La Yagi-Uda è un’antenna composta da due o più elementi (dipoli) di lunghezze leggermente differenti ma assai prossimi alla mezz’onda elettrica, dove solamente uno degli elementi è collegato al cavo di discesa. (Fig. 1)
Gli elementi che non sono direttamente collegati alla linea di discesa vengono detti “parassiti” e prendono il nome di direttori e/o riflettori, a seconda della loro posizione relativa e della funzione svolta.
Insieme al dipolo, un riflettore e/o uno o più direttori formano quindi un’antenna direzionale detta appunto Yagi-uda, dal nome dei suoi inventori.
A causa di una terminologia fuorviante rispetto ai principi elettrici e fisici su cui si basa il funzionamento dell’antenna Yagi-Uda, sono in molti a pensare che i direttori si comportino come lenti focalizzanti e che il riflettore invece “rifletta” come uno specchio. In realtà, il riflettore non “riflette” ed i direttori non “concentrano”.
Il principio di funzionamento della Yagi è infatti basato sull’accumulo e cessione di energia da parte di dipoli elettrici risonanti, quando immersi in un campo elettromagnetico.
Infatti, se l’energia captata dagli elementi parassiti non viene dissipata da un dispositivo utilizzatore, come invece avviene per il dipolo collegato alla linea di discesa, in base al principio di conservazione, questa energia dovrà essere accumulata o rilasciata.
Come funziona allora una yagi?
Come un diapason si mette a vibrare, se nelle sue immediate vicinanze ne viene posto un’altro identico che sta vibrando, anche un dipolo elettrico inizia a “vibrare” se è immerso in un campo elettromagnetico con una lunghezza d’onda uguale alla sua frequenza di risonanza. Per inciso, un dipolo elettrico è risonante quando la sua lunghezza (elettrica) è pari alla mezz’onda, od ai suoi multipli.
Tutti gli elementi parassiti di una yagi sono quindi dipoli che, nell’intorno della loro risonanza, re-irradiano i segnali da cui vengono eccitati, apportandovi però una variazione di fase, cioè un ritardo od un anticipo.
Questa variazione di fase dipende 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 rispetto alla risonanza, -j (corto) o +j (lungo), ed è appunto questo fenomeno di sfasamento che viene opportunamente sfruttato, in combinazione alla posizione relativa, per creare un’antenna direzionale.
Sono allora gli elementi parassiti (per la loro lunghezza e posizione) a determinare il lobo di irradiazione risultante dell’antenna ed il conseguente guadagno.
Dobbiamo però sottolineare che se gli elementi parassiti di un’antenna yagi cambiassero soltanto la fase del segnale ma non re-irradiassero un’energia sufficiente, non ci sarebbe modo di ottenere una significativa direzionalità e guadagno.
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.
A questo genere di problema si rimedia (ma solo in parte) cercando di ridurre il Q dell’elemento.
Poiché aumentare il diametro dell’elemento per ottenere un Q più basso sarebbe sì efficace, ma porterebbe a pesi e prese sul vento eccessive, si adottano forme geometriche che simulano un aumento di diametro, senza peraltro incrementare in modo rilevante peso e presa sul vento (es, elementi ripiegati a rettangolo, o triangoli, o a forma di X, ovali, ellissi, quadrati, etc etc)
Ma come può, la combinazione di un dipolo alimentato ed un riflettore (od un direttore) produrre un guadagno in una direzione ed una cancellazione (riduzione) nell’altra?
Prendiamo il caso di un dipolo che sia posto ad una distanza di un quarto d’onda rispetto ad un riflettore. (Fig 2)
Un segnale che provenga dalla direzione del dipolo raggiungerà il riflettore con un ritardo di 90°, questo a causa della propagazione nello spazio. E’ infatti ovvio che se dal dipolo al riflettore c’è uno spazio fisico pari ad un quarto d’onda (90°), il segnale dovrà percorrere anche questo spazio prima di arrivarci.
Una volta arrivato li, il segnale manderà in risonanza l’elemento riflettore (cioè creerà nell’elemento un segnale elettrico).
Il riflettore, però, a sua volta re-irradierà il segnale (l’energia che non viene dissipata in calore) creando un campo elettromagnetico identico a quello in cui è immerso.
Dato però che il riflettore e’ un po’ più lungo rispetto al dipolo risonante sulla frequenza in oggetto, cioè ha una reattanza di segno positivo, si determinerà anche un’inversione di fase del segnale.
Ricapitolando, il segnale elettromagnetico arriva sul riflettore con un ritardo di 90° rispetto al dipolo, per la distanza in più che deve percorrere.
Il riflettore, essendo più lungo della risonanza, ribalta la fase del segnale che re-irradia, che quindi risulta in anticipo di 90° rispetto al segnale sul dipolo.
Tuttavia, dato che la distanza tra riflettore e dipolo è di 90° (spaziatura fisica) il segnale re-irradiato dal riflettore dovrà percorrerla, arrivando al dipolo esattamente in fase col segnale direttamente captato (dal dipolo).
Se le ampiezze dei segnali (quello direttamente ricevuto dal dipolo e quello re-irradiato dal riflettore) fossero identiche, cioè se il riflettore re-irradiasse tutta l’energia del campo magnetico, il segnale risultante sulla linea sarebbe esattamente il doppio di quello captato da un semplice dipolo.
Nella direzione opposta, cioè dal retro, avremmo invece una cancellazione pressoché completa del segnale.
In altre parole, in una situazione simile, la presenza del riflettore causa un raddoppio od una cancellazione del segnale sul dipolo.
E i direttori?
Al contrario del riflettore, i direttori sono leggermente più corti rispetto alla lunghezza che avrebbero in risonanza esatta e sfasano il segnale re-irradiato con un segno opposto a quanto capita con il riflettore.
Il principio è però lo stesso: il segnale captato dai direttori e da questi re-irradiato, per posizione e sfasamento produrrà un rafforzamento od una cancellazione del segnale sul dipolo.
Nei direttori la corrente circolante (e quindi l’energia re-irradiata) cala però molto più rapidamente di quanto non avvenga nel riflettore, via via che la lunghezza dell’elemento si allontana dalla risonanza elettrica.
Lo sfasamento in anticipo di un direttore può arrivare fino a 90°, nel caso di direttori molto corti. Sfortunatamente, l’energia re-irradiata da un direttore molto corto è talmente bassa che il contributo di un simile elemento diventa del tutto trascurabile contribuisce ben poco al campo complessivo prodotto dall’antenna.
Per riassumere, gli elementi parassiti di un’antenna yagi re-irradiano energia e questa irradiazione produce, per somma algebrica vettoriale, una riduzione del campo in certe direzioni ed un rafforzamento in altre, creando in questo modo direttività e guadagno.
Gli elementi che non sono direttamente collegati alla linea di discesa vengono detti “parassiti” e prendono il nome di direttori e/o riflettori, a seconda della loro posizione relativa e della funzione svolta.
Insieme al dipolo, un riflettore e/o uno o più direttori formano quindi un’antenna direzionale detta appunto Yagi-uda, dal nome dei suoi inventori.
A causa di una terminologia fuorviante rispetto ai principi elettrici e fisici su cui si basa il funzionamento dell’antenna Yagi-Uda, sono in molti a pensare che i direttori si comportino come lenti focalizzanti e che il riflettore invece “rifletta” come uno specchio. In realtà, il riflettore non “riflette” ed i direttori non “concentrano”.
Il principio di funzionamento della Yagi è infatti basato sull’accumulo e cessione di energia da parte di dipoli elettrici risonanti, quando immersi in un campo elettromagnetico.
Infatti, se l’energia captata dagli elementi parassiti non viene dissipata da un dispositivo utilizzatore, come invece avviene per il dipolo collegato alla linea di discesa, in base al principio di conservazione, questa energia dovrà essere accumulata o rilasciata.
Come funziona allora una yagi?
Come un diapason si mette a vibrare, se nelle sue immediate vicinanze ne viene posto un’altro identico che sta vibrando, anche un dipolo elettrico inizia a “vibrare” se è immerso in un campo elettromagnetico con una lunghezza d’onda uguale alla sua frequenza di risonanza. Per inciso, un dipolo elettrico è risonante quando la sua lunghezza (elettrica) è pari alla mezz’onda, od ai suoi multipli.
Tutti gli elementi parassiti di una yagi sono quindi dipoli che, nell’intorno della loro risonanza, re-irradiano i segnali da cui vengono eccitati, apportandovi però una variazione di fase, cioè un ritardo od un anticipo.
Questa variazione di fase dipende 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 rispetto alla risonanza, -j (corto) o +j (lungo), ed è appunto questo fenomeno di sfasamento che viene opportunamente sfruttato, in combinazione alla posizione relativa, per creare un’antenna direzionale.
Sono allora gli elementi parassiti (per la loro lunghezza e posizione) a determinare il lobo di irradiazione risultante dell’antenna ed il conseguente guadagno.
Dobbiamo però sottolineare che se gli elementi parassiti di un’antenna yagi cambiassero soltanto la fase del segnale ma non re-irradiassero un’energia sufficiente, non ci sarebbe modo di ottenere una significativa direzionalità e guadagno.
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.
A questo genere di problema si rimedia (ma solo in parte) cercando di ridurre il Q dell’elemento.
Poiché aumentare il diametro dell’elemento per ottenere un Q più basso sarebbe sì efficace, ma porterebbe a pesi e prese sul vento eccessive, si adottano forme geometriche che simulano un aumento di diametro, senza peraltro incrementare in modo rilevante peso e presa sul vento (es, elementi ripiegati a rettangolo, o triangoli, o a forma di X, ovali, ellissi, quadrati, etc etc)
Ma come può, la combinazione di un dipolo alimentato ed un riflettore (od un direttore) produrre un guadagno in una direzione ed una cancellazione (riduzione) nell’altra?
Prendiamo il caso di un dipolo che sia posto ad una distanza di un quarto d’onda rispetto ad un riflettore. (Fig 2)
Un segnale che provenga dalla direzione del dipolo raggiungerà il riflettore con un ritardo di 90°, questo a causa della propagazione nello spazio. E’ infatti ovvio che se dal dipolo al riflettore c’è uno spazio fisico pari ad un quarto d’onda (90°), il segnale dovrà percorrere anche questo spazio prima di arrivarci.
Una volta arrivato li, il segnale manderà in risonanza l’elemento riflettore (cioè creerà nell’elemento un segnale elettrico).
Il riflettore, però, a sua volta re-irradierà il segnale (l’energia che non viene dissipata in calore) creando un campo elettromagnetico identico a quello in cui è immerso.
Dato però che il riflettore e’ un po’ più lungo rispetto al dipolo risonante sulla frequenza in oggetto, cioè ha una reattanza di segno positivo, si determinerà anche un’inversione di fase del segnale.
Ricapitolando, il segnale elettromagnetico arriva sul riflettore con un ritardo di 90° rispetto al dipolo, per la distanza in più che deve percorrere.
Il riflettore, essendo più lungo della risonanza, ribalta la fase del segnale che re-irradia, che quindi risulta in anticipo di 90° rispetto al segnale sul dipolo.
Tuttavia, dato che la distanza tra riflettore e dipolo è di 90° (spaziatura fisica) il segnale re-irradiato dal riflettore dovrà percorrerla, arrivando al dipolo esattamente in fase col segnale direttamente captato (dal dipolo).
Se le ampiezze dei segnali (quello direttamente ricevuto dal dipolo e quello re-irradiato dal riflettore) fossero identiche, cioè se il riflettore re-irradiasse tutta l’energia del campo magnetico, il segnale risultante sulla linea sarebbe esattamente il doppio di quello captato da un semplice dipolo.
Nella direzione opposta, cioè dal retro, avremmo invece una cancellazione pressoché completa del segnale.
In altre parole, in una situazione simile, la presenza del riflettore causa un raddoppio od una cancellazione del segnale sul dipolo.
E i direttori?
Al contrario del riflettore, i direttori sono leggermente più corti rispetto alla lunghezza che avrebbero in risonanza esatta e sfasano il segnale re-irradiato con un segno opposto a quanto capita con il riflettore.
Il principio è però lo stesso: il segnale captato dai direttori e da questi re-irradiato, per posizione e sfasamento produrrà un rafforzamento od una cancellazione del segnale sul dipolo.
Nei direttori la corrente circolante (e quindi l’energia re-irradiata) cala però molto più rapidamente di quanto non avvenga nel riflettore, via via che la lunghezza dell’elemento si allontana dalla risonanza elettrica.
Lo sfasamento in anticipo di un direttore può arrivare fino a 90°, nel caso di direttori molto corti. Sfortunatamente, l’energia re-irradiata da un direttore molto corto è talmente bassa che il contributo di un simile elemento diventa del tutto trascurabile contribuisce ben poco al campo complessivo prodotto dall’antenna.
Per riassumere, gli elementi parassiti di un’antenna yagi re-irradiano energia e questa irradiazione produce, per somma algebrica vettoriale, una riduzione del campo in certe direzioni ed un rafforzamento in altre, creando in questo modo direttività e guadagno.
