Антенна Яги — Уда

Антенна Яги — Уда (также известная как антенна «Волновой канал», директорная антенна или антенна Яги) — это направленная антенна, состоящая из активного вибратора и нескольких параллельных ему пассивных элементов (рефлектора и директоров), расположенных вдоль линии излучения. Относится к классу линейных антенн бегущей волны и широко применяется в радиосвязи, телевидении и радиолокации для приёма и передачи сигналов в узком диапазоне частот. Названа в честь японских инженеров Хидэцугу Яги и Синтаро Уда, которые в 1926 году опубликовали теоретическое описание её конструкции.

История

Предпосылки создания

В начале XX века развитие радиосвязи требовало антенн с высоким коэффициентом усиления и узкой диаграммой направленности. Существовавшие на тот момент конструкции (например, ромбические антенны или антенны типа «длинный провод») имели значительные габариты и не обеспечивали достаточной избирательности. В 1925 году профессор Токийского императорского университета Хидэцугу Яги совместно со своим ассистентом Синтаро Уда начал исследования по созданию компактной направленной антенны для коротковолнового диапазона.

Публикация и патентование

В 1926 году Уда и Яги опубликовали статью «Projector of the Sharpest Beam of Electric Waves» в журнале Proceedings of the Imperial Academy of Japan, где впервые описали принцип работы антенны с пассивными элементами. В 1928 году Яги получил патент на конструкцию в США (патент № 1,745,342). Несмотря на то, что основной вклад в разработку внёс Синтаро Уда, в западной литературе за антенной закрепилось название «антенна Яги», что вызвало критику со стороны историков радиотехники. В Японии и ряде стран её корректно называют «антенна Яги — Уда».

Распространение

В 1930-х годах антенна начала применяться в радиолокации и телевидении. Во время Второй мировой войны она использовалась в системах ПВО и радиомаяках. После войны, с развитием телевизионного вещания, антенна Яги — Уда стала стандартом для приёма дециметровых и метровых волн в бытовых телевизорах. В 1960-х годах её начали активно применять радиолюбители для связи на УКВ.

Конструкция и принцип действия

Основные элементы

Антенна Яги — Уда состоит из трёх типов элементов, расположенных на общей несущей стреле (буме):

• Активный вибратор — элемент, к которому подводится питание от передатчика или приёмника. Обычно выполняется в виде полуволнового диполя (реже — петлевого вибратора). Его длина равна половине длины волны (λ/2).
• Рефлектор — пассивный элемент, расположенный позади активного вибратора (со стороны, противоположной направлению излучения). Его длина несколько больше λ/2 (обычно 0,51–0,55 λ). Рефлектор отражает электромагнитные волны, увеличивая усиление вперёд и ослабляя заднее излучение.
• Директоры — один или несколько пассивных элементов, расположенных перед активным вибратором. Их длина меньше λ/2 (0,4–0,48 λ). Директоры фокусируют излучение в направлении оси антенны. Чем больше директоров, тем уже диаграмма направленности и выше коэффициент усиления, но при этом сужается рабочая полоса частот.

Принцип работы

Электромагнитная волна, возбуждаемая активным вибратором, наводит токи в пассивных элементах. Из-за разницы в длинах рефлектора и директоров фазы переизлучаемых ими волн оказываются сдвинутыми относительно фазы первичной волны. Рефлектор создаёт волну, синфазную с волной активного вибратора в направлении вперёд и противофазную — назад, что ослабляет заднее излучение. Директоры, напротив, формируют волну, синфазную с первичной в направлении вперёд, усиливая её. В результате основная энергия излучается вдоль оси антенны в сторону директоров.

Характеристики

• Коэффициент усиления (КУ): от 5 до 15 дБи в зависимости от числа директоров. Типичная трёхэлементная антенна (рефлектор + активный вибратор + один директор) даёт около 6–7 дБи.
• Диаграмма направленности: узкая, с шириной главного лепестка от 30° до 60° в горизонтальной плоскости. Уровень заднего лепестка обычно на 15–20 дБ ниже главного.
• Входное сопротивление: 50–300 Ом в зависимости от конструкции активного вибратора и расстояния между элементами. Для согласования с кабелем часто используют симметрирующие устройства (балуны).
• Рабочая полоса частот: узкая — 2–5 % от центральной частоты. При увеличении числа директоров полоса сужается.

Классификация

По числу элементов

• Двухэлементные (рефлектор + вибратор) — простейшие, с усилением около 3–4 дБи. Используются в радиолюбительских конструкциях.
• Трёхэлементные (рефлектор + вибратор + директор) — наиболее распространённые в бытовом телевидении.
• Многоэлементные (до 20 и более директоров) — применяются в профессиональной радиосвязи и радиолокации. Например, антенны для приёма сигналов с геостационарных спутников (диапазон 2,4 ГГц) могут содержать до 30 директоров.

По диапазону частот

• Метровые (VHF, 30–300 МГц) — крупные антенны с длиной стрелы до 5–10 метров. Используются для телевидения и радиосвязи.
• Дециметровые (UHF, 300–3000 МГц) — компактные, длиной 0,5–2 метра. Стандарт для цифрового телевидения DVB-T2.
• Сантиметровые (SHF, 3–30 ГГц) — миниатюрные, часто входят в состав спутниковых тарелок или Wi-Fi-оборудования.

По конструктивному исполнению

• Одноосные — все элементы расположены на одной стреле. Классический вариант.
• Двухосные (сдвоенные) — две параллельные стрелы с элементами для повышения усиления или расширения полосы.
• С петлевым вибратором — активный элемент выполнен в виде замкнутого контура, что повышает входное сопротивление до 200–300 Ом.

Применение

Телевизионное вещание

Антенна Яги — Уда является основным типом антенн для приёма эфирного телевидения в диапазонах метровых и дециметровых волн. В России и странах СНГ она используется для приёма цифрового телевидения стандарта DVB-T2. Типичная конструкция включает 3–8 элементов, что обеспечивает уверенный приём на расстоянии до 30–50 км от передатчика.

Радиолюбительская связь

Радиолюбители применяют антенны Яги — Уда на диапазонах 144 МГц, 430 МГц и 1,2 ГГц. Многоэлементные конструкции (до 12–16 директоров) позволяют устанавливать связь на расстояния до 500–1000 км при мощности передатчика 10–50 Вт. Для работы на КВ (коротких волнах) антенны Яги — Уда менее распространены из-за больших габаритов, однако существуют компактные варианты для диапазонов 20–10 метров.

Радиолокация

В радиолокационных станциях (РЛС) антенны Яги — Уда используются как облучатели для зеркальных антенн или как самостоятельные антенны в системах малой дальности (например, в метеорологических РЛС). Их узкая диаграмма направленности позволяет точно определять азимут цели.

Wi-Fi и сотовая связь

В диапазоне 2,4 ГГц и 5 ГГц антенны Яги — Уда применяются для организации беспроводных мостов (точка-точка) на расстояния до 10–15 км. В сотовой связи они используются на базовых станциях для улучшения покрытия в определённом секторе.

Сравнение с другими типами антенн

Антенна Яги — Уда уступает параболическим антеннам по усилению, но превосходит их по компактности и простоте изготовления. По сравнению с логопериодическими антеннами она имеет более узкую полосу частот, но более высокий коэффициент усиления.

Интересные факты

• В 1930-х годах антенна Яги — Уда использовалась в первых радиолокационных установках Великобритании (Chain Home) для обнаружения самолётов.
• В 1970-х годах советские радиолюбители изготавливали антенны Яги — Уда из подручных материалов: алюминиевых трубок, проволоки и даже велосипедных спиц.
• Максимальный коэффициент усиления, достигнутый на многоэлементных антеннах Яги — Уда, составляет около 20 дБи (антенны с 30–40 директорами).
• В Японии антенну часто называют «Уда-антенна» (宇田アンテナ), отдавая должное вкладу Синтаро Уда.

Критика и ограничения

Основным недостатком антенны Яги — Уда является её узкая полоса пропускания, что делает её непригодной для работы в широком диапазоне частот без перестройки. Кроме того, при увеличении числа директоров резко возрастает чувствительность к точности настройки: даже небольшое отклонение длины элемента на 1–2 мм может снизить усиление на 1–2 дБ. В условиях сильных помех (например, в городской застройке) антенна может требовать дополнительного экранирования. Также отмечается, что антенна Яги — Уда чувствительна к поляризации: для работы с вертикальной и горизонтальной поляризацией требуется разное расположение элементов.

Источники

• Yagi H., Uda S. «Projector of the Sharpest Beam of Electric Waves» // Proceedings of the Imperial Academy of Japan, 1926.
• Патент США № 1,745,342 «Wave Projector», 1928.
• Ротхаммель К. «Антенны. Том 1» (издание 11-е, 2015).
• Драбкин А. Л., Зузенко В. Л. «Антенны и распространение радиоволн» (Москва, 2003).
• IEEE Standard 145-2013 «Standard Definitions of Terms for Antennas».