ingeniaritza-arazoak sistema konbentzionaletakoak baino garestiagoak izan ziren.

Yagik antenari buruzko ingelesezko lehen erreferentzia argitaratu zuen Japoniako uhin laburreko ikerketari buruzko 1928ko artikulu batean eta bere izenarekin lotu zuen. Hala ere, Yagik, Udaren hasierako adierazpen lausoari ikusmoldea eman zionak, beti aitortu zuen Udak diseinuan egindako ekarpena.

Bristol Beaufort hegazkin baten azpian instalatutako ASV Mark II radarreko Yagi multzoa

Yagi-Uda antena Bigarren Mundu Gerran hegazkinetan muntatuta joaten ziren radarretan erabili zen lehen aldiz, bere sinpletasunagatik eta noranzkotasunagatik. Japonian asmatu zen arren, radar-ingeniari japoniar askok ez zuten diseinuaren berri izan gerra oso aurreratuta egon arte, neurri batean Armadaren eta Itsas Armadaren arteko lehiaren ondorioz. Japoniako agintari militarrek teknologia honen berri izan zuten lehen aldiz Singapurreko guda ostean, “yagi antena” aipatzen zuen britainiar radar-teknikari baten oharrak harrapatu zituztenean. Japoniako inteligentzia agentziek ez zuten ezagutu Yagi izena japoniar izena izan arren testuinguru horretan; baina britainiar radar-teknikariari galdetu ostean, teknikariak esan zuen doktore japoniar baten izena zuen antena bat zela.

Bigarren Mundu Gerrako hegazkin askotan horizontalki polarizatutako array bat ikus daiteke, batez ere, itsas-patruiletan edo gaueko ehiza-hegazkinetan parte hartzen zuten hegazkin-mota askotan, hegal bakoitzaren beheko aldean jartzen baitziren. Gerran zehar, Yagi-Uda antenan oinarritutako radar desberdinak erabili zituzten bai AEBetako ehiza-hegazkinetan bai Alemaniako ehiza-hegazkinetan.

Bigarren Mundu Gerra ondoren, telebista-transmisioen etorrerak Yagi-Uda antenaren diseinuaren egokitzapen zabal bat eragin zuen, VHF bandan (eta geroago UHF telebistarako) telebista seinaleak teilatuetan hartzeko eta eremu marjinaletan FM irrati-antena bezala funtzionatzeko. Eragozpen garrantzitsu bat Yagi-Uda antenaren banda-zabalera oso estua zela izan zen, baina eragozpen honi aurre egiteko banda-zabalera handiko dipolo log-periodikoen array bat erabili zen. Hala ere, Yagi-Uda antenaren irabazia handiagoa denez, beharrezkoa izan da haren erabilera mantentzea harrera marjinalik onena lortzeko. Hori dela eta, Yagi-Uda antenaren oso diseinu konplexuak garatu izan dira eta beste antena-teknologiekin konbinatu izan dira, telebista seinalearen banda-zabaleretan funtziona dezan.

Yagi-Uda antena IEEE Mugarri izendatu zuten 1995. urtean.

Antenaren funtzionamendua

Elkarrekikotasun printzipioaren arabera, edozein antenaren propietateak berdinak direla froga daiteke, bai igorpenean bai harreran. Transmisioan dagoen antena baten funtzionamendua errazago ulertzen denez, transmisioan dagoen antena batekin hasiko dugu azalpena.

Yagi-Uda antenaren funtzionamendua

Lehen esan bezala, Yagi-Uda antena elementu elikatu batek osatzen du (igorleari edo hartzaileari konektatuta dagoena) eta elementu hori normalean dipolo edo dipolo tolestu bat izaten da. Elementu horrez gain, elementu isolatu bat edo batzuk ditu, elementu parasitoak deiturikoak. Elikatutako elementuak zehar zirkulatzen duen korronteak eremu elektromagnetiko bat erradiatzen du eta eremu elektromagnetiko honek, elementu parasitoetan korronte bat induzitzen du. Elementu hauetan induzitutako korronteak beste eremu elektromagnetiko desberdinak erradiatzen dituzte eta eremu hauek, aldi berean, beste korronte desberdinak induzitzen dituzte beste elementuetan. Azkenik, elementu guztietan zehar zirkulatzen duten korronteak elementu guztien arteko interakzioen emaitza dira. Elementu parasitoetan zehar zirkulatzen duen korrontearen fasea erlazionatuta dago elementu parasitoen luzerarekin eta elikatutako elementuarekiko distantziarekin. Modu honetan, islagailua elikatutako elementuaren atzean kokatzen denez, λ/2 baino luzeagoa da eta erreaktantzia induktiboa dauka; eta horrek esan nahi du bere korrontearen fasea atzeratuta dagoela jasotako eremuak induzituko lukeen zirkuitu irekiko tentsioaren fasearekiko.  Beraz, fase-atzerapena 90 gradutik gorakoa da, eta islagailua behar bezain luzea egiten bada, fase-atzerapena 180 gradutara hurbiltzen dela imajina daiteke; horrela, islagailuak berriro erradiatzen duen uhinak eta uhin erasotzaileak interferitu egiten dute aitzinamendu-norabidean (hau da, elikatutako elementutik islagailuari begiratuz) modu suntsitzaile batean. Elementu-zuzentzaileak, bestalde, λ/2 baino laburragoa denez, erreaktantzia kapazitibo bat du tentsio-fasea korrontearekiko atzeratuta duena. Beraz, fase-atzerapena 90 gradutik beherakoa da, eta elementu-zuzentzailea behar bezain laburra bada, imajina daiteke fase-atzerapena zerora hurbiltzen dela, eta uhin erasotzaileak eta islagailuak berriro erradiatzen duen uhinak aitzinamendu-norabidean modu konstruktiboan interferitu egiten dutela.

Aurrean azaldutako egiturarekin lortzen da transmisioan dagoen antena bat aurrera asko igortzea eta atzera oso gutxi. Modu berean, harreran dagoen antena batek, egitura honekin lortzen da atzetik jasotako eremu erasotzaileak eragin oso txikia izatea eta oso handia aurretik jasotako eremuetarako.

Diseinua

Dipolo antena ez bezala, oso zaila da ekuazio matematikoekin Yagi-Uda antena modelizatzea parametro fisikoen arteko erlazio konplexuak direla eta. Hori dela eta, Yagi-Uda antena diseinatzeko, programa desberdinak erabiltzen dira simulazioak egiteko eta diseinu batera hurbiltzeko.

Propietate elektrikoak

Tentsioa eta korrontea

Dipolo baten eboluzioa izanik, elikatutako elementuaren erdiko puntua tentsio-nodo bat eta korronte-sabel bat da. Islagailuek eta elementu-zuzentzaileek, zuzenean elikatu ez arren, tentsioak eta korronteak dituzte.

Erradiazio-diagrama

Yagi-Uda antena dipoloaren eboluziotzat har daiteke, non islagailuek atzerako-emisioak murrizten dituzten eta elementu-zuzentzaileek aurreranzko emisioak kontzentratzen dituzten.

Besteak beste, antenaren elementu-zuzentzaileen kopuruaren eta antenaren luzeraren arabera, 15 dBi-ko gehieneko irabaziak lor daitezke, hau da, seinalea 32z biderkatzea.

Yagi-Uda antenak ez duenez energiarik sortzen, zenbat eta irabazi gehiago norabide batean, orduan eta estuagoa izango da sorta. Irekidura hori neurtzeko, Yagi-Uda antenaren ardatzarekiko angelu gisa definitzen dugu, non irabazi maximoaren erdia dagoen, hau da, erdiko ardatzarekiko 3 dB galtzen dituen.

Oso garrantzitsua da Yagi-Uda antenetan, direktibitatea handiko antena izatea baitu helburu, irabazi-koefizientea 0º/180º norabideetan. Koefiziente hori zenbat eta handiago izan, orduan eta immuneagoa da antena beste norabide batzuetatik datozen seinaleekiko.

Polarizazioa

• Yagi antena lurraren planoarekiko paraleloa denean, uhinaren osagai elektrikoa lurraren planoarekiko paraleloa da: polarizazio horizontala duela esaten da.

• Yagi antena lurraren planoarekiko perpendikularra denean, uhinaren osagai elektrikoa lurraren planoarekiko perpendikularra da: polarizazio bertikala duela esaten da.

• HFn, eta VHFn, alboko banda bakarreko emisio-klasean, polarizazio horizontala hobesten da, eta VHFn, maiztasun modulatuko emisio-klasean, polarizazio bertikala.

Inpedantzia

Yagi antena baten inpedantzia islatzaileen eta elementu-zuzentzaileen konfigurazioaren araberakoa da (elementu bakoitzaren dimentsioak, elementuen arteko tartea). Normalean antenaren inpedantziak 50 edo 75 ohmekoa izateko diseinatzen dira, hau da, antenari konektatutako ekipoek eskatzen duten inpedantzia izateko:

• Telebistako harrera-antenak: 75 Ω

• Emisio edo harrera-antenak: 50 Ω

• Wifi-antenak: 50 Ω

Erresonantzia

Yagi-Uda antena antena erresonantea da, hau da, existitzen da frekuentzia bat non erresistentzia ohmiko hutsa duen. Hau gertatzen da antenak osatzen duen zirkuituaren erreaktantzia induktiboak erreaktantzia kapazitiboaren balio bera duenean.

Formula eran:

$\scriptstyle {\mathbb {Z} ={\sqrt {R^{2}+(X_{L}-X_{C})^{2}}}}$

Non:

$\scriptstyle {X_{L}=\omega _{L}}$ ⇒ Erreaktantzia induktiboa

$\scriptstyle {X_{C}={1 \over \omega _{C}}}$ ⇒ Erreaktantzia kapazitiboa

$\scriptstyle {\omega =2\pi F}$ ⇒ Frekuentzia angeluarra

$\scriptstyle {F}$ ⇒ Frekuentzia

$X_{L}=X_{C}$ baldintza betetzen den frekuentzia erresonantzia-frekuentzia izango da eta ondorioz:

$\scriptstyle {\mathbb {Z} ={\sqrt {R^{2}+(X_{L}-X_{C})^{2}}}}$

$\scriptstyle {\mathbb {Z} ={\sqrt {R^{2}+0^{2}}}}$ ⇒ $\scriptstyle {\mathbb {Z} ={\sqrt {R^{2}}}=R}$

Emaitza zirkuitu erresistibo hutsa izango da.

Ikus, gainera

• Uhin gida
• Ingeniari Elektriko eta Elektroniken Institutua
• IEEE 802.11
• Antena

Kanpo estekak

• Datuak: Q745829
• Multimedia: Yagi-Uda antennas / Q745829