164 PROFESSOR ANGELO ANTONIO LEITHOLD

INSTITUTO DE AERONÁUTICA E ESPAÇO

CAMPUS DE PESQUISAS GEOFÍSICAS MAJOR EDSEL DE FREITAS COUTINHO

PROFESSOR ANGELO ANTONIO LEITHOLD

ENGENHARIA DE ANTENAS

03 NOTAS DE AULA: ANTENA YAGI-UDA

A presente publicação faz parte das notas de aula ''Fundamentos de propagação de rádio'' datilografada em 1978 e apresentada na Escola Técnica Federal do Paraná em 1979. Foi complementada em 1987 e o formalismo matemático mais rigoroso foi inserido 1990. O trabalho digitalizado foi publicado no Hpg.IG em 1998 no endereço http://www.angeloleithold.hpg.ig.com.br/ciencia _e_educacao/9/index_int_4.html. Foi elaborada uma cópia de segurança e publicada no Yahoo-Geocities em 2004 no endereço http://br.geocities.com/angeloleithold/teoriaantena.html. Em maio de 2011 o Hpg.IG foi descontinuado, a cópia salva foi migrada para o presente endereço em junho de 2011:http://web.archive.org/web/20071112182438/http://br.geocities.com/angeloleithold/teoriaantena.htmlhttp://web.archive.org/web/20060221225235/http://angeloleithold.vilabol.uol.com.br/py5aal.htmlhttp://web.archive.org/web/20071202135144/http://br.geocities.com/angeloleithold/py5aal.refletores.htmlhttp://www.angeloleithold.hpg.ig.com.br/ciencia_e_educacao/6/index_pri_1.htmlhttp://web.archive.org/web/20040914020247/http://www.angeloleithold.hpg.ig.com.br/ciencia_e_educacao/6/index_int_3.html

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO
A antena Yagi-Uda foi desenvolvida a partir de 1924 pelos japoneses Hidetsugu Yagi e Shintaro Uda. Em 1926, publicaram a primeira descrição em um periódico japonês. Em junho de 1928 artigos Inglês por Yagi foi lançado nos EUA. As patentes básicas citam apenas Yagi como inventor e o nome correto da antena Yagi-Uda é raramente usado.Originalmente a antena Yagi-Uda é um dipolo com elementos parasitas, sendo um refletor com uma série de diretores dispostos apropriadamente. O dipolo é alimentado pela linha de transmissão.Para a antena de três elementos, tem um comprimento de quase meio comprimento de onda (λ / 2) e ligeiramente menor que λ / 2 no vácuo devido à sua espessura. O diretor é ligeiramente mais curto, o refletor ligeiramente mais longo que o dipolo. Em toda antena Yagi, o dipolo, refletor e diretores não são conectados eletricamente, mas somente acoplados através do campo eletromagnético. No entanto, eles podem ser montados no meio dos elementos em uma barra de suporte condutora comum, porque existem nós de tensão. A distância do(s) refletor (es) e dipolo é, por exemplo, cerca de 0,15 λ, do dipolo e do primeiro diretor, por exemplo, 0,1 λ; Neste caso, o ganho pode ser melhorado à custa da largura de banda por uma escolha adequada do comprimento e distância do elemento, ou vice-versa. Por exemplo, o primeiro diretor e o dipolo juntos formam o centro de radiação, então o espaçamento do refletor tem menos de um quarto de comprimento de onda.

DESCRIÇÃO
Uma antena Yagi–Uda , ou simplesmente antena Yagi , é uma antena direcional que consiste em dois ou mais elementos de antena ressonantes paralelos em uma matriz de disparo final, esses elementos são geralmente hastes de metal, atuando como dipolos de meia onda. As antenas Yagi–Uda consistem em um único elemento acionado conectado a um transmissor ou receptor de rádio (ou ambos) por meio de uma linha de transmissão e radiadores passivos adicionais sem conexão elétrica, geralmente incluindo um chamado refletor e qualquer número de diretores. Os elementos refletores (geralmente apenas um é usado) são ligeiramente mais longos do que o dipolo acionado e colocados atrás do elemento acionado, oposto à direção da transmissão pretendida. Os diretores, por outro lado, são um pouco mais curtos e colocados na frente do elemento acionado na direção pretendida. Esses elementos parasitas são tipicamente elementos dipolo de curto-circuito desafinados, ou seja, em vez de uma interrupção no ponto de alimentação (como o elemento acionado), uma haste sólida é usada. Eles recebem e reirradiam as ondas de rádio do elemento acionado, mas em uma fase diferente determinada por seus comprimentos exatos. Seu efeito é modificar o padrão de radiação do elemento acionado. As ondas dos vários elementos se sobrepõem e interferem para aumentar a radiação em uma única direção, aumentando o ganho da antena nessa direção. Também chamada de antena de feixe e matriz parasita, a Yagi é amplamente usada como antena direcional nas bandas HF , VHF e UHF. Ela tem ganho moderado a alto de até 20 dBi, dependendo do número de elementos usados, e uma relação frente-trás de até 20 dB. Ela irradia ondas de rádio polarizadas linearmente e geralmente é montada para polarização horizontal ou vertical. É relativamente leve, barata e simples de construir. A largura de banda de uma antena Yagi, a faixa de frequência na qual ela mantém seu ganho e impedância do ponto de alimentação, é estreita, apenas alguns por cento da frequência central, diminuindo para modelos com ganho mais alto, tornando-a ideal para aplicações de frequência fixa. O maior e mais conhecido uso é como antenas de televisão terrestre de telhado, mas também é usado para links de comunicação fixa ponto a ponto, radar e comunicação de ondas curtas de longa distância por estações de transmissão e rádios amadores. Conforme já mencionado anteriormente, a antena foi inventada por Shintaro Uda da Universidade Imperial de Tohoku, Japão, em 1926, com um papel menor desempenhado por Hidetsugu Yagi. No entanto, o nome Yagi se tornou mais familiar, enquanto o nome de Uda, que aplicou a ideia na prática ou estabeleceu a concepção por meio de experimentos, é frequentemente omitido. Isso parece ter ocorrido porque Yagi baseou seu trabalho no pré-anúncio de Uda e desenvolveu o princípio do fenômeno de absorção que Yagi havia anunciado anteriormente. Yagi entrou com um pedido de patente no Japão sobre a nova ideia, sem o nome de Uda, e posteriormente transferiu a patente para a Marconi Company no Reino Unido. Aliás, nos EUA, a patente foi transferida para a RCA Corporation. As antenas Yagi foram amplamente utilizadas pela primeira vez durante a Segunda Guerra Mundial em sistemas de radar pelo Japão, Alemanha, Reino Unido e Estados Unidos. Após a guerra, elas tiveram um amplo desenvolvimento como antenas de televisão doméstica.

YAGI-UDA 3 ELEMENTOS

A antena Yagi–Uda normalmente consiste em vários elementos de haste fina paralelos, cada um com aproximadamente meia onda de comprimento. Raramente, os elementos são discos em vez de hastes. Muitas vezes, eles são suportados em uma barra transversal perpendicular ou "boom" ao longo de seus centros. Normalmente, há um único elemento acionado por dipolo consistindo em duas hastes colineares, cada uma conectada a um lado da linha de transmissão e um número variável de elementos parasitas, refletores de um lado e, opcionalmente, um ou mais diretores do outro lado. Os elementos parasitas não são conectados eletricamente à linha de transmissão e servem como radiadores passivos, reirradiando as ondas de rádio para modificar o padrão de radiação. Os espaçamentos típicos entre os elementos variam de cerca de 1⁄10 a 1⁄4 de um comprimento de onda, dependendo do projeto específico. Os diretores são ligeiramente mais curtos do que o elemento acionado, enquanto o(s) refletor(es) são ligeiramente mais longos. O padrão de radiação é unidirecional, com o lóbulo principal ao longo do eixo perpendicular aos elementos no plano dos elementos, fora da extremidade com os diretores. Convenientemente, os elementos parasitas dipolo têm um nó (ponto de tensão RF zero ) em seu centro, de modo que podem ser fixados a um suporte de metal condutor naquele ponto sem necessidade de isolamento, sem perturbar sua operação elétrica. Eles geralmente são aparafusados ou soldados à lança de suporte central da antena. A forma mais comum do elemento acionado é aquela alimentada em seu centro, de modo que suas duas metades devem ser isoladas onde a lança as suporta. O ganho aumenta com o número de elementos parasitas usados. Normalmente, apenas um refletor é usado, pois a melhoria do ganho com refletores adicionais é pequena, mas mais refletores podem ser empregados por outros motivos, como maior largura de banda. Yagis foram construídos com 40 diretores e mais. A largura de banda de uma antena é, por uma definição, a largura da banda de frequências com um ganho dentro de 3 dB (metade da potência) de seu ganho máximo. O conjunto Yagi-Uda em sua forma básica tem uma largura de banda estreita, 2–3 por cento da frequência central. Há uma compensação entre ganho e largura de banda, com a largura de banda estreitando à medida que mais elementos são usados. Para aplicações que exigem larguras de banda mais amplas, como televisão terrestre, as antenas Yagi-Uda geralmente apresentam refletores trigonais e condutores de diâmetro maior, a fim de cobrir as porções relevantes das bandas VHF e UHF. Uma largura de banda mais ampla também pode ser alcançada pelo uso de "armadilhas".
As antenas Yagi-Uda utilizadas em rádio amador são, por vezes, projetadas para operar em múltiplas bandas. Esses projetos elaborados criam interrupções elétricas ao longo de cada elemento (ambos os lados), ponto em que um circuito LC ( indutor e capacitor ) paralelo é inserido. Essa chamada armadilha tem o efeito de truncar o elemento na banda de frequência mais alta, tornando-o com aproximadamente meio comprimento de onda. Na frequência mais baixa, todo o elemento (incluindo a indutância restante devido à armadilha) está próximo da ressonância de meia onda, implementando uma antena Yagi-Uda diferente. Utilizando um segundo conjunto de armadilhas, uma antena "tribanda" pode ser ressonante em três bandas diferentes. Considerando os custos associados à montagem de um sistema de antena e rotor acima de uma torre, a combinação de antenas para três bandas amadoras em uma unidade é uma solução prática. O uso de armadilhas, no entanto, apresenta desvantagens, pois reduzem a largura de banda da antena nas bandas individuais, reduzem a eficiência elétrica da antena e submetem a antena a considerações mecânicas adicionais (carga de vento, entrada de água e insetos).

EXEMPLO PRÁTICO

Considere um Yagi-Uda composto por um refletor, um elemento acionado e um único diretor. O elemento acionado é tipicamente um dipolo de 1 ⁄ 2 λ ou um dipolo dobrado e é o único membro da estrutura que é diretamente excitado (conectado eletricamente à linha de alimentação). Todos os outros elementos são considerados parasitas. Ou seja, eles reirradiam a potência que recebem do elemento acionado. Eles também interagem entre si, mas esse acoplamento mútuo é negligenciado na explicação simplificada a seguir, que se aplica a condições de campo distante. Uma maneira de pensar sobre a operação de tal antena é considerar um elemento parasita como um elemento dipolo normal de diâmetro finito alimentado em seu centro, com um curto-circuito em seu ponto de alimentação. A parte principal da corrente em uma antena receptora carregada é distribuída como em uma antena centralizada. Ela é proporcional ao comprimento efetivo da antena e está em fase com o campo elétrico incidente se o dipolo passivo for excitado exatamente em sua frequência de ressonância. Agora imaginamos a corrente como a fonte de uma onda de potência na porta (em curto-circuito) da antena. Como é bem conhecido na teoria de linhas de transmissão, um curto-circuito reflete a tensão incidente 180 graus fora de fase. Portanto, pode-se também modelar a operação do elemento parasita como a superposição de um elemento dipolo recebendo potência e enviando-a por uma linha de transmissão para uma carga correspondente, e um transmissor enviando a mesma quantidade de potência pela linha de transmissão de volta para o elemento da antena. Se a onda de tensão transmitida estivesse 180 graus fora de fase com a onda recebida naquele ponto, a superposição das duas ondas de tensão daria tensão zero, equivalente a um curto-circuito no dipolo no ponto de alimentação (tornando-o um elemento sólido, como é). No entanto, a corrente da onda inversa está em fase com a corrente da onda incidente. Essa corrente aciona a reirradiação do elemento dipolo (passivo). A alguma distância, o campo elétrico reirradiado é descrito pelo componente de campo distante do campo de radiação de uma antena dipolo . Sua fase inclui o atraso de propagação (relacionado à corrente) e um deslocamento de fase defasado adicional de 90 graus. Assim, o campo reirradiado pode ser considerado como tendo uma fase defasada de 90 graus em relação ao campo incidente. Elementos parasitas envolvidos em antenas Yagi–Uda não são exatamente ressonantes, mas são um pouco mais curtos (ou mais longos) do que 1 ⁄ 2 λ, de modo que a fase da corrente do elemento é modificada em relação à sua excitação do elemento acionado. O chamado elemento refletor , sendo mais longo do que 1 ⁄ 2 λ , tem uma reatância indutiva, o que significa que a fase de sua corrente está atrasada em relação à fase da tensão de circuito aberto que seria induzida pelo campo recebido. O atraso de fase é, portanto, maior do que 90 graus e, se o elemento refletor for suficientemente longo, pode-se imaginar que o atraso de fase se aproxime de 180 graus, de modo que a onda incidente e a onda reemitida pelo refletor interferem destrutivamente na direção direta (ou seja, olhando do elemento acionado em direção ao elemento passivo). O elemento diretor , por outro lado, sendo mais curto do que 1 ⁄ 2 λ , tem uma reatância capacitiva com a fase da tensão atrasada em relação à corrente. O atraso de fase é, portanto, menor que 90 graus e, se o elemento diretor for suficientemente curto, pode-se imaginar que o atraso de fase se aproxima de zero e que a onda incidente e a onda reemitida pelo refletor interferem construtivamente na direção direta. A interferência também ocorre na direção reversa. Essa interferência é influenciada pela distância entre o elemento acionado e o passivo, pois os atrasos de propagação da onda incidente (do elemento acionado para o elemento passivo) e da onda reirradiada (do elemento passivo de volta para o elemento acionado) devem ser levados em consideração. Para ilustrar o efeito, assumimos atrasos de fase de zero e 180 graus para a reemissão do diretor e do refletor, respectivamente, e assumimos uma distância de um quarto do comprimento de onda entre o elemento acionado e o passivo. Nessas condições, a onda reemitida pelo diretor interfere destrutivamente com a onda emitida pelo elemento acionado na direção reversa (para longe do elemento passivo), e a onda reemitida pelo refletor interfere construtivamente.
Na realidade, o atraso de fase dos elementos dipolo passivos não atinge os valores extremos de zero e 180 graus. Assim, os elementos recebem os comprimentos e espaçamentos corretos para que as ondas de rádio irradiadas pelo elemento acionado e aquelas re-irradiadas pelos elementos parasitas cheguem à frente da antena em fase, então elas se sobrepõem e se somam, aumentando a intensidade do sinal na direção para frente. Em outras palavras, a crista da onda para frente do elemento refletor atinge o elemento acionado no momento em que a crista da onda é emitida por esse elemento. Essas ondas atingem o primeiro elemento diretor no momento em que a crista da onda é emitida por esse elemento, e assim por diante. As ondas na direção reversa interferem destrutivamente , cancelando-se, então a intensidade do sinal irradiada na direção reversa é pequena. Assim, a antena irradia um feixe unidirecional de ondas de rádio da frente (extremidade do diretor) da antena.Embora a explicação qualitativa seja útil para compreender como elementos parasitas podem aumentar a radiação dos elementos acionados em uma direção em detrimento da outra, a suposição de um deslocamento de fase adicional de 90 graus (antecipado ou atrasado) da onda reemitida não é válida. Tipicamente, o deslocamento de fase no elemento passivo é muito menor. Além disso, para aumentar o efeito dos radiadores passivos, eles devem ser colocados próximos ao elemento acionado, de modo que possam coletar e reemitir uma parte significativa da radiação primária.

Na Ilustração, ganho direto de um arranjo Yagi-Uda de dois elementos usando apenas um elemento acionado (esquerda) e um diretor (direita). A onda (verde) do elemento acionado excita uma corrente no diretor passivo, que reirradia uma onda (azul) com um deslocamento de fase específico (veja a explicação no texto, observe que as dimensões não estão em escala com os números no texto). A adição dessas ondas (embaixo) é aumentada na direção direta, mas leva ao cancelamento parcial na direção reversa. Um modelo mais realista de um conjunto Yagi-Uda usando apenas um elemento acionado e um diretor é ilustrado no diagrama anexo. A onda gerada pelo elemento acionado (verde) se propaga tanto na direção direta quanto na reversa (bem como em outras direções, não mostradas). O diretor recebe essa onda ligeiramente atrasada no tempo (totalizando um atraso de fase de cerca de 45°, que será importante para os cálculos da direção reversa posteriormente). Devido ao menor comprimento do diretor, a corrente gerada no diretor é adiantada em fase (em cerca de 20°) em relação ao campo incidente e emite um campo eletromagnético que se atrasa (em condições de campo distante) em relação a essa corrente em 90°. O efeito líquido é uma onda emitida pelo diretor (azul) que é cerca de 70° (20° - 90°) atrasada em relação à do elemento acionado (verde), neste projeto específico. Essas ondas se combinam para produzir a onda direta líquida (embaixo, à direita) com uma amplitude um pouco maior do que as ondas individuais.Na direção reversa, por outro lado, o atraso adicional da onda do diretor (azul) devido ao espaçamento entre os dois elementos (cerca de 45° de atraso de fase percorrido duas vezes) faz com que ela fique cerca de 160° (70° + 2 × 45°) defasada em relação à onda do elemento acionado (verde). O efeito líquido dessas duas ondas, quando somadas (embaixo, à esquerda), é o cancelamento parcial. A combinação da posição do diretor e do comprimento menor permitiu, portanto, obter uma resposta unidirecional, em vez da bidirecional, do elemento acionado (dipolo de meia onda) sozinho.

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