Die Yagi-Antenne: Einfach, flexibel und ideal für Heimwerker oder zum Kauf von der Stange

Antennen und ihre Konfigurationen sind in einer verwirrenden Anzahl von Grundtypen - und Variationen innerhalb dieser Typen - erhältlich, um den Anforderungen der verschiedenen Anwendungen gerecht zu werden. Sie können so einfach sein wie eine Langdrahtantenne, so komplex wie Multiband-Arrays oder sogar eine Mehrfach-Eingangs/Mehrfach-Ausgangs(MIMO)-Anordnung aufweisen.

Unter den zahlreichen verfügbaren Antennen gibt es eine, die seit langem sowohl bei Heimwerkern als auch bei kommerziellen Entwicklern beliebt ist: die Yagi-Antenne (oder besser gesagt die Yagi-Uda-Antenne) (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die einfache Yagi-Antenne ist eine Drei-Element-Antenne, die in kommerziellen, privaten und militärischen Anwendungen weit verbreitet ist und häufig auf Dächern oder Masten zu sehen ist. (Bildquelle: EuroCaster/Dänemark)

Warum sind Yagi-Antennen so beliebt?

Es gibt viele Gründe für die Beliebtheit der Yagi-Antenne:

1. Die erforderlichen Abmessungen der Antenne lassen sich leicht berechnen, auch wenn die zugrunde liegende elektromagnetische Analyse kompliziert ist.
2. Etwaige Anpassungen dieser Abmessungen zur Berücksichtigung praktischer Aspekte wie der Dicke der Elemente und der Endrandeffekte sind bekannt und können bei der Größenanalyse berücksichtigt werden.
3. Sie ist einfach zu bauen und mit Heimwerkerprojekten kompatibel.
4. Es ist relativ einfach, eine robuste Version für den Außenbereich zu bauen, indem man Standardrohre und -Verbindungselemente verwendet, die in jedem Baumarkt erhältlich sind.
5. Sie sind im Verhältnis zur Leistung, die sie bieten, von bescheidener Größe.
6. Sie haben einen einfachen, einzigen Einspeisepunkt mit einer meist ohmschen Impedanz, was die Anpassung an die Übertragungsleitung bei Bedarf erleichtert.
7. Sie bieten mehrere Freiheitsgrade bezüglich der Einstellung und lassen sich in Bezug auf Verstärkung, Richtcharakteristik, Bandbreite, Nebenkeulen und andere Faktoren (innerhalb vernünftiger Grenzen) leicht intern oder vor Ort anpassen.
8. Das Grunddesign bietet eine gute Verstärkung (typisch 8 bis 10 Dezibel (dB)), in der Regel isotrop (dBi) und ein hohes Verhältnis zwischen Vorder- und Rückseite (typisch 10 bis 20 dB), eine bescheidene Bandbreite (10 bis 20 % der Mitte), und es gibt Möglichkeiten, diese Zahlen zu verbessern.
9. Sie können für den Betrieb in einem breiten Frequenzbereich ausgelegt und gebaut werden, und viele kommerzielle Geräte sind für den Bereich von 30 Megahertz (MHz) bis 3 Gigahertz (GHz) erhältlich.
10. Sie lassen sich in ihrer Konstruktion leicht skalieren, so dass sie auch für höhere Leistungen von Hunderten von Watt oder mehr geeignet sind.

Die Geschichte der Yagi-Antenne

Die Yagi-Antenne wurde 1926 in Japan entwickelt, als Prof. Shintaro Uda die Theorie dieser Antenne in einer japanischen Zeitschrift vorstellte. Sie erregte große Aufmerksamkeit, als kurz darauf eine englische Übersetzung von Prof. Hidetsugu Yagi in den Proceedings of the Imperial Academy (Projector of the Sharpest Beam of Electric Waves) veröffentlicht wurde, was erklärt, warum Yagis Name am engsten mit diesem Werk verbunden ist.

In den Tagen vor Kabelfernsehen und Internet-Streaming war die einzige Möglichkeit, ein Fernsehsignal zu empfangen, ein luftübertragenes (OTA) HF-Signal über eine physische Antenne. Wenn man mehr als 10 oder 20 Kilometer vom Fernsehsender entfernt war, brauchte man - je nach Leistung des Senders und den Besonderheiten des Standorts - eine Antenne mit höherer Verstärkung als ein einfacher gefalteter Dipol bieten konnte, und die Yagi-Antenne war die häufigste Wahl für diese Aufgabe.

Diese TV-Yagi-Antennen waren ein Standardartikel in fast jedem Elektronik-, Haushaltsgeräte- oder Baumarkt und sind es zum Teil immer noch. OTA-Fernsehzuschauer, die Signale von Sendern empfangen wollten, die sich in verschiedenen Richtungen von ihrem Haus entfernt befanden, konnten sogar handbetriebene oder motorisierte Mechanismen hinzufügen, um die Yagi-Antenne in Richtung des gewünschten Senders zu drehen.

Viele Häuser in älteren Gegenden haben ihre Yagi-Antennen noch an Ort und Stelle - auch wenn sie nicht mehr genutzt werden - am Schornstein oder an einem separaten Mast angebracht. Ironischerweise ist mit dem Trend der drahtlosen Übertragung das Interesse am OTA-Fernsehen wieder erwacht, und der Verkauf von Antennen aller Art (einschließlich Yagi-Antennen) steigt.

Über die OTA-TV-Anwendung hinaus wird die Yagi-Antenne weithin in der Peilung, im Amateurfunk, in militärischen Systemen und in Anwendungen eingesetzt, bei denen hohe Richtwirkung, Vorwärtsverstärkung, hohes Vorwärts/Rückwärts-Verhältnis und minimale Nebenkeulen wichtig sind.

Die Grundlagen des Betriebs einer Yagi-Antenne

Die einfachste Yagi-Antenne besteht aus drei Elementen, die entlang eines Trägerbalkens angeordnet sind, der normalerweise aus Metall besteht (Abbildung 2). Nur das mittlere Element (als „Betriebselement“ bezeichnet) ist elektrisch angeschlossen, und es handelt sich entweder um einen einfachen Halbwellendipol mit Mittelspeisung oder um eine Faltdipolantenne. Hinter dem Betriebselement befindet sich ein isoliertes, etwas längeres Reflektorelement, und davor ein kürzeres, isoliertes „Richtelement“.

Abbildung 2: Die grundlegende Yagi-Antenne besteht aus drei Elementen: einem (aktiven) Dipolbetriebselement mit einem passiven Reflektor dahinter und einem passiven Richtelement davor, die alle auf einem einzigen Träger montiert sind. (Bildquelle: RFWireless-World)

Der Reflektor und das Richtelement werden manchmal als „parasitäre“ Elemente bezeichnet, im Gegensatz zu dem aktiven Betriebselement. Im Gegensatz zu den unerwünschten Parasiten, die die Leistung der Komponenten in Schaltkreisen beeinträchtigen, sind diese Parasiten jedoch entscheidend für die Funktion der Antenne. Das Funktionsprinzip beruht auf der „Abstimmung“ der Reflektor- und Richtelemente, so dass sie das elektromagnetische (EM) Feld des Betriebselements absichtlich verzerren.

Der Reflektor ist so dimensioniert, dass er in der gewünschten Bandbreite induktiv wirkt. Die induzierten EM-Ströme im Betriebselement werden dann in Bezug auf das Reflektorelement in der Phase verschoben, so dass sie die Leistung vom parasitären Element weg reflektieren. Dies führt dazu, dass die Antenne mehr HF-Leistung in die dem parasitären Element entgegengesetzte Richtung abstrahlt.

Der Reflektor kann durch Hinzufügen einer diskreten Spule induktiv gemacht werden, aber in der Praxis wird fast immer der einfachere und billigere Weg gewählt: Der Reflektor muss länger sein als das Betriebselement. Als Faustregel gilt, dass sie 5 % länger sein sollte als das Betriebselement.

Im Gegensatz dazu werden die induzierten Ströme in der Phase verschoben, wenn man das parasitäre Richtelement kapazitiv macht, so dass sie die von der gesamten Antenne abgestrahlte Leistung in die Richtung dieses Elements lenken. Dies kann mit einem diskreten Kondensator geschehen, aber fast immer wird das Richtelement etwa 5% kürzer als das Betriebselement gemacht.

Der Abstand zwischen dem Betriebs- und den passiven Elementen ist ebenfalls entscheidend. Der Abstand zwischen dem Betriebselement und dem Reflektor reicht von 0,23 Wellenlängen (λ) bis 0,35 λ, während der Abstand zwischen dem Betriebselement und dem Richtelement 0,125 λ bis 0,15 λ beträgt. Das Ergebnis ist eine Abstrahlcharakteristik mit hoher Richtwirkung und hohem Verhältnis zwischen Vorder- und Rückseite sowie geringen Nebenkeulen (Abbildung 3).

Abbildung 3: Das allgemeine Strahlungsdiagramm der einfachen Yagi-Antenne zeigt eine hohe Richtwirkung und ein gutes Verhältnis zwischen Vorderseite und Rückseite sowie geringe Nebenkeulen. (Bildquelle: Electronics-Club)

Diese einfache Yagi-Antenne erscheint als symmetrische Übertragungsleitung mit einer ohmschen Impedanz zwischen 10 Ohm (Ω) und 40 Ω, so dass eine Impedanzanpassungsschaltung erforderlich ist. Die Antenne kann auch über ein impedanzanpassendes Symmetrierglied betrieben werden, das eine unsymmetrische Koaxialleitung in eine symmetrische umwandelt.

Flexibilität der Yagi-Antenne

Wie Sie aus der Grundanordnung der Yagi-Antenne ersehen können, bietet sie viele Freiheitsgrade für Anpassungen. Durch Änderung der Länge und des Durchmessers der aktiven und parasitären Elemente sowie ihres Abstands kann der Entwickler die Antennenparameter Richtwirkung, Verstärkung, Verhältnis zwischen Vorderseite und Rückseite, Bandbreite und Nebenkeulen variieren und gegeneinander abwägen, um nur einige zu nennen.

Die Flexibilität der Yagi-Antenne geht über diese Änderungen hinaus, da die Yagi-Antenne nicht auf nur drei Elemente beschränkt ist. Durch das Hinzufügen weiterer Richtungselemente - die immer kürzer werden, je weiter sie sich vor dem aktiven Element befinden - kann die Richtwirkung der Antenne erhöht und die Nebenkeulen können verringert werden (Abbildung 4).

Abbildung 4: Durch das Hinzufügen zusätzlicher passiver Richtelemente an einem verlängerten Ausleger können die Richtwirkung und das Verhältnis zwischen Vorderseite und Rückseite der Yagi erhöht werden, während die Nebenkeulen verringert werden. (Bildquelle: Electronics-Notes)

Der Abstand zwischen diesen zusätzlichen Richtelementen ist ebenfalls ein Wellenlängenbruchteil und bietet einen weiteren Parameter, der angepasst werden kann, um die Leistung der Yagi-Antenne auf die jeweilige Anwendung abzustimmen. Einige Yagi-Antennen haben ein halbes Dutzend oder mehr Richtelemente (Abbildung 5). Das Hinzufügen dieser zusätzlichen Elemente erhöht die Gesamtlänge des Hauptträgers, hat aber kaum Auswirkungen auf die Komplexität.

Abbildung 5: Durch das Hinzufügen weiterer Richtelemente wird die Länge des Trägers vergrößert, die Komplexität der Konstruktion wird jedoch nur geringfügig beeinflusst, wie diese Yagi-Antenne mit sieben Richtelementen zeigt. (Bildquelle: TreLink Communication Co., Ltd.)

Verfügbare Yagi-Antennen

Standard-Yagi-Einheiten sind für viele Bereiche des Spektrums erhältlich, zusätzlich zu denen, die speziell für OTA-Fernsehen in den alten analogen oder den neueren digitalen Bändern entwickelt wurden. Die 220-6H-MK von Antenna Technologies Limited Company beispielsweise ist eine Yagi-Antenne mit sechs Elementen (ein aktives Element, ein Reflektor, vier Richtelemente), die auf 220 MHz zentriert ist und eine 3-dB-Bandbreite von 215 MHz bis 225 MHz aufweist (Abbildung 6).

Abbildung 6: Die Yagi-Antenne 220-6H-MK hat eine 3-dB-Bandbreite von 215 MHz bis 225 MHz und besteht aus einem Betriebselement, einem Reflektor- und vier Richtelementen. (Bildquelle: Antenna Technologies Limited Company)

Diese Hochleistungsantenne wiegt nur 1,9 Kilogramm (4,25 Pfund), bietet eine Verstärkung von 9 dBi, ein Verhältnis von vorne zu hinten von 15 dB und eine Trägerlänge von 1,5 Metern (5 Fuß). Mit einer Windfläche von nur 0,06 m² (0,67 ft²) hält es Winden von bis zu 200 km/h (125 Meilen/Stunde) stand.

Für höhere Frequenzen bietet die Vierbandantenne Oscar 3A von Siretta Ltd. eine Abdeckung der Mittenfrequenzen 850, 900, 1800 und 1900 MHz für GSM/GPRS-Anwendungen (Abbildung 7). Diese vertikal polarisierte Antenne ist für bis zu 200 Watt ausgelegt und bietet 11 dBi Verstärkung bei einem Stehwellenverhältnis (VSWR) von unter 1,6 über den gesamten Bereich. Sie misst 570 Millimeter (mm) in der Länge × 180 mm in der Breite × 36 mm in der Höhe und wird mit einem FME-Stecker sowie einer Universalklemme zur Verwendung an Standardantennenmasten geliefert (Abbildung 7).

Abbildung 7: Die Oscar 3A deckt die Mittenfrequenzen 850, 900, 1800 und 1900 MHz ab und kann bis zu 200 Watt handhaben, während sie 11 dBi Verstärkung mit einem VSWR unter 1,6 bietet; sie wird mit dem üblichen Montagematerial zur Befestigung an einem Mast geliefert. (Bildquelle: Siretta Ltd.)

Fazit

Die fast 100 Jahre alte Yagi-Uda-Antenne ist immer noch weit verbreitet, denn sie ist eine der flexibelsten, vielseitigsten und am besten anpassbaren Antennenanordnungen. Sie eignet sich gut für Anwendungen, bei denen eine hohe Verstärkung, eine hohe Richtwirkung, ein hohes Vorder-/Rückseitenverhältnis und geringe Nebenkeulen erforderlich sind. Diese einfach aussehende Antenne ist als Standardprodukt für viele Frequenzbänder von Unternehmen wie Antenna Technologies Company und Siretta erhältlich. Sie kann zudem leicht von Heimwerkern gebaut und nach Bedarf angepasst werden. Aufgrund ihrer Popularität und Geschichte gibt es Tausende von Forschungsreferenzen, die von hochtheoretischen EM-Analysen bis hin zu praktischen Artikeln zu Bau und Bewertung reichen.

Weiterführende Lektüre

1: Jenseits der Drähte: Antennen entwickeln sich weiter und passen sich den anspruchsvollen Anforderungen drahtloser Anwendungen an

https://www.digikey.de/de/blog/beyond-wires-antennas-evolve-and-adapt

2: Antennen: Design, Anwendung und Performance

https://www.digikey.de/de/articles/antennas-design-application-and-performance

3: Die Auswahl der Antenne hängt von vielen Faktoren ab

https://www.digikey.de/de/articles/antenna-selection-depends-on-many-factors

4: Verständnis der Antennenspezifikationen und des Betriebs, Teil 1

https://www.digikey.de/de/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation

5: Verständnis der Antennenspezifikationen und des Betriebs, Teil 2

https://www.digikey.de/de/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation-part-2