L'antenna Yagi: semplice, flessibile e ottima per gli hobbisti o per l'acquisto di un prodotto pronto all'uso

Le antenne e le loro configurazioni sono disponibili in un numero enorme di tipi base che comprendono numerose varianti per soddisfare le esigenze di molteplici applicazioni. Possono essere semplici come un'antenna costituita da un lungo filo, complesse come schiere multibanda o persino come un sistema MIMO (multi-ingresso/multi-uscita).

All'interno di questa vasta gamma di antenne, ce n'è una che è stata a lungo fra le preferite dagli appassionati del fai-da-te e dai progettisti commerciali: l'antenna Yagi (o più correttamente, l'antenna Yagi-Uda) (Figura 1).

Figura 1: La Yagi base è un'antenna a tre elementi ampiamente utilizzata in applicazioni commerciali, residenziali e militari e spesso si trova su tetti o su piloni. (Immagine per gentile concessione di EuroCaster/Danimarca)

Perché le antenne Yagi sono così diffuse?

Le ragioni della popolarità dell'antenna Yagi sono molteplici:

1. è facile calcolarne le dimensioni necessarie, anche se l'analisi elettromagnetica sottostante non lo è;
2. eventuali correzioni dimensionali per tener conto di aspetti pratici come lo spessore degli elementi e gli effetti delle frange terminali sono ben noti e possono essere inseriti nell'analisi per il dimensionamento;
3. è facile da costruire ed è compatibile con progetti hobbistici;
4. è abbastanza facile realizzare una versione robusta per l'esterno utilizzando tubi e raccordi standard disponibili in qualsiasi negozio di articoli per la casa.
5. Le Yagi sono di dimensioni modeste per le prestazioni che offrono.
6. Hanno un singolo punto di alimentazione con un'impedenza prevalentemente resistiva, che facilita l'adattamento alla linea di trasmissione, se necessario.
7. Offrono diversi gradi di libertà in termini di regolazioni e sono facili da modificare sia in fase di realizzazione che sul campo per quanto riguarda il guadagno, la direttività, la larghezza di banda, i lobi laterali e altri fattori (entro limiti ragionevoli).
8. Il progetto di base offre un buon guadagno (da 8 a 10 dB tipici), di solito riferito all'isotropia (dBi) e un elevato rapporto avanti/indietro (da 10 a 20 dB, tipico), una larghezza di banda modesta (dal 10 al 20% del centro). Inoltre, tutti i parametri sono facilmente migliorabili.
9. Possono essere progettate e costruite per operare su un'ampia gamma di frequenze e sono disponibili molte versioni commerciali per la gamma da 30 MHz a 3 GHz.
10. La loro struttura è facilmente scalabile per fornire modelli in grado di gestire potenze più elevate, fino a centinaia di watt o più.

La storia dell'antenna Yagi

L'antenna Yagi fu sviluppata nel 1926 in Giappone, quando il Prof. Shintaro Uda ne presentò la teoria in una rivista giapponese. L'articolo ricevette una vasta attenzione quando poco dopo fu pubblicata una traduzione in inglese dal Prof. Hidetsugu Yagi in Proceedings of the Imperial Academy (Projector of the Sharpest Beam of Electric Waves), il che spiega perché il nome Yagi sia quello più comunemente usato.

Prima della TV digitale terrestre e dello streaming su Internet, l'unica possibilità di ricevere il segnale televisivo era il segnale RF via etere (OTA) utilizzando un'antenna fisica. Se ci si trovava a più di 10 o 30 km dal trasmettitore televisivo, a seconda della potenza del trasmettitore e delle caratteristiche del luogo in cui ci si trovava, era necessaria un'antenna con un guadagno superiore a quello che poteva offrire un semplice dipolo ripiegato e la Yagi era la scelta più ovvia a tale scopo.

Queste antenne Yagi per le trasmissioni televisive erano uno standard in quasi tutti i negozi di elettronica, elettrodomestici o ferramenta e, in una certa misura, lo sono ancora. I telespettatori OTA che volevano ricevere i segnali da trasmettitori situati a una certa distanza dalla loro abitazione potevano anche aggiungere meccanismi azionati a mano o a motore per ruotare la Yagi verso il trasmettitore desiderato.

Molte case nei centri abitati hanno ancora antenne Yagi, anche se non sono più utilizzate, in genere fissate al comignolo o a un traliccio apposito. Ironia della sorte, con la tendenza allo streaming su Internet, l'interesse per la TV OTA si è risvegliato e le vendite di antenne di tutti i tipi (comprese le Yagi) sono in aumento.

Al di là dell'applicazione televisiva OTA, la Yagi è ampiamente utilizzata per la radiogoniometria, dai radioamatori, per i sistemi militari e per le applicazioni in cui sono importanti l'alta direttività, il guadagno in avanti, l'elevato rapporto avanti/indietro e la riduzione al minimo dei lobi laterali.

I principi base del funzionamento di un'antenna Yagi

L'antenna Yagi più semplice è costituita da tre elementi disposti lungo una trave di supporto, solitamente metallica (Figura 2). Solo l'elemento centrale è collegato elettricamente (designato come elemento "eccitato") e si tratta di un semplice dipolo a semionda alimentato al centro o di un'antenna a dipolo ripiegato. Dietro l'elemento eccitato trova posto un elemento riflettore isolato e un po' più lungo; davanti è presente un elemento "direttore" più corto e isolato.

Figura 2: L'antenna Yagi di base è composta da tre elementi: un elemento dipolo eccitato (attivo) con un riflettore passivo dietro e un direttore passivo davanti, tutti montati su un unico braccio. (Immagine per gentile concessione di RFWireless-World)

Il riflettore e il direttore sono talvolta definiti elementi "parassiti", in contrasto con l'elemento attivo ed eccitato. Tuttavia, a differenza delle correnti parassite indesiderate che influiscono negativamente sulle prestazioni dei componenti nei loro circuiti, questi sono fondamentali per il funzionamento dell'antenna. Il principio di funzionamento si basa sull'accordatura degli elementi riflettore e direttore in modo da distorcere deliberatamente il campo elettromagnetico (EM) dell'elemento eccitato.

Il riflettore è dimensionato in modo da apparire induttivo nella larghezza di banda interessata. Le correnti EM indotte nell'elemento eccitato vengono quindi spostate in fase rispetto all'elemento riflettore, così da riflettere la potenza dall'elemento parassita. Questo fa sì che l'antenna irradi più potenza RF nella direzione opposta all'elemento parassita.

Il riflettore può essere reso induttivo aggiungendo una bobina discreta, ma in pratica si procede quasi sempre con il metodo più semplice ed economico realizzando il riflettore più lungo dell'elemento eccitato. Una regola standard è quella di renderlo più lungo del 5% rispetto all'elemento eccitato.

Al contrario, rendendo capacitivo l'elemento parassita, le correnti indotte vengono spostate in fase, per dirigere la potenza irradiata dall'intera antenna nella direzione di quell'elemento. Anche in questo caso, è possibile utilizzare un condensatore discreto, ma quasi sempre si può ottenere lo stesso risultato accorciandolo del 5% circa rispetto all'elemento eccitato.

Anche la distanza tra gli elementi eccitati e quelli passivi è fondamentale. Come punto di partenza, la distanza tra l'elemento eccitato e il riflettore varia da 0,23 a 0,35 la lunghezze d'onda (λ), mentre la distanza tra l'elemento eccitato e il direttore è compresa tra 0,125 λ e 0,15 λ. Il risultato è una distribuzione dell'irradiazione con direttività e rapporto avanti/indietro elevati, oltre a lobi laterali contenuti (Figura 3).

Figura 3: La distribuzione dell'irradiazione generica della Yagi semplice mostra un'elevata direttività e un buon rapporto avanti/indietro con modesti lobi laterali. (Immagine per gentile concessione di Electronics-Club)

Questa Yagi base si presenta come una linea di trasmissione bilanciata con un'impedenza resistiva compresa tra 10 e 40 Ω, quindi è necessario un circuito di adattamento dell'impedenza. L'antenna può essere pilotata anche da un balun di adattamento di impedenza che trasforma una linea di trasmissione coassiale sbilanciata in una bilanciata.

Flessibilità della Yagi

Come si può vedere dalla disposizione di base della Yagi, questa antenna offre molti gradi di libertà per le regolazioni. Modificando le lunghezze e i diametri degli elementi eccitati e parassiti, così come la loro spaziatura, il progettista può variare e ottimizzare molti parametri dell'antenna, tra cui: direttività, guadagno, rapporto avanti/indietro, larghezza di banda e lobi laterali.

La flessibilità della Yagi va oltre queste varianti, poiché non è limitata a tre soli elementi. Aggiungendo altri elementi direttori, che diventano sempre più corti più si allontanano dall'elemento eccitato, è possibile aumentare la direttività e ridurre i lobi laterali (Figura 4).

Figura 4: Aggiungendo ulteriori elementi direttori passivi su un braccio allungato, è possibile aumentare la direttività e il rapporto avanti/indietro della Yagi, oltre a ridurre i lobi laterali. (Immagine per gentile concessione di Electronics-Notes)

Anche la spaziatura tra questi elementi direttori aggiuntivi è una lunghezza d'onda frazionaria e offre un altro parametro che può essere regolato per ottimizzare ulteriormente le prestazioni della Yagi in base all'applicazione. Alcune antenne Yagi hanno anche più di sei elementi direttori (Figura 5). L'aggiunta di questi elementi aumenta la lunghezza complessiva del supporto principale, ma ha un impatto minimo sulla complessità.

Figura 5: L'aggiunta di più direttori aumenta la lunghezza del braccio ma ha un impatto minimo sulla complessità costruttiva, come dimostra questa antenna Yagi con sette direttori. (Immagine per gentile concessione di TreLink Communication Co., Ltd.)

Yagi in commercio

Sono disponibili unità Yagi standard per molti gamme dello spettro, oltre a quelle progettate espressamente per la TV OTA nelle vecchie bande analogiche o in quelle digitali più recenti. Ad esempio, l'antenna 220-6H-MK di Antenna Technologies Limited Company è una Yagi a sei elementi (uno eccitato, un riflettore, quattro direttori) centrata a 220 MHz con una larghezza di banda di 3 dB compresa tra 215 e 225 MHz (Figura 6).

Figura 6: L'antenna Yagi 220-6H-MK ha una larghezza di banda di 3 dB compresa tra 215 e 225 MHz e comprende un elemento eccitato, un riflettore e quattro elementi direttori. (Immagine per gentile concessione di Antenna Technologies Limited Company)

Questa antenna per impieghi gravosi pesa solo 1,9 kg, ha un guadagno di 9 dBi, un rapporto avanti/indietro di 15 dB e una lunghezza del braccio di 1,5 metri. Presenta una superficie al vento di appena 0,06 m², il che le consente di sopportare venti fino a 200 km/h.

Per frequenze superiori esiste l'antenna Oscar 3A a quattro bande di Siretta Ltd. che fornisce una copertura alle frequenze centrali di 850, 900, 1800 e 1900 MHz per le applicazioni GSM/GPRS (Figura 7). Questa antenna polarizzata in verticale può gestire fino a 200 W e presenta un guadagno di 11 dBi con un rapporto di onda stazionaria (ROS) in tensione inferiore a 1,6 sull'intero campo. Misura 570 mm di lunghezza × 180 mm di larghezza × 36 mm di altezza ed è dotata di un connettore maschio FME e di un morsetto universale per l'utilizzo su pali standard per antenne (Figura 7).

Figura 7: L'antenna Oscar 3A fornisce copertura alle frequenze centrali di 850, 900, 1800 e 1900 MHz e può gestire fino a 200 W con un guadagno di 11 dBi e un ROS in tensione inferiore a 1,6. Viene fornita con minuteria di montaggio di base per il fissaggio a un palo. (Immagine per gentile concessione di Siretta Ltd.)

Conclusione

Con quasi 100 anni di vita, l'antenna Yagi-Uda è ancora ampiamente utilizzata in quanto è una delle più flessibili, versatili e regolabili. È idonea per applicazioni che richiedono un guadagno elevato, un'alta direttività, un elevato rapporto avanti/indietro e lobi laterali ridotti. Questa antenna dall'aspetto semplice è disponibile come articolo standard per molte bande di frequenza da aziende come Antenna Technologies Limited Company e Siretta. Può essere facilmente costruita anche da hobbisti e regolata secondo le necessità. Grazie alla sua diffusione e alla sua lunga storia, sono disponibili migliaia di riferimenti per approfondire l'argomento, da analisi teoriche EM di alto livello ad articoli pratici di costruzione/valutazione.

Ulteriori letture

1: Oltre i fili: le antenne si evolvono e si adattano per soddisfare le esigenze dei collegamenti wireless

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

2: Antenne: progettazione, applicazione e prestazioni

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

3: La scelta dell'antenna dipende da molti fattori

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

4: Capire le specifiche e il funzionamento dell'antenna, Parte 1

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

5: Capire le specifiche e il funzionamento dell'antenna, Parte 2

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