Perusluokan palsta 2015-19/Yagi

Radioamatööriwikistä
Versio hetkellä 9. helmikuuta 2022 kello 23.07 – tehnyt Oh6va (keskustelu | muokkaukset) (luotu)
(ero) ← Vanhempi versio | Nykyinen versio (ero) | Uudempi versio → (ero)
Siirry navigaatioon Siirry hakuun

Tämä sivu on osa Tomi Helpiön Perusluokan palsta 2015–19 -kirjaa, johon on uudelleentoimitettu Radioamatööri-lehdessä vuosina 2015–2019 julkaistut Perusluokan palsta -juttusarjan artikkelit.

Yagi

Yagi on yleisin radioamatöörien käyttämä suunta-antenni. Kaikki hamit ovat jollakin tavalla törmänneet siihen. Mutta miten se toimii, ja mikä sen syntyhistoria on?

Mikä yagi on?

Kuva 1. Esimerkki kolmielementtisestä yagista. Keskimmäisenä on säteilijä (A), sen vasemmalla puolella tätä hieman pidempi heijastaja (R) ja oikealla puolella säteilijää hieman lyhempi suuntaaja (D).

Yagi (tai suom. “jagi”) on suunta-antenni, joka koostuu yhdestä säteilijästä ja vähintään yhdestä ns. parasiittisestä elementistä. Säteilijä on usein puoliaaltodipoli. Jos parasiittinen elementti on tätä pidempi, on se heijastaja (”reflector”), jos taas lyhempi, on se suuntaaja (”director”). Kuvassa 1 on kolmielementtinen yagi, jossa on säteilijän lisäksi yksi heijastaja ja yksi suuntaaja. Heijastajia on yagissa yleensä yksi, mutta suuntaajia voi olla useampia, bandista riippuen jopa kymmeniä. Heijastaja voi tosin koostua useasta osasta, esim. kulmaheijastaja, mutta toiminnallisesti se lasketaan yhdeksi.

Elementit on asetettu yhteiselle puomille poikittain siten, että säteilijän syöttöpiste ja parasiittisten elementtien keskikohdat ovat puomin kohdalla. Säteilijä koostuu näin kahdesta syöttöpisteen erottamasta osasta ja parasiittiset elementit taas ovat yhtenäisiä. Parasiittisiä elementtejä ei tarvitse eristää puomista, vaan ne voivat olla keskikohdastaan kiinni siinä.

Puomi ja elementit ovat yleensä alumiiniputkea, jonka paksuus määräytyy bandin ja siten antennin fyysisten mittojen mukaan. V/UHF-bandeilla voidaan käyttää melko ohuita putkia, koska lujuus ei yleensä ole ongelma. HF-bandeilla taas elementit ovat melko pitkiä, joten ne täytyy tehdä paksummista putkista. Usein pitkät elementit kootaan eri paksuisista putkista siten, että elementit ohenevat päitään kohti. Onpa Yageja tosin rakennettu myös antennilangasta puiselle tai lasikuituiselle rungolle. Tällöin putkien lujuusongelmat voidaan välttää.

Miten yagi toimii?

Yagin toiminta perustuu siihen, että säteilijän ja toisaalta parasiittisten elementtien säteilemät radioaallot voimistavat toisiaan antennin säteilysuunnassa (suuntaajien suunta) ja heikentävät toisiaan vastakkaisessa suunnassa (heijastajan suunta).

Parasiittiset elementit vastaanottavat säteilijän säteilemää energiaa ja säteilevät sitä edelleen. Parasiittisen elementin keskikohdassa on oikosulku, koska elementtihän on jatkuva (esim. alumiiniputki). Tämän voi ajatella olevan dipoli, jonka keskikohta (syöttöpiste) on oikosulussa eli jännite siinä on nolla. Tämän oikosulun vaikutuksesta parasiittisen elementin säteilemä energia on 180° jäljessä sen vastaanottamasta säteilystä. Koska heijastaja on puolta aallonpituutta pidempi, on sen säteilemä energia vielä enemmän jäljessä. Vastaavasti suuntaajan ollessa puolta aallonpituutta lyhempi on tämä vaihe-ero pienempi. Lisäksi vaihe-eroon vaikuttaa parasiittisen elementin etäisyys säteilijästä eli se aika, jonka radioaallot tarvitsevat matkaan elementtien välillä.

Kuva 2. Kaksielementtisen yagin toiminta. Säteilijän (Driven element) ja suuntaajan (Director) säteilykomponentit (emission) vahvistavat toisiaan etusuunnassa (Forward, oikea) ja vaimentavat toisiaan takasuunnassa (Backward, vasen).

Tätä on havainnollistettu kuvassa 2, jossa on kaksielementtinen yagi (säteilijä ja suuntaaja). Kuvassa on esitetty erikseen säteilijän säteilemä komponentti ja suuntaajan (uudelleen)säteilemä komponentti. Suuntaajan pituus ja sen etäisyys säteilijästä on valittu niin, että antennin etusuunnassa säteilykomponentit vahvistavat toisiaan ja takasuunnassa ne kumoavat toisiaan.

Sivulla http://www.radartutorial.eu/06.antennas/Yagi%20Antenna.en.html on hyvät animaatiot kaksi- ja kolmielementtisen yagin toiminnasta. Niitä kannattaa tuijottaa tovi yagin salojen ymmärtämiseksi.

Yagin syntyhistoriaa

Kuva 3. Shintaro Uda (1896-1976).
Kuva 4. Hidetsugu Yagi (1886-1976).

Shintaro Uda (kuva 3) teki 1920-luvulla Hidetsugu Yagin (kuva 4) alaisena Japanissa Tohokun keisarillisessa yliopistossa kokeita radioaaltojen suuntaamiseksi yhteen suuntaan. Noin neljän metrin aallonpituudella tehtyjen mittausten perusteella hän havaitsi, että parasiittinen elementti voi vahvistaa säteilijän säteilemiä radioaaltoja haluttuun suuntaan. Hän vaihteli kokeissa parasiittisten elementtien lukumäärää, sekä niiden pituuksia ja sijainteja. Tämä johti yagi-uda-antennin keksimiseen vuonna 1926. Samana vuonna Yagi ja Uda julkaisivat tutkimuksensa Japanissa englannin kielellä /3/.

Yagi oli professori ja häntä kymmenen vuotta nuorempi Uda apulaisprofessori. Yagi oli tehnyt 1910-luvulla pitkän opintomatkan Eurooppaan ja Yhdysvaltoihin ja työskennellyt silloin ajan suurten nimien, kuten Barkhausen, Fleming ja Pierce, alaisuudessa. Hänellä oli siis jo suhteita länsimaihin ja hän hallitsi englannin kielen. Siksi Yagi esittelikin antennin länsimaissa luennoillaan ja kirjoituksillaan.

Yagi julkaisi mm. Udan kanssa tekemänsä tutkimuksen Yhdysvalloissa vuonna 1928 /4/. Artikkelissa hän kyllä antaa täyden tunnustuksen Udan roolista antennin kehittämisessä. Yagi oli tosin patentoinut antennin ainoastaan omalla nimellään Japanissa ja Yhdysvalloissa. Ei ole aivan tavatonta, että yliopistomaailmassa vanhempi tutkija liittää nimensä nuoremman tutkijan työhön. Yagi-antennin syntyä tutkiessa käy kuitenkin ilmeiseksi, että antenni voisi hyvin olla myös ”uda-antenni”. Usein antennia kutsutaan ”yagi-uda-antenniksi”. Nimi ”yagi” on kuitenkin syöpynyt vuosikymmenten aikana niin syvälle, että yleensä antenni tunnetaan tällä nimellä.

Yagi toisessa maailmansodassa

Toisessa maailmansodassa yagi oli käytössä juuri keksityn tutkan yhteydessä. Vaikka antenni oli keksitty Japanissa, käytettiin sitä tutka-antennina pääasiassa Britanniassa, Saksassa ja Yhdysvalloissa. Japanissa siviilitutkimuksen tulosten siirto sotilastarkoituksiin oli hidasta. Lisäksi Japanin Keisarillisen armeijan ja Keisarillisen laivaston välillä oli kilpailuasema, joka haittasi tiedonsiirtoa. Vaikka professori Yagi oli tutkinut tutkaan liittyvää tekniikkaa, kuten magnetronia, ja oli alan edistyksellisin asiantuntija Japanissa, hänen tutkimustuloksiaan ei juurikaan hyödynnetty japanilaisen tutkan kehittämisessä.

Kuva 5. Samassa mastoputkessa on yagit VHF- ja UHF-TV-kanavien vastaanottoon. UHF-yagissa on verkkorakenteinen kulmaheijastaja. VHF-yagin syöttöelementtinä on taittodipoli.

Vasta valloitettuaan Singaporen Britannialta helmikuussa 1942 japanilaiset törmäsivät yagi-antenniin tutkakäytössä. Brittiläisen tutkateknikon muistiinpanot löytyivät sattumalta ja pian löytyi myös kyseinen mies vankileiriltä. Kuulustelussa häneltä kysyttiin, mitä muistiinpanoissa esiintyvä ”yagi-antenni” tarkoittaa. Kuulustelijoille yllätyksenä hän vastasi, että se on japanilaisen professorin keksimä antenni.

Elokuussa 1942 Yhdysvaltain merijalkaväki sai sotasaaliiksi japanilaisen tutkalaitteiston. Silloin oli yllätys, että Japanilla oli ylipäätään käytössään tutka. Laitteistoa tutkittaessa selvisi kuitenkin, että käytetty tekniikka oli huomattavasti alkeellisempaa Liittoutuneiden ja Saksan käytössä olleeseen verrattuna. Arvioiden mukaan Japanin tutkatekniikka oli kolmesta viiteen vuotta jäljessä niitä. Tämä ero säilyi sodan loppuun asti. Vaikka Japani oli liittoutunut Saksan kanssa, se ei saanut siltä tutkaan liittyvää teknistä apua.

On kuin kohtalon ivaa, että elokuussa 1945 Hiroshiman ja Nagasakin ydinpommien ohjauksessa käytettiin yagi-antenneja.

Jo 1930-luvulla Yhdysvaltalaiset hamit tekivät kokeiluja yagi-antenneilla, vaikkakin tämä oli vielä pienimuotoista toimintaa. Todenteolla yagi alkoi yleistymään radioamatöörikäytössä vasta 1950-luvulla. Sodan jälkeen yagista tuli yleisin antenni TV-lähetysten vastaanottoon (kuva 5) ja niin sen käyttö yleistyi räjähdysmäisesti.

Miten yagi suunnitellaan?

Kuva 6. OH1AF:n pyörivässä mastossa on yageja bandeille 40 m…70 cm.

Radioamatöörikäytössä yageja on rakennettu matalista HF-bandeista aina UHF-taajuuksille asti (kuva 6).

Yagin ominaisuuksia, joihin suunnittelulla pyritään vaikuttamaan, ovat vahvistus (Gain), SWR-kaistanleveys sekä säteilykuvio (lähinnä etu/taka-suhde). Näihin voidaan vaikuttaa seuraavilla muuttujilla: puomin pituus, elementtien lukumäärä, elementtien sijainnit sekä elementtien pituudet ja paksuudet. Lisäksi syöttöjärjestely eli impedanssisovitus syöttöjohdon ja antennin välillä on suunnittelun kohteena. Suunnittelussa on myös otettava huomioon mekaaninen kestävyys eli esimerkiksi elementtien tulee olla riittävän paksuja, jotta antenni kestää myös ennakoitavan tuuli- ja lumikuorman.

Antennin vahvistus, SWR-kaistanleveys ja etu/taka-suhde ovat keskenään optimoitavia ominaisuuksia. Jos yhden maksimoi, kaksi muuta kärsivät. Erityisesti vahvistuksen maksimointi johtaa helposti hyvin kapeisiin SWR:n ja etu/taka-suhteen kaistanleveyksiin. Tinkimällä hieman maksimivahvistuksesta nämä kaistanleveydet saadaan kuitenkin riittäviksi.

Kuva 7. 5-elementtisen 20 m:n yagin (puomin pituus n. 12 m) pystysäteilykuvio puomin suunnassa verrattuna puoliaaltodipolin vastaavaan 20 m:n eli noin yhden aallonpituuden asennuskorkeudessa keskivertomaan yläpuolella. Yagin pääkeila (14°:n lähtökulmassa) on noin 7,5 dB dipolia voimakkaampi (eli 7,5 dBd).
Kuva 8. 5-elementtisen 20 m:n yagin (puomin pituus n. 12 m) vaakasäteilykuvio 14°:n lähtökulmassa puoliaaltodipolin vastaavaan verrattuna 20 m:n eli noin yhden aallonpituuden asennuskorkeudessa keskivertomaan yläpuolella. Yagin etu/taka-suhde on noin 24 dB.

Kaksielementtisen yagin vahvistus on noin 7 dBi (eli verrattuna pistesäteilijään avaruudessa). Pitkän 31-elementtisen UHF-yagin vahvistus on taas noin 20 dBi. Lisäämällä elementtejä ei yagin vahvistusta saa enää merkittävästi tästä nostettua.

HF-alueella helposti toteutettavan kaksielementtisen yagin vahvistus on siis noin 7 dBi eli noin 5 dBd (dipoliin verrattuna). Vastaava etu/taka-suhde on noin 10 dB. Lisäämällä kolmas elementti puomin pituus kasvaa vähintään kaksinkertaiseksi, vahvistus kasvaa vain noin 1 dB, mutta saavutettava etu/taka-suhde on jo 20 dB. Antennin säteilykuvio on siis jo selvemmin yksisuuntainen. Lisättäessä vielä yksi elementti on nelielementtisen yagin puomin pituus taas suurempi, mutta sen vahvistus on noin 7…8 dBd ja etu/taka-suhde parempi kuin 20 dB. Tätä suuremmat antennit parantavat vahvistusta ja etu/taka-suhdetta vain marginaalisesti, mutta varsinkin alemmilla bandeilla (esim. 20 m) konstruktio-ongelmat alkavat olla haastavia. Kuvissa 7 ja 8 on verrattu 20 m:n 5-elementtistä yagia ja puoliaaltodipolia keskenään.

Edellä olevat suoritusarvot ovat realistisia monoband-yageille, ja ne kannattaa pitää mielessä luettaessa antennimainoksia. Antennivalmistajat nimittäin mielellään pyöristävät lukuja ylöspäin, joten edellä olevia paljon suurempiin lukuihin kannattaa suhtautua varauksella. Yleinen temppu näyttää myös olevan, että vahvistus ilmoitetaan vain yksiköissä dB (siis ei dBi tai dBd). Tällöin jää lukijan pääteltäväksi tai arvattavaksi, kumpaa vertailukohtaa tarkoitetaan.

Kuva 9. Samassa mastossa on tribander-yagi HF-bandeille sekä omat yagit 2 m:n ja 70 cm:n bandeille.

Riittävä kaistanleveys vahvistuksen, säteilykuvion ja syöttöimpedanssin suhteen on radioamatööriantennille tietenkin oleellista. Antennin ominaisuuksien tulisi pysyä riittävän hyvinä koko bandin alueella. HF-bandit ovat suhteellisesti niin kapeita, että hyvin suunnitellulle yagille tämä ei ole ongelma. Yhdellä yagilla on usein edullista kattaa useita taajuusalueita. Näin maston ja kääntömoottorin sekä tietysti itse antennin kustannus bandia kohti pienenee. Monialueyagin rakentamiseksi voidaan joko asentaa samalle puomille usean eri bandin yagit tai käyttää bandien erottamiseen toisistaan ns. trappeja eli virityspiirejä. Erityisesti kolmen bandin (yleensä 10, 15 ja 20 m) ns. tribander on suosittu trappi-yagi (kuva 9).

Lähinnä elementtien viritys ja niiden keskinäinen sijainti vaikuttavat yagin ominaisuuksiin. Muuttamalla näitä voidaan nimittäin vaikuttaa kunkin elementin uudelleen säteilemien radioaaltojen vaiheeseen ja sitä kautta koko antennin säteilykuvioon. Se tekee yagin suunnittelusta paperilla vaikean tehtävän. Kaksielementtinen antenni on vielä hallittavissa, mutta elementtien lukumäärän kasvaessa on suunnittelu aina vain vaikeampaa: kaikki vaikuttaa kaikkeen.

Kun laskentatyökaluina oli kynä, paperi ja laskutikku, perustui yagien suunnittelu lähinnä yrityksen ja erehdyksen menetelmään. Tunnettua antennia parannettiin oletetulla tavalla, antenni rakennettiin ja tulos testattiin kentänvoimakkuusmittauksilla. Kokeiltavien muutosten lukumäärä oli tällöin ymmärrettävästi melko rajallinen. Tietokoneen ja antenninmallinnusohjelmien tulo mullisti yagin ja muidenkin antennien suunnittelun. Ilman alumiiniputken sahausta voitiin kirjoituspöydän ääressä testata lähes rajaton määrä erilaisia yagikonsepteja. PC:n kehitys on tuonut tämän kaikkien ulottuville. Esimerkiksi kuvien 7 ja 8 säteilykuviot oma PC:ni laski kirjaimellisesti silmänräpäyksessä.

Lähteet

1. Wikipedia: Yagi–Uda antenna, Radar in World War II

2. Silver, Ward H., NØAX, (Ed.), The ARRL Antenna Book, Ch. 11 “HF Yagi and Quad Antennas”, 23rd Ed., 2015, ARRL, Newington, CT.

3. Hidetsugu Yagi, Shintaro Uda, “Projector of the Sharpest Beam of Electric Waves”, Proceedings of the Imperial Academy of Japan, Feb 1926.

4. Hidetsugu Yagi, “Beam Transmission of Ultra Short Waves”, Proceedings of the IEEE, Vol. 85, No. 11, Nov 1997, (re-print of the 1928-article).

5. David M. Pozar, “Beam Transmission of Ultra Short Waves: An Introduction to the Classic Paper by H. Yagi”, Proceedings of the IEEE, Vol. 85, No. 11, Nov 1997.

6. Gentai Sato, “A Secret Story about the Yagi Antenna”, IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 33, No. 3, June 1991.

7. Robert Welsh, N3RW, “Yagi: The Man and His Antenna”, QST Oct 1993.

8. Jim Maxwell, W6CF, “Amateur Radio: 100 Years of Discovery”, QST Jan 2000.

9. “The Rest of the Story…Hidetsugu Yagi and Mr. Uda?” The Communicator (SARC), Apr 2019.

10. William I. Orr, The W6SAI HF Antenna Handbook, 2005, CQ Communications, Hicksville, NY.

Kuvat 1…6 ja 9: Wikimedia Commons