Що таке антена Yagi і чому саме 433 МГц?
Антена Yagi-Uda — це направлена антена, яка широко використовується в радіоаматорських цілях, адже вона поєднує в собі простоту конструкції і потужність роботи. Щодо частоти в 433 МГц, то це саме той діапазон, на якому працюють пристрої Meshtastic і безліч інших радіокомунікаційних гаджетів. Можна почитати більше на вікі
Історія
Антена «хвильовий канал» була винайдена в 1926 Сінтаро Уда з Університету Тохоку, розташованого в місті Сендай в Японії, в роботі брав участь також Хідзецугу Ягі, його колега. Ягі опублікував перший опис антени англійською, у зв'язку з чим у західних країнах вона почала асоціюватися з його ім'ям. Ягі, втім, завжди згадував принципово важливу роль Уда у винаході антени, у зв'язку з чим правильна назва – «антена Ягі – Уда».
Антена набула широкого поширення під час Другої світової війни як антена радарів ППО завдяки її простоті та гарній спрямованості. Японські військові вперше дізналися про антену після битви при Сінгапурі, коли до них потрапили записки англійського радіоінженера, який згадував «антену ягі». Японські офіцери розвідки не зрозуміли у цьому контексті, що Ягі – це прізвище творця.
Незважаючи на те, що антена була винайдена в Японії, вона залишалася невідомою для більшості японських розробників радарів протягом великої частини військового періоду через суперечності між флотом і армією.
Конструкція і принцип дії
- R — рефлектор;
- A — активний елемент (у даному випадку симетричний вібратор);
- D — директор;
- T — траверса.
Антена складається з активного вібратора (A) та ряду пасивних вібраторів — рефлекторів (R), що розташовані за активним вібратором відносно напряму випромінювання, а також директорів (D), які знаходяться перед активним вібратором. Усі ці елементи закріплені на траверсі (T). Найчастіше використовується один рефлектор, хоча є конструкції з кількома рефлекторами. Кількість директорів може змінюватись від одного до кількох десятків.
Випромінювання антени можна уявити як суму випромінювань усіх її елементів. Струм, що збуджується випромінюванням активного вібратора в рефлекторі, наводить у ньому напругу. Оскільки довжина рефлектора більша за 0,5 λ, його опір має індуктивний характер, і напруга в рефлекторі відстає за фазою на 270° від напруги в активному вібраторі. У результаті сумарне випромінювання активного вібратора та рефлектора в напрямку рефлектора складається у протифазі, а в напрямку директора — у фазі, що призводить до збільшення випромінювання в напрямку директора приблизно вдвічі.
Подібний принцип діє й для директорів, проте через ємнісний характер їхнього опору (їхня довжина менша за 0,5 λ) випромінювання посилюється в напрямку директорів. Кожен додатковий рефлектор або директор додає підсилення, але з меншим ефектом, ніж попередній. Оскільки додатковий рефлектор має менш виражений ефект, зазвичай використовують лише один рефлектор.
Що потрібно для виготовлення?
Для розрахунків антени використовувалась MMANA. Це програмне середовище для моделювання активних дротових антен. З розрахунками допомогли в радіоклубі Політехнік.
Матеріали:
- Алюмінієві трубки діаметром 8 та 10мм
- Коаксіальний кабель 50 Ом (наприклад, наш вже улюблений 5D-FB).
- Кабельні роз'єми (SMA або інший, відповідний твоєму пристрою).
- Термоусадка
- Цианокрілатний клей
- ПВХ трубка для траверси
- Міліметровий папір - не обов'язково, але дуже зручно щоб максимально точно виставити геометрію антени
Інструменти:
- Лінійка або рулетка (з точністю до міліметра, бо навіть на 1 мм можна зіпсувати антену — це ж Yagi).
- Викрутка,
- Шуруповерт,
- Паяльник
- Будівельний ніж
- Труборіз
Виготовлення:
Розглянемо більш детально рохрахунок. Відстані між ними можна визначити за координатами, які вказані в таблиці.
Рефлектор (перший елемент)
Координати: X1 = 0 м, X2 = 0 м
Довжина: Y1 = 0.16635 м + 0.16635 м = 0.3327 м
Вібратор (другий елемент):
Координати: X1 = 0.2053 м, X2 = 0.2053 м
Довжина: Y1 = 0.16105 м + 0.16105 м = 0.3221 м
Директор (третій елемент):
Координати: X1 = 0.2927 м, X2 = 0.2927 м
Довжина: Y1 = 0.1379 м + 0.1379 м = 0.2758 м
Отже:
Довжина рефлектора: 0.3327 м
Довжина вібратора: 0.3221 м
Довжина директора: 0.2758 м
Відстань між рефлектором і вібратором: 0.2053 м
Відстань між вібратором і директором: 0.0874 м
Для збірки можна використати абсолютні різні матеріали, головне щоб не змінювались геометричні розміри активних елементів антени. Для мого випадку, антена розраховувалась діаметр активних елементів - 8мм.
Першим кроком нарізаємо строго за розмірами, можна з мінімальним запасом, і підправити напилком. В господарському магазині ще придбав заглушки, але вони не обов'язкові, просто для естетики. Ось що виходить.
Далі підбираємо траверсу і кріпимо активні елементи відповідно до геометричних розрахунків. Я взяв ПВХ трубу квадратного перерізу. Жовті детальки - імпровізація. Вони не обов'язкові. Траверсу сверлив ступінчастим сверлом. Активні елементи прикріплені цианокрілатним клеєм. Збираємо на міліметровці, для підвищення точності.
Симетрування антени (Важливо!)
Для забезпечення правильного узгодження імпедансів антени та фідера (кабелю) і покращення ефективності випромінювання необхідно виконати симетрування.
Хвильовий стакан допомагає перетворити опір антени до рівня, що відповідає опору кабелю (зазвичай 50 Ом). Це дозволяє мінімізувати втрати енергії під час передачі сигналу від передавача до антени і запобігає виникненню стоячих хвиль.
Без симетрування можуть виникати небажані струми на зовнішньому екрані кабелю, що призводить до спотворення діаграми спрямованості антени і погіршення її характеристик. Хвильовий стакан вирішує цю проблему, зменшуючи небажані струми.
Симетрування стабілізує параметри антени, роблячи її менш чутливою до впливу оточення (наприклад, близькість до металевих об'єктів або землі).
Довжина L = λ / 4 в повітряному стакані. Але тут необхідно враховувати "коефіцієнт вкорочення", що залежить від фідера, який використовується. L= (λ / 4) * k. Для 5D-FB він становить 0.81. RG-58 - 0.66. Розраховувати потрібно під свій кабель.
В моєму випадку його довжина становить приблизно 139мм. Виконав я його з алюмінієвої трубки 10х1мм. Під врізкою в ізоляцію намотав добре залуджений мідний дріт, і зверху обжав місце контакту. Паяти алюміній в мене так і не вийшло, навіть зі спеціальним флюсом.
Антена вийшла чудова і працює добре як з meshtastic в LPD так і в PMR діапазонах. Можу радити до повторення конструкції.
