Yagi-Uda-Antenne

Eine Yagi-Uda-Antenne (häufige Bezeichnung auch 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; orange: Direktoren

Geschichte

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

Die Yagi-Uda-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^[1], so dass die Antenne in unserem Sprachraum meist nur Hidetsugu Yagis Namen trug. Die Grundpatente nennen nur Yagi als Erfinder^[2]. Der korrekte Name Yagi-Uda-Antenne wird nur selten verwendet.

Aufbau

Faltdipol und passive Elemente (siehe Text).

Charakteristisch für die Yagi-Uda-Antenne ist ein Dipol, der durch mindestens einen oder eine Reihe von entsprechend angeordneten Direktoren und ggf. Reflektoren eine Richtwirkung erhält^[3].

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.

Eigenschaften

Zusammenhang zwischen Antennenlänge und Verstärkung

Die Gesamtlänge der Antenne bestimmt die Verstärkung und Richtwirkung. Die geeignete Wahl der Parameter Länge, Abstand, Durchmesser und Anzahl der Direktoren optimiert die Antenneneigenschaften.

Eine dreielementige Yagi-Uda-Antenne der Länge 0.3λ liefert einen Antennengewinn von 4–8 dBd. Bei einer Länge von 4λ (15-30 Direktoren) verstärkt sie mit ca. 15dB und erreicht einen Öffnungswinkel kleiner 40°. Die praktische Obergrenze liegt bei 20 dB.

Arbeitsweise

Die Schwingungen vom Erreger (in rot) überlagern sich mit den Schwingungen des 1.Direktors als parasitären Strahler (in blau) zu einer gemeinsamen Wanderwelle (in grün), die in einer Richtung verstärkt, in der Anderen abgeschwächt wird.

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. Durch die vom Dipol abweichende (resonante) Länge ergeben sich induktive bzw. kapazitive Verhaltensweisen, mit entsprechenden Phasenverschiebungen der Ströme in den Elementen. Die Phasenverschiebung wird so nicht nur durch die Elementposition auf dem Längsträger (dem sogenannten Boom), sondern auch durch die Elementlänge bestimmt. Die Schwingung des Erregers wird von Direktor zu Direktor weitergereicht. Die Verzögerung von Direktor zu Direktor stellt sich als Phasengeschwindigkeit dar, die abhängig von dem Verhältnis der geometrischen Antennenlänge zur Wellenlänge das etwa 0,7 bis 0,98-fache der Lichtgeschwindigkeit erreicht.

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 verschiedene 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-Uda-Antenne für das 70-cm-Amateurfunk-Band.

• 

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

• 

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

• 

  Yagi-Gruppenantenne, für Erde- Mond -Erde Verbindungen (DJ4TC)

Yagi-Uda-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-Uda aus drei oder mehr Elementen in den Wellenbereichen von 0,1 m bis 20 m. Yagi-Uda-Antennen für größere Wellenlängen sind selten, weil die Elemente dann sehr groß und schwer werden. Des Weiteren werden alternative Bauformen wie der Hexbeam verwendet.

Siehe auch

• Antennen-Fernsehen

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

Weblinks

 Commons: Yagi-Uda-Antennen – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Erklärung der Funktion von Elementen einer Yagiantenne auf radartutorial.eu

Einzelnachweise

1. ↑ Yagi, H.: Beam Transmission of Ultra Short Waves. In: Proceedings of the IRE. 16, Nr. 6, Juni 1928, S. 715-740 (http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=1670051&isnumber=34987, abgerufen am 13. April 2010).
2. ↑ 特許第69115号, Patent DE475293., Patent FR619932., Patent GB263753., Patent GB263752., Patent US1745342., Patent US1860123.
3. ↑ Walkinshaw, W.: Theoretical treatment of short Yagi aerials,. In: Electrical Journal of the Institution of Engineers - Part IIIA: Radiolocation. 93, Nr. 3, 1946, S. 598-614, doi:10.1049/ji-3a-1.1946.0148.