Come funziona l'antenna Yagi (Rev. 19-6-2022)

La yagi, è un’antenna direzionale, composta da due o più dipoli di lunghezza prossima alla mezz’onda. Si tratta quindi di un'antenna il cui funzionamento è limitato ad una gamma di frequenze in cui la caratteristica di cui sopra rimane verificata.

Solamente uno degli elementi è collegato al cavo di discesa, cioè a quella che tecnicamente si chiama linea di trasmissione.

Parallelamente a questo dipolo, ne vengono posizionati altri simili, con una spaziatura e lunghezza opprtuna. Gli elementi che non sono direttamente collegati alla linea di discesa sono detti “parassiti” e prendono il nome di direttori e/o riflettore, a seconda della loro lunghezzza e della posizione relativa rispetto al dipolo.

Dipolo alimentato ed almeno un elemento parassita, formano un'antenna direzionale che viene detta Yagi-uda, dal nome del suo inventore.

Ma come funziona allora una yagi?

Come un diapason (elemento risonante) si mette a vibrare se nelle sue immediate vicinanze ne viene posto un’altro identico (cioè che risuona sulla stessa nota), i dipoli elettrici si comportano esattamente allo stesso modo. Se sono immersi in un campo elettromagnetico con una frequenza prossima alla loro risonanza, nei dipoli vicini, se sono altrettanto risonanti, scorre una corrente elettrica, per effetto delle quale, combinandosi con quella del dipolo (alimentato direttamente dalla linea di discesa), si genera un campo elettromagnetico la cui forma deriva dal mutuo accoppiamento fra i vari elementi. Questo è l'effetto alla base del funzionamento dell'antenna direzionale ad elementi parassiti.

Tutti gli elementi parassiti di una yagi sono comuni dipoli che, nell’intorno della loro risonanza, re-irradiano i segnali da cui vengono eccitati, apportandovi però un'importante e particolare variazione di fase.

Questa variazione di fase sul segnale re-irradiato è funzione (dipende...) dalla lunghezza fisica dell’elemento. In altre parole 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 (si dice che un elemento ha una componente reattiva quando non è esattamente in risonanza)

Manipolando opportunamente la distanza fra loro e la fase del segnale re-irradiato dai dipoli e dai riflettori, si crea un’antenna direzionale.

Più specificamente, Re-irradiando energia con una fase ben precisa (appunto determinata dalla lunghezza degli elementi) ed impiegando un tempo altrettanto fondamentale per giungere al dipolo alimentato, cioè posizionando opportunamente gli elementi (parassiti) di una yagi, se ne determina il lobo di irradiazione risultante dell’antenna, RIDUCENDO il campo in una data direzione e RAFFORZANDOLO in altre.

Il guadagno di un'antenna consiste, infatti, nel ridurre l'irradiazione in certe direzioni (ed elevazioni) per concentrare quell'energia in altre direzioni ed elevazioni.

E’ da sottolineare che se gli elementi parassiti di un’antenna yagi modificano la fase del segnale, ma non re-irradiano un’energia significativa, cioè comparabile con quella dell'elemento connesso al trasmettitore (o ricevitore), non otteniamo variazioni rilevanti al segnale presente sui morsetti del dipolo collegato alla linea di discesa.

Direttori e riflettori sono quindi dipoli elettricamente eccitati dai campi elettromagnetici in cui sono immersi, ma in quali condizioni re-irradiano una buona parte di questa energia?

La risposta è: soltanto in prossimità della loro risonanza.

Praticamente parlando, l’energia re-irradiata da un dipolo è consistente sino a che la lunghezza dell’elemento parassita non scende al di sotto del 95% rispetto alla frequenza di risonanza, e non aumenta oltre il 107%. Questo, ovviamente, è vero a meno di altre perdite che possono essere presenti nell’elemento, ad esempio, quelle dovute ad eventuali cariche induttive, o alle cosiddette trappole.

Come possono un riflettore od un direttore produrre una cancellazione di segnale in una data direzione e la somma in un'altra? Per maggiore semplicità, cioè per rendere più intuitivo il ragionamento, immagineremo di considerare l'antenna come trasmittente.

Prendiamo un dipolo ed immaginiamo che sia alimentato da un trasmettitore. Come è noto, il diagramma di irradiazione sul piano orizzontale ha la forma di un 8 allungato.

Ad un 1/4 d'onda di distanza, collochiamo ora un riflettore, ponendo attenzione che 1/4 d'onda equivale anche a 90° elettrici.

Il segnale "vettore" (modulo unitario e fase zero), irradiato dal dipolo, raggiungerà il riflettore dopo aver percorso lo spazio fisico esistente, quindi, necessariamente si aggiungerà un ritardo di 90°. E’ infatti ovvio che se dal dipolo al riflettore c’è uno spazio fisico pari ad 1/4 d'onda, il segnale dovrà percorrere questo spazio "elettrico" (fase) per arrivarci.

Una volta arrivato al riflettore, il segnale irradiato dal dipolo "ecciterà" il riflettore che a sua volta re-irradierà (quasi tutta) questa energia, visto che non verrà utilizzata in alcun modo. Poichè il riflettore è più lungo rispetto al dipolo risonante, cioè ha una reattanza di segno positivo, si determinerà anche un’inversione di fase del segnale re-irradiato.

Pertanto, dato che l'inversione di fase equivale ad un ritardo di 180°, sommando algebricamente a questo valore il tempo di propagazione fra dipolo e riflettore, cioè 90°, il segnale re-irradiato dal riflettore avrà un ritardo complessivo di 270° rispetto a quello del dipolo. Poichè un ritardo di 270° equivale ad un anticipo di 90°, cioè –90°,  l’energia irradiata (sarebbe la fase del vettore...) da questa ipotetica yagi a due elementi, risulterà nulla nella direzione dipolo riflettore (vettore -90 + vettore 90°) e raddoppiata (vettore 90° + vettore 90°) in quella opposta.

E i direttori?

In quanto piu' corti rispetto alla risonanza, i direttori sfasano il segnale re-irradiato con segno opposto rispetto al riflettore, ovvero in anticipo anziché in ritardo.

Lo sfasamento in anticipo di un direttore puo' essere quindi variato a seconda della sua lunghezza, arrivando fino a -90° nel caso di direttori molto corti. Sfortunatamente, l’energia re-irradiata da un direttore si riduce sensibilmente se la sua lunghezza si riduce oltre una data soglia. In altre parole, un direttore di lunghezza molto raccorciata rispetto alla mezz'onda corrispondente alla frequenza in uso, contribuirà in modo trascurabile al campo complessivo prodotto dall’antenna.

Premesso ciò e tornando all'ipotesi del direttore posto ad 1/4 d'onda dal dipolo, avremo: –90 +90 –180, cioè –180°. Pertanto, analogamente all’esempio del riflettore, in una direzione la re-irradiazione del direttore si somma a quella prodotta dal dipolo, mentre nell’altra va a cancellarla.

E’ molto importante notare che la corrente circolante nel direttore, qualora sia presente un riflettore, non è solamente maggiore di quella che circolerebbe in un semplice dipolo, ma è arriva (in teoria) al doppio, dato che l'energia proveniente dall'insieme dipolo-riflettore, in direzione del direttore, sarà all'incirca doppia rispetto a quella in presenza del solo il dipolo (l'elemento collegato alla discesa).
La stessa considerazione riguardo all'energia ed alla corrente, vale ovviamente anche per il riflettore, se è presente un direttore.

Se ricordiamo la premessa che per apportare un contributo significativo, gli elementi parassiti devono poter re-irradiare un'energia comparabile a quella da cui vengono "eccitati", è chiaro che la corrente circolante nel primo direttore e nel riflettore sarà via via maggiore se aumenta il numero dei direttori, mentre l’apporto degli ulteriori direttori al guadagno ed alla direttività diminuirà via via che questi aumentano di numero e si riducono in lunghezza, una conseguenza che abbiamo visto determinare anche una riduzione nell'energia re-irradiata.

Perchè solo un direttore (o una sola cortina di riflettori)?

Se si è seguito il ragionamento, dovrebbe risultare ovvio perché sia inutile avere piu' riflettori se questi sono posti nello stesso piano del dipolo e dei direttori. Aggiungendo infatti un elemento oltre il riflettore, cioè nella direzione e nel piano dove l’energia e' gia' stata minimizzata, non possiamo sperare di ottenere nulla di significativo. L’energia presente sull’ipotetico secondo riflettore, quella che cioè potrebbe essere re-irradiata, è irrilevante, in quanto è già stata minimizzata dall’insieme riflettore dipolo, e dagli eventuali direttori presenti.

Per la ragione opposta, aggiungere direttori posizionati opportunamente ha sempre efficacia, sia per aumentare il guadagno che per incrementare il rapporto fronte retro. L’unica limitazione all’aumento dei direttori sta nel non poterli accorciare oltre un certo livello, pena la riduzione dell’energia da questi re-irradiata. Non potendo accorciare i direttori oltre un certo limite, la banda utile dell’antenna, quella cioè dove il guadagno è alto e la direttività buona, si riduce via via che i direttori aumentano.

Per aggirare il problema della banda operativa limitata, tipica delle yagi, cioè per realizzare antenne direttive ad elementi parassiti, che siano in grado di coprire tutta la banda, ad esempio UHF TV, è tipico aumentare al massimo la banda del dipolo alimentato (elementi a V, oppure porre un elemento vicinissimo al dipolo per allargarne la banda "Optimised Wideband Array")  e dispore sul sostegno, direttori che funzionano, in pratica, solo su alcune porzioni di banda.

Nelle antenne yagi multibanda, il riflettore ed i direttori (soprattutto il primo), dovrebbero il più possibile essere privi di trappole o di cariche per evitare che questi componenti, con le loro perdite, riducano in modo consistente la corrente circolante, e di conseguenza l’apporto degli elementi parassiti dove sono installate, rispetto al sistema d’antenna.

Ecco perchè, nelle antenne per radioamatori, un dipolo trappolato o caricato non è così diverso nelle prestazioni da quello corrispondente a lunghezza fisica, mentre un’antenna yagi con le stesse “trappole” sugli elementi è decisamente più scarsa nelle prestazioni rispetto alla monobanda di pari elementi. Antenne con pochi elementi (ma poche perdite) e guadagno assoluto moderato, hanno spesso prestazioni superiori a yagi multibanda, che fanno ricorso a trappole e da cui, per numero di elementi, a torto, ci si aspetterebbero prestazioni superiori.

Per riassumere, gli elementi parassiti di un’antenna yagi re-irradiano energia e questa irradiazione produce una riduzione del campo in certe direzioni ed un rafforzamento in altre, creando in questo modo direttività. Poiché nell’antenna yagi (priva di cariche e trappole) non c’e' nulla o quasi che dissipi energia, e' intuitivo che quanto non va in certe direzioni, ovvero principalmente sul retro e sul fianco, debba conseguentemente andare a rafforzare l’irradiazione nelle altre direzioni, producendo quello che viene comunemente definito “guadagno”.

Per la ragione opposta, aggiungere direttori posizionati opportunamente ha sempre efficacia, sia per aumentare il guadagno che per incrementare il rapporto fronte retro. L’unica limitazione all’aumento dei direttori sta nel non poterli accorciare oltre un certo livello, pena la riduzione dell’energia da questi re-irradiata. Non potendo accorciare i direttori oltre un certo limite, la banda utile dell’antenna, quella cioè dove il guadagno è alto e la direttività buona, si riduce via via che i direttori aumentano.