Antena Ygi-Uda pentru banda ISM - 868MHz

Dimensionarea unei antene și simularea acesteia

Având în vedere creșterea numărului de senzori, respectiv de mărimi, necesare a fi transmise la distanță fără legătură galvanică (fără contact fizic din punct de vedere electric) s-au definit benzi ale spectrului de radio, frecvențe ce pot fi folosite de către acești senzori fără a deține o licență și fără plată de către utilizatori.
O astfel de bandă este cuprinsă între 433,0500 MHz – 434,7900 MHz și 863 MHz - 870 MHz (conf. standard) mai poartă denumirea și bandă ISM din englezescul „Industrial, Scientific and Medical „.
Având în vedere că de cele mai multe ori atât emițătorul cât și receptorul nu sunt în mișcare unul față de celălalt se poate folosi atât pentru emisie cât și pentru recepție antene directive și cu câștig ridicat.
O astfel de antenă este și antena „Yagi-Uda”.
Primele lucrări privind acestă antenă au fost publicate în anul 1926 de oamenii de știință japonezi Hidetsugu Yagi și Shintaro Uda. Deși denumirea de „Yagi” este astăzi cea mau uzitată, folosirea ei este un act de ingratitudine față de Shintaro Uda, adevăratul inventator al antenei.
O astfel de antenă este prezentată în următoarea figură:

Modul de funcționare al unei astfel de antene poate fi prezentat foarte simplificat astfel: directorii fasciculează radiația emisă de emițător și o concentrează în dipol astfel încât rezultă un câștig la care contribuie și reflectorul prin reflectarea energiei înapoi la dipol a energiei ce a trecut inițial pe lângă dipol.
La emisie energia emisă de elementul radiant, de către dipol, pe direcția de propagare \(\alpha = 0^o\) este preluată și concentrată de către elementele directoare iar energia emisa de către elementul radiant (dipol) pe direcția \(\alpha = 180^o\) este reflectată de către elementul reflector către elementele directoare și concentrată astfel spre direcția de propagare \(\alpha = 0^o\) rezultând astfel un câștig.
Elementele unei astfel de antene au în principiu, următoarele dimensiuni:

• Dipolul are dimensiunea de aproximativ jumătate din lungimea de undă:

  \[ LDipol \approx 0,5 \cdot \lambda\]

• Reflectorul (R) este mai mare decât elementul dipol cu aproximativ 5%:

  \[ LR \approx LDipol + 5\% \cdot LDipol\]

• Directoarele (D1 ... Dn), sunt mai mici decât elementul dipol, progresiv cu aproximativ 5% până la 10%:

  \[ LD1 \approx LDipol - 5\% \cdot LDipol\]

• Spațiul dintre reflector și dipol.

  \[ S1 \cdots S2 \approx 0,15 \cdot \lambda\]

  Plecând de la cele enunțate anterior se dorește a se proiecta o antenă pentru banda ISM, respectiv 868MHz a cărei impedanță în punctul de alimentare să fie egală cu , respectiv Za = 200 [Ω].]. În vederea proiectării și optimizării am ales programul YagiCad realizat de către radioamatorul Paul McMahon VK3DIP. Pentru început am plecat de la antena realizată cu yagi. Programul dispune de optimizarea parametrilor geometrici în vederea obținerii a unei caracteristici cât mai bune a: câștigului G, raportului față-spate RFS, a diagramei de radiației, a impedanței sau a tuturor celor enumerate, evident cea din urmă fiind un compromis între toate caracterisiticile.
  Programul arată ca în imaginea de mai jos și poate rula în sistemul de operare windows sau în linux folosind wine:

În cadrul programului alegem și definim, de la stânga la dreapta, următoarele date de intrare:

• Elem. tipul de element: reflector R1, dipol Drv și director D1;
• Position poziția fiecărui element respectiv distanța în m față de elementul de la poziția 0;
• Lenght lungimea fiecărui element ales, în m;
• Diam. diametrul fiecărui element, în m;
• L+BCF lungimea elementului cu tot cu corecția datorată boom-ului din material conductiv, dacă este cazul;
• Material materialul din care este realizat elementul;
• Type tipul de element, programul poate face și pentru antene quad calcule;
• Segs. numărul de segmente în care este împărțit elementul în vederea calculelor;
• VSpace distanța dintre laturile dipolului îndoit;

Pentru o mai ușoară definire a elementelor antenei ne vom ajuta de un alt program software, numit Yagi Calculator, realizat de către John Drew VK5DL:

Alegând meniul Task->Design Yagi vom deschide fereastra pentru ale defini datele de intrare a antenei noastre:

• Frequency in MHz, în acestă căsută vom defini frecvența de lucru a antenei;
• Number of directors, în acestă căsută vom defini numărul de elemente Director a antenei;
• Diameter of dipole bend mm, diametrul sau distanța laturilor dipolului, în mm;
• Dipole gap at feed point mm, distanța sau golul dintre capetele dipolului, unde are loc conectarea liniei de alimentare a antenei, în mm;
• Boom type, din această căsuță vom alege forma geometrică a boom-ului:
  • Square section, pătrat;
  • Round, rotund.
• RG-58C(PE) 50ohm, din lista derulantă alegem linia din care realizăm balun-ul;
• Construction of directors/reflector, din această căsută de dialog vom alege:
  • Metal shape, forma metalului din care este realizat Reflectorul și Directoarele:
    • Round, rotund;
    • Square, pătrat;
    • Flat ribbon, plat (panglică);
  • Directors/Reflector, cum sunt montate, din punct de vedere electric, elementele Directoare și Reflectorul față de boom;
    • bonded throught metal boom, trece prin boomul din metal și nu este izolat față de acesta;
    • insulated through metal boom, trece prin boomul din metal și nu este izolat față de acesta;
    • non metal boom (or standoffs), boomul nu este din material metalic sau elementele sunt așezate cu distanțiere electroizolante de boom.
• Construcțion of Dipole, din această căsuță vom alege opțiuni legate de elementul Dipol:
  • Metal shape, forma metalului din care este realizat Dipolul:
    • Round, rotund;
    • Square, pătrat;
    • Flat ribbon, plat (panglică);
  • Diameter of element, diametrul elementului, în mm;
  • Folded Dipole mounting, cum este montat dipolul îndoit, din punct de vedere electric, față de boom;
    • Same as Dir/Reflector, Dipolul este montat în același mod ca elementele Reflector și Directoare;
    • Fully insulated, Dipolul este complet izolat față de boomul metalic;
  • Diameter of element, diametrul elementului, în mm.

Pentru determinarea elementelor geometrice ale antenei vom apăsa butonul Calculate, rezultând următoarea fereastră cu rezultate:

rezultate care pot fi copiate direct din fereastră:

VK5DJ's YAGI CALCULATOR

Yagi design frequency =868,00 MHz
Wavelength =345 mm
Parasitic elements fastened to a non-metallic or separated from boom
Folded dipole mounted same as directors and reflector
Director/reflector diam =6 mm
Radiator diam =6 mm

REFLECTOR
166,6 mm long at boom position = 30 mm  (IT = 71,0 mm)

RADIATOR
Single dipole 158,9 mm tip to tip, spaced 69 mm from reflector at boom posn 99 mm (IT = 67,0 mm)
Folded dipole 162,1 mm tip to tip, spaced 69 mm from reflector at boom posn 99 mm (IT = 68,5 mm)

DIRECTORS
Dir     Length  Spaced  Boom position   IT  Gain    Gain
(no.)   (mm)    (mm)    (mm)        (mm)    (dBd)   (dBi)
1       142,4   25,9    125,0       58,5    4,8     6,9
2       140,4   62,2    187,1       57,5    6,5     8,6
3       138,5   74,3    261,4       56,5    7,8     9,9
4       136,7   86,3    347,8       56,0    8,9     11,0
5       135,1   96,7    444,5       55,0    9,8     11,9
6       133,6   103,6   548,1       54,5    10,5    12,7
7       132,2   108,8   656,9       53,5    11,2    13,3
8       130,9   114,0   770,8       53,0    11,7    13,9
9       129,7   119,2   890,0       52,5    12,2    14,4
10      128,6   124,3   1014,3      52,0    12,7    14,9

COMMENTS
The abbreviation "IT" means "Insert To", it is the construction distance from the element tip to the edge of the boom for through boom mounting

Spacings measured centre to centre from previous element
Tolerance for element lengths is +/- 1 mm

Boom position is the mounting point for each element as measured from the rear of the boom and includes the 30 mm overhang.The total boom length is 1044 mm including two overhangs of 30 mm

The beam's estimated 3dB beamwidth is 37 deg

A half wave 4:1 balun uses 0,66 velocity factor RG-58C (PE)  and is 114 mm long plus leads
FOLDED DIPOLE CONSTRUCTION
Measurements are taken from the inside of bends
Folded dipole length measured tip to tip = 162mm
Total rod length =354mm
Centre of rod=177mm
Distance BC=CD=64mm
Distance HI=GF=59mm
Distance HA=GE=86mm
Distance HB=GD=114mm
Distance HC=GC=177mm
Gap at HG=10mm
Bend diameter BI=DF=35mm

If the folded dipole is considered as a flat plane (see ARRL Antenna Handbook) then its resonant frequency is less than the flat plane algorithm's range of 10:1

MATERIALS GUIDE for purchase. Allow extra, do NOT use these figures for cutting
NO allowance for saw cuts or purchased lengths resulting in waste
1) Length used by directors and reflector 1515mm of round 6mm rod
2) Length used by single dipole 159mm or folded dipole 354mm of round 6mm rod
3) Length used for boom 1044mm (allows for 30mm each end) square section 25mm

De asemena aceste rezultate pot fi:

• Print results, listate la imprimantă;
• Create YO, crează un fișier pentru vechiul program Yagi Optimmizer;
• Create .mma, crează un fișier pentru simularea cu mai noul program MMANA-GAL;
• Balun, construcția balun-ului:

Astfel cu datele geometrice obținute am realizat simularea, în vederea determinării caracteristicilor electrice, cu programul YagiCad.
În urma simulării am obținut următoarele caracterisitici:

Calculate->Pattern - Diagrama de radiație

Calculate->Sweep - După ce introducem frecvența de start 863 Mhz și frecvența de stop 870 MHz, conform domeniului nostru:

obținem caracteristicele, pentru banda de frecvență impusă anterior, aferente:

• Gain, câștigului, în dBd;
• F/B, raportul față-spate, în dB;
• Zr, impedanța reală, în ohm;
• Zi, impedanța imaginară, în ohm.

Calculate->Overall- După ce introducem frecvența de start 863 Mhz și frecvența de stop 870 MHz, conform domeniului nostru:

obținem carateristicele globale, pentru banda de frecvență impusă anterior, aferente:

• Eff. Gain, câștigul efectiv, în dBd;
• VSWR, raportul tensiunilor undelor staționare, din engl. (Voltage Standing Wave Ratio)

Din meniul Calculate->Auto optimize putem realiza optimizarea automată a caracterisitcilor amintite mai sus.

Deoarece elementul Dipol este îndoit va trebui să realizăm un balun (balanced - unbalanced) pentru adaptarea cu impedanță de \(Z=50\Omega\) a liniei de alimentare și cu ieșirea/intrarea transceiver-ului:

Practic acesta a fost realizat din cablu RG-58C.
Formula de cacul al balun-ului este:

\[ L=\frac{\lambda}{2}\cdot k = \frac{c}{2 \cdot f}\cdot k=\frac{300}{2 \cdot 868} \cdot 0,66=0,114 \left[ m \right]\]

unde:
\(\lambda\) - este lungimea de undă, în \([m]\);
\(c\) - este viteza luminii, aproximativ \(300 \cdot 10^6 [m/s]\);
\(f\) - frecvența, \(868 \cdot 10^6 [Hz]\);
\(k\) - factorul de viteză al cablului, pentru RG-58C avem \(k=0,66\).

Realizarea practică

Pentru realizarea practică s-a folosit:

• conductor de aluminiu pentru realizarea elementelor, diametru 6mm;
• boom-ul a fost realizat din profil rectangular din plastic lung de 1m, în interior s-a introdus o fâșie din PAL
• RG-59C pentru balun. Scule folosite:
• bomfaier;
• bormașină, de preferat coloană;
• hârtie abrazivă (șmirghel);
• șubler și ruletă pentru măsurători. Cu dimensiunile obținute din program se va debita conductorul din aluminiu și realiza găuri în profilul din plastic cu grijă, de preferat cu erori de 1mm. După câteva ore de muncă se va obține o antenă de forma celei de mai jos:

la care caracteristica SWR obținută în urma măsurătorilor este:

Se poate realiza, de asemenea, o antenă integral din aluminium la care toți elemenții sunt izolați față de boom cu presetupe, ca în imaginea de mai jos:

la care am obținut o caracteristică SWR ca în imaginea de mai jos: