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ANTENNE >> TUTTO SULLE ANTENNE >> come funziona la YAGI


FUNZIONAMENTO DELLA YAGI

Due dipoli elettrici simili sono influenzati dallo stesso campo elettromagnetico se questo ha una frequenza prossima alla loro risonanza. Accade poi che una volta “eccitati”, i dipoli si influenzino anche a vicenda.Tutti gli elementi parassiti di una yagi sono quindi comunissimi dipoli che, nell’intorno della loro risonanza, re-irradiano i segnali da cui vengono eccitati, apportandovi però una variazione di fase. Questa variazione di fase al segnale re-irradiato è funzione dalla lunghezza fisica dell’elemento, ovvero, si ha una variazione di fase all’atto della re-irradiazione se l’elemento è un po’ più lungo od un po’ più corto rispetto alle dimensioni che avrebbe se fosse in esatta risonanza. La variazione di fase sul segnale re-irradiato dipende quindi dalla componente reattiva dell’elemento, ed appunto il fenomeno appena descritto viene opportunamente sfruttato per creare un’antenna direzionale, dimensionando e posizionando gli elementi parassiti in modo ottimale.

E’ per il fatto di re-irradiare energia con una fase ben precisa (lunghezza) e per la posizione relativa (spaziatura) che gli elementi parassiti di una yagi determinano il lobo di irradiazione risultante dell’antenna, riducendo il campo in una data direzione e rafforzandolo in altre.E’ da sottolineare che se gli elementi parassiti di un’antenna yagi cambiassero la fase del segnale ma non re-irradiassero un’energia sufficiente, cioè comparabile con quella dell’elemento connesso al trasmettitore (o ricevitore), non ci sarebbe modo di ottenere direzionalità, nè di vedere incrementata l’energia irradiata (o ricevuta) dell’antenna in certe direzioni e diminuita in altre.Direttori e riflettori sono quindi dipoli elettricamente eccitati dai campi elettromagnetici in cui sono immersi che re-irradiano una buona parte di questa energia nell’intorno della loro risonanza. Si può dire che l’energia re-irradiata è consistente sino a che la lunghezza dell’elemento parassita non scende al di sotto del 95% rispetto alla frequenza di risonanza per i direttori, e non aumenta oltre il 107% nel caso del riflettore. Questo, ovviamente, a meno delle perdite di altro genere presenti nell’elemento, ad esempio quelle dovute ad eventuali cariche e trappole.

Come possono un riflettore od un direttore produrre una cancellazione di segnale in una data direzione?

Prendiamo il caso di un segnale irradiato da un dipolo che sia posto a .25 WL rispetto al riflettore. Notiamo innanzitutto che .25WL sono nient’altro che un quarto d’onda, ovvero 90° elettrici.
Un segnale che provenga dalla direzione del dipolo raggiungerà quindi il riflettore con un ritardo di 90° a causa della propagazione nello spazio. E’ infatti ovvio che se dal dipolo al riflettore c’è uno spazio fisico pari a .25WL, il segnale dovrà percorrere anche questo spazio per arrivarci. Una volta arrivato, il segnale ecciterà l’elemento riflettore che a sua volta re-irradierà l’energia che non viene dissipata in calore. Dato però che il riflettore e’ un po’ più lungo rispetto al dipolo risonante sulla frequenza operativa, cioè ha una reattanza di segno positivo, si determinerà una re-irradiazione che presenta anche un’inversione di fase del segnale. Questa sarà pari ad un ritardo di 180°, che sommato a quello dovuto alla spaziatura, cioè 90°, farà sì che il segnale emesso dal riflettore avrà un ritardo complessivo di 270° rispetto a quello presente sul dipolo.Visto però che un ritardo di 270° equivale ad un anticipo di 90°, cioè –90°, se le ampiezze dei segnali sono abbastanza simili tra loro, allora l’energia irradiata da questa ipotetica yagi a due elementi risulterà minimizzata nella direzione dipolo riflettore (-90 +90°) e rinforzata in quella opposta.

E i direttori?

Al contrario del riflettore, i direttori in quanto un po’ piu’ corti rispetto alla risonanza sfasano il segnale re-irradiato con segno opposto rispetto al riflettore, cioè -, ovvero in anticipo anziché in ritardo. Nei direttori la corrente circolante (e quindi l’energia re-irradiata) cala però molto piu’ rapidamente di quanto accade nel riflettore via via che la lunghezza dell’elemento si allontana dalla risonanza. Lo sfasamento in anticipo di un direttore puo’ essere quindi variato a seconda della sua lunghezza, arrivando fino a 90° nel caso di direttori molto corti. Sfortunatamente però, l’energia re-irradiata da un direttore molto corto è bassa e quindi il suo apporto contribuisce ben poco al campo complessivo prodotto dall’antenna.
Nel caso del direttore, il ritardo dovuto alla posizione fisica dell’elemento e’ quindi variato opportunamente dall’anticipo dovuto alla corrente che circola in un elemento che ha una reattanza di segno negativo (più corto della risonanza). L’effettivo sfasamento di un direttore spaziato di 90° (0.25WL) dal dipolo puo’ arrivare ad essere–90 +90 –180, cioè –180°.
Analogamente all’esempio del riflettore, in una direzione la re-irradiazione del direttore si somma a quella prodotta dal dipolo, o dall’insieme dipolo-riflettore se esiste un riflettore, mentre nell’altra va a cancellarla.

E’ molto importante notare che la corrente circolante nel direttore, qualora sia presente un riflettore, non è solamente maggiore di quella che circolerebbe in un semplice dipolo, ma è il 50% in più. La stessa considerazione ovviamente vale per il riflettore se è presente un direttore.
Questo accade in quanto l’energia nell’ulteriore elemento parassita dovrà sempre essere comparabile a quella prodotta dall’insieme dipolo-riflettore o dipolo direttore. Ad esempio, la corrente circolante nel direttore risulterà maggiore del 50% rispetto al caso in cui il riflettore non fosse presente, e addirittura doppia rispetto ad un semplice dipolo.
Per estensione del medesimo concetto, la corrente circolante nel primo direttore e nel riflettore sarà via via maggiore se aumenta il numero dei direttori, mentre l’apporto degli ulteriori direttori al guadagno ed alla direttività diminuirà via via che questi aumentano di numero.
Nelle antenne yagi, il riflettore ed i direttori (soprattutto il primo), dovrebbero il più possibile essere privi di trappole o cariche per evitare che queste riducano in modo consistente la corrente circolante e di conseguenza l’apporto degli elementi parassiti al sistema d’antenna. Non tanto per la direzionalità, ma soprattutto in termini di energia re-irradiata, quindi di efficienza e guadagno assoluto.
Ecco perchè un dipolo trappolato o caricato non è così diverso nelle prestazioni da quello corrispondente a lunghezza fisica, mentre invece un’antenna yagi con le stesse “trappole” sugli elementi fa apparire una monobanda di pari elementi qualcosa di magico, al suo confronto. Per la stessa ragione, alcune antenne multibanda di successo con pochi elementi e guadagno assoluto moderato, ma senza trappole (o quasi), hanno guadagni relativi anche di molto superiori a yagi multibanda con molti elementi realizzati però con trappole e che vanterebbero, in teoria, guadagni ben più alti.

Per riassumere, gli elementi parassiti di un’antenna yagi re-irradiano energia e questa irradiazione produce una riduzione del campo in certe direzioni ed un rafforzamento in altre, creando in questo modo direttività. Poiché nell’antenna yagi (priva di cariche e trappole) non c’e’ nulla o quasi che dissipi energia, e’ intuitivo che quanto non va in certe direzioni, ovvero principalmente sul retro e sul fianco, debba conseguentemente andare a rafforzare l’irradiazione nelle altre direzioni, producendo quello che viene comunemente definito “guadagno”.

A questo punto e’ anche ovvio il perché sia inutile avere piu’ riflettori se questi sono posti nello stesso piano del dipolo e dei direttori. Se infatti aggiungiamo un elemento oltre il riflettore, cioè nella direzione e nel piano dove l’energia e’ gia’ stata minimizzata, non possiamo sperare di ottenere nulla di significativo. L’energia presente sull’ipotetico secondo riflettore, quella che cioè potrebbe essere re-irradiata, è irrilevante in quanto è già stata minimizzata dall’insieme riflettore dipolo, e dagli eventuali direttori presenti.

Per la ragione opposta, aggiungere direttori posizionati opportunamente ha sempre efficacia, sia per aumentare il guadagno che per incrementare il rapporto fronte retro. L’unica limitazione all’aumento dei direttori sta nel non poterli accorciare oltre un certo livello, pena la riduzione dell’energia da questi re-irradiata. Non potendo accorciare i direttori oltre un certo limite, la banda utile dell’antenna, quella cioè dove il guadagno è alto e la direttività buona, si riduce via via che i direttori aumentano. 

 

testo di Maurizio Panicara I4JMY


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