Yagi-Uda

Eine Yagi-Antenne ist eine Richtantenne zum Empfang oder zum Senden elektromagnetischer Wellen im Bereich von ca. 10 MHz bis ca. 2000 MHz. Sie besteht aus einem gespeisten Dipol, einer Reihe von Direktoren vor und meist einem Reflektor hinter dem Dipol.

Strahlungsrichtung nach rechts. Blau: Reflektor; Schwarz: Dipol; Rot: Direktoren

Geschichte

2m-Lang-Yagi für das 2m-Amateurfunk-Band

Die Yagi-Antenne wurde ab 1924 von den Japanern Hidetsugu Yagi und Shintaro Uda entwickelt. 1926 veröffentlichten sie die erste Beschreibung in einer japanischen Zeitschrift. Im Juni 1928 wurde in den USA ein englischer Artikel von Yagi veröffentlicht, so dass die Antenne von nun an seinen Namen trug. Der korrekte Name Yagi-Uda-Antenne wird nur selten verwendet.

Aufbau

Faltdipol und passive Elemente (siehe Text).

Charakteristisch für die Yagi-Antenne ist ein Dipol, der durch eine Reihe von entsprechend angeordneten Direktoren und Reflektoren eine Richtwirkung erhält.

Der Dipol (1), im Bild rechts als Faltdipol ausgeführt, wird über die Zuleitung (4) gespeist. Der Dipol hat eine Länge von einer halben Wellenlänge (λ/2), bezogen auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit. Sie ist etwas kleiner als λ/2 im Vakuum. Die Direktoren (3) sind etwas kürzer, die Reflektoren (2) etwas länger als der Dipol. Dipol, Reflektor und Direktoren sind galvanisch nicht gekoppelt. Sie können auf einem gemeinsamen leitenden Trägerstab montiert werden, weil in der Mitte der Elemente Spannungsknoten liegen. Der Abstand von Reflektor(en) und Dipol beträgt typisch ca. 0,15 λ, von Dipol und erstem Direktor ca. 0,1 λ; dabei kann durch geeignete Wahl von Elementlänge und -abstand der Gewinn auf Kosten der Bandbreite verbessert werden oder umgekehrt. Mit einer dreielementigen Yagiantenne ist ein Antennengewinn von 4–5 dBd erreichbar, weitere Direktoren erhöhen ihn auf bis zu 20 dBd.

Arbeitsweise

Der aktive Dipol erregt die passiven (parasitären) Elemente, also den Reflektor und die Direktoren. Die parasitären Elemente wirken ebenfalls als Strahler, die allerdings phasenverschoben zum aktiven Dipol senden. Die Phasenverschiebung wird nicht nur durch die Elementposition auf dem Längsträger (dem sogenannten Boom), sondern auch durch die Elementlänge bestimmt. Durch die vom Dipol abweichende (resonante) Länge ergeben sich induktive bzw. kapazitive Verhaltensweisen, mit entsprechenden Phasenverschiebungen der Ströme in den Elementen. Das Fernfeld der Yagi entsteht letztlich aus der richtungsabhängigen und phasenabhängigen Überlagerung der Strahlungsanteile aller Elemente der Yagi-Uda-Antenne. In Richtung des Booms (vorwärts) überlagern sich die Feldanteile konstruktiv (ergänzend), rechts und links davon ist die Überlagerung dagegen mit steigendem Winkel schnell destruktiv (auslöschend) wodurch sich die gewünschte Vorzugsrichtung ergibt.

In der einschlägigen Fachliteratur finden sich verschiedenen Angaben für ein „Optimaldesign“, die jeweils unterschiedliche Abstufungen der Elementlängen und Abstände vorschlagen. In Experimenten konnte hier nachgewiesen werden, dass geringe kontinuierliche Längen- und Abstandsvariationen zu höheren Gewinnen führen, als bei einfacher Ergänzung „kurzer“ Antennen mit weiteren Elementen gleicher Länge und gleichem Abstand. Zurückgeführt wurde dies auf die Betrachtung der Yagi-Uda als „Wellenleiterstruktur“, auf der sich (ausgehend vom gespeisten Dipolelement) eine Wanderwelle in Richtung Antennenspitze ausbreitet. Die Elementvariation soll hier laut Theorie einen verbesserten Übergang zum Freiraum herstellen.

Einsatzgebiet

Lang-Yagi für das 70cm Amateurfunk-Band.

Zwei Yagi-Hausantennen für den Fernsehempfang (Mitte). Der Reflektor der oberen Yagi-Antenne ist als Gitter ausgeführt.

Antennenarray aus 6 Yagi-Antennen mit Kreuzdipol (2m/137 MHz) für Kommunikation mit Satelliten.

Yagi-Antenne für WLAN-Richtfunkstrecken (2,4 GHz ISM-Band), hier vom Hersteller Cisco und mit Kunststoff-Gehäuse

Yagi-Antennen können auch noch bei sehr hohen Frequenzen verwendet werden, so zum Beispiel für den Empfang von Meteosat (1690 MHz). Dort kommen Antennen mit bis zu 30 Elementen und Antennengewinnen von bis zu 16 dBd zum Einsatz. Oberhalb von etwa 2 GHz können die gewünschten Abstrahleigenschaften jedoch mit anderen Antennentypen, beispielsweise Hornstrahlern, besser erreicht werden.

Funkamateure verwenden oft eine drehbare Yagi aus drei oder mehr Elementen in den Wellenbereichen von 0,1 m bis 20 m. Yagi-Antennen für größere Wellenlängen sind selten, weil die Elemente dann sehr groß und schwer werden.

Literatur

• Eberhard Spindler: Das große Antennen-Buch. 11. Auflage, Franzis-Verlag GmbH, München, 1987, ISBN 3-7723-8761-6
• Alois Krischke: Rothammels Antennenbuch. 11. Auflage, Franckh-Kosmos-Verlags-GmbH, Stuttgart 1995, ISBN 3-440-07018-2

Siehe auch

• Viele Bilder von Yagi/Fernseh-Antennen (Seite nach unten scrollen)
• Antennen-Fernsehen