Yagi antenn

[[Pilt:Yagifaltdipolp võimsustihedus ja seega antenni võimendus kõige suurem. Yagi antennid on väga populaarsed, kuna nende ehitus ei ole väga keerukas ning võimendustegur on suhteliselt hea.

Antenn

Antenn on seade raadiolainete efektiivseks kiirgamiseks või vastuvõtmiseks. Tema ülesandeks on kas kiirata energiat või koguda energiat – sõltuvalt sellest nimetatakse teda kas saate- või vastuvõtuantenniks. Saateantenn kiirgab temani elektrijuhi kaudu jõudnud energia vabasse ruumi (atmosfääri), vastuvõtuantenn aga kogub ruumis leviva elektromagnetlainete energiat ning edastab selle elektrijuhti. On tähtis, et antennini jõudev energia antakse uuele keskkonnale edasi võimalikult väikeste kadudega. Raadiotehnikas on oluline, et kiirgus oleks suunatud võimalikult efektiivselt ainult vajalikus suunas. Kui eesmärgiks on tagada side saatja ja vastuvõtja vahel, siis tuleb tagada, et kogu saateantenni kiiratav võimsus oleks suunatud vastuvõtuantenni poole. Ja ka vastupidi – vastuvõtuantenn peaks koguma raadiolainete energiat vaid saateantenni suunast. Järelikult peavad antennid olema spetsiaalse suunatundliku ehitusega.

Antenne ja nende efektiivsust mõjutavad erinevad parameetrid:

* Kasutegur - kasutegur näitab kui suure osa saateantennini jõudnud võimsusest kiirgab antenn vabasse ruumi $e={\frac {Pr}{P0}}$ , Kus: e=antenni kasutegur; Pr=Vabasse ruumi kiiratud energia P0=saateantennini jõudnud energia.

* Suunategur – Suunateguriks nimetatakse suhet, mis näitab mitu korda erineb kiirguri tekitatud maksimaalne võimsustihedus isotroopse kiirguri omast.

* Võimendus – Antenni võimendus on antenni suunateguri ning kasuteguri korrutis. Dipoolantenni suhtes on ühikuks dBd ja isotroopse kiirguri suhtes dBi

* Efektiivne pindala – Vastuvõtuantenn asub kiirgusväljas, mida iseloomustab kiirgusvälja võimsustihedus (W/m2). Antenni poolt kogutava võimsuse ja võimsustiheduse suhet nimetatakse antenni efektiivseks pindalaks.

* Sisendtakistus - Antenni sisendtakistus on takistus, mida antenn avaldab oma sisendahelale. See on kompleksne suurus, sest koosneb nii aktiiv- kui ka reaktiivosast ning sõltub sagedusest. Selleks, et antenn kiirgaks maksimaalse võimsusega, peab antenn olema sisendahelaga sobitatud –antenni aktiivtakistus peab võrduma sisendahela aktiivtakistusega ning reaktiivtakistused peavad teineteist kompenseerima.

* Sagedusriba laius - Antenni sagedusriba laius tähistab sagedusvahemikku, kusantenni karakteristlikud näitajad (sisendtakistus, suunadiagramm, polarisatsioon, võimendus jms) on piisavalt lähedased antenni kesksagedusele.

* Kiire efektiivsus – Kiire efektiivsus näitab kui suur osa kogu kiiratavast võimsusest on suunadiagrammi pealehes.

* Polarisatsioon – Elektromagnetilise laine elektrivälja vektori suund

Antennide tüübid

• Traatantenn (monopool, dipool, raamantenn jt)
• Aperatuurantenn (lainejuht, ruuporantenn)
• Võreantenn
• Peegelantenn (paraboolantenn)
• Läätsantennid

Yagi antenni konstruktsioon

Pilt 1. Kolme elemendiga Yagi antenn

Kõige lihtsamas variandis koosneb Yagi antenn kolmest elemendist – reflektorist, suunajast ning silmusdipoolist. Optimaalne reflektori ja silmusdipooli vaheline kaugus parima suunadiagrammi saamiseks on 0,15 -0,25 lainepikkust (λ), suunajatest umbes 0,1 λ. Suurema võimenduse saamiseks lisatakse antennile veel suunajaid. Harilikult on antennil mitu suunajat. Reflektoreid üldjuhul ei lisata, kuna sellest tulenev võimenduse suurenemine on väike. Mida rohkem on suunajaid, seda suuremaks muutub antenni võimendus, ühtlasi muutub kitsamaks ka antenni suunadiagramm. Võimendus aga ei kasva lineaarselt sõltuvalt suunajate arvust. Näitena võib tuua, et kui reflektor ja ka suunaja on dipoolist 0,15 λ kaugusel, siis suurendades suunajate arvu kolmelt neljani kasvab võimendus koguni 1 dB. Üheksalt kümnele suurendamisel aga kõigest 0,2 dB.

Suunajad ehk direktorid

Suunajate omavaheline kaugus on tavaliselt 0,2 kuni 0,35 lainepikkust. See sõltub antenni pikkusest. Pikemat vahet kasutatakse pikema antenni puhul ning lühemat vahet lühemate ridaantennide puhul. Suunaja pikkus on 10‒20% lühem, kui resonantssagedusele vastav lainepikkus. Peamiselt sõltub pikkus suunajate arvust ja nende omavahelisest kaugusest.

Peegeldi ehk reflektor

Reflektor on üldjuhul asetatud dipoolist (juhtivelemendist) tahapoole. Ta resonantssagedus on natuke madalam kui juhtivelemendil ning seega ka lühem (umbes 5%).

Silmusdipool

Silmusdipool koosneb kahest poollainepikkusest dipoolist, mis on otstest kokku ühendatud. Toitekaabel ühendatakse ühe dipooli poolituskohta. Praktikas valmistatakse niisugune poollainevibraator ühest metallvardast või -torust painutatud silmusena. Silmusdipooli toitepunktis on vool kaks korda väiksem ja pinge kaks korda suurem kui sirgdipooli korral, seetõttu on impedants neli korda suurem. Reaalselt jääb silmusdipooliga antennidel impedants vahemikku 240‒300 Ω. Toitekaablina kasutatakse tavaliselt koaksiaalkaablit lainetakistusega 70‒75 Ω. Silmusdipool kui sümmeetriline antenn ühendatakse ebasümmeetrilise kaabliga sobituslüli kaudu, mis ühtlasi transformeerib lainetakistuse suhtes 4:1.

Antenni suunadiagramm

Antenni suunadiagramm on graafiline kujutis, mis iseloomustab antenni kiirgusomadusi sõltuvalt suunast. Antennide puhul sõltub suunadiagramm otseselt sagedusest, seega erinevatel sagedustel, on suunadiagramm erinev. Kuna Yagi antenn on suundantenn, siis tema suunadiagramm koosneb ühest pealehest ning kõrvallehtedest.

Teooria

Aktiivdipoolis toimub sundvõnkumine toitekaabli kaudu saabuva energia arvel (saateantennis) või elektromagnetvälja energia arvel (vastuvõtuantennis). Aktiivelemendi võnkumine ergutab võnkumist ka passiivelementides. Neis aga toimub võnkumine levimise suunas järk-järgult suureneva hilinemisega, mis põhjustab faasinihke voolu- ja pingelaine vahel. See faasinihe sõltub lisaks lainete leviajast tingitud viivitusele ka passiivelemendi pikkusest. Direktori, kui poollainest lühema elemendi impedants, osutub siis mahtuvuslikuks, see tähendab voolulaine on pingelainest umbes poole lainepikkuse võrra ees, põhjustades voolulaine täiendavat nihet. Kui direktor on paigutatud aktiivdipoolist summaarsele hilistusele (nihkeajale) vastavale kaugusele, siis liitub tema võnkeenergia toidetava dipooli energiaga soovitud suunas. Reflektoris kui poollainest pikemas elemendis jääb vool pingest maha ja seega avaldab ta induktiivset takistust. Seetõttu lisanduvad ka reflektorite võnkumised õiges faasis üldisse võnkumisse.

Ajalugu

Shintaro Uda töötas professori assistendina Tohoku Ülikoolis. 1926. aastal alustas ta koostöös Hidetsugu Yagiga katseid ja uuringuid, mis käsitlesid parasiitsete reflektorite ja direktorite kasutamist antennide juures. Teadustöö viis selleni, et aastatel 1926–1929 andis ta välja 11 artiklist koosnenud publikatsiooni ajakirjas ’’Journal of the Institute of Electrical Engineers of Japan’’, mille pealkirjaks oli ’’On the Wireless Beam of Short Electric Waves. Ta mõõtis antenni parameetreid nii ühe reflektori ja ühe direktori, kui ka 30 direktoriga. Kõige parema võimenduse sai ta reflektoriga, mis oli poollaine pikkune ning λ/4 kaugusel juhtivelemendist. Parimad direktori mõõtmed 10% väiksemad kui λ/2 pikkused ning optimaalne kaugus oli λ/3. Olgugi, et mõõtmised olid tehtud n-ö põllul, siis olid nad märkimisväärselt sarnased võrreldes tulemustega, mis saadi hiljem arvutit kasutades.

Plussid ja miinused

Plussid:

• Lihtne ehitus
• Hea võimendustegur

Miinused:

• Kitsas sagedusala – ribalaius on ligikaudu 10% sagedusest ehk kui resonantssagedus on 400 MHz, siis ta töötab ligikaudu 380‒420 MHz sagedusalas
• Ei sobi suurte võimsuste jaoks

Välislingid

• Yagi Antenna