Auf den Punkt gebracht: Die Yagi-Antenne

Wenn Sie in den 60er oder 70er Jahren während einer Fahrt durch eine Vorstadtstraße in den USA nach oben geschaut haben, ist Ihnen zweifellos ein Wald aus Fernsehantennen aufgefallen. Als Over-the-Air-TV die einzige Option war, unternahmen die Menschen große Anstrengungen, um Signale einzuspeisen, wobei Antennen von manchmal riesigen Ausmaßen über Dächern flogen.

Außenantennen verschwanden im letzten Drittel des 20. Jahrhunderts mit der Dominanz der Kabelanbieter nahezu völlig und wurden als unansehnliche Relikte einer traurigen, vergangenen Ära begrenzter Auswahl und schlechtem Empfang an den Rand gedrängt. Aber jetzt fangen geizige Kabelschneider wie Ihr tatsächlich an, diesen einst dichten Wald wieder wachsen zu lassen, diesmal indem sie Antennen in die Höhe strecken, um digitale Programme über die Luft zu empfangen. Viele der neuen Antennen machen unverschämte Leistungsansprüche oder behaupten, dass sie speziell für HDTV entwickelt wurden. Das ist natürlich alles Marketing-Unsinn, denn damals wie heute ist fast jede TV-Antenne nur eine Form des klassischen Yagi-Designs. Die Physik dieser Antenne ist faszinierend, ebenso wie die Geschichte, wie die Antenne erfunden wurde.

Was später als Yagi-Antenne bekannt wurde, entstand in den frühen 1920er Jahren im Labor von Professor Shintaro Uda an der Tohoku Imperial University in Sendai, Japan. Dr. Uda arbeitete im VHF-Band und suchte nach Möglichkeiten, Antennen besser auszurichten. Beim Experimentieren mit einer Resonanzschleifenantenne entdeckte er, dass die Platzierung einer statischen Schleife in der Nähe der Antenne dazu führte, dass das Signal von einem omnidirektionalen Muster abweichte, fast so, als würde die Schleife als Reflektor fungieren.

Zusammen mit seinem Kollegen Hidetsugu Yagi experimentierte Uda mit verschiedenen Konfigurationen. Schließlich ersetzten sie die Rahmenantenne durch einen einfachen Dipol und fügten an einem langen Ausleger zusätzliche Elemente, die sie Direktoren nannten, hinzu, um den Strahl weiter zu formen. Mithilfe von acht Direktoren an einem 15 Meter langen Holzausleger, der auf dem Dach ihres Labors montiert war, konnten Uda und Yagi über eine Entfernung von 135 km mit 68 MHz kommunizieren, was für die damalige Zeit keine leichte Aufgabe war.

Nachdem sie ihre Erfindung „Wellenprojektor-Richtantenne“ getauft hatten, war es unvermeidlich, dass die Antenne nach jemandem benannt wurde. Wie es dazu kam, dass es einzig und allein Dr. Dr. Uda veröffentlichte die ersten Veröffentlichungen in japanischer Sprache über die Antenne, aber aus unbekannten Gründen meldete Dr. Yagi sowohl japanische als auch amerikanische Patente für die Antenne an, ohne Uda zu erwähnen. Das japanische Patent wurde der Marconi Company in England übertragen, während das amerikanische Patent an RCA ging. Da Uda nicht erwähnt wurde und Dr. Yagi durch die englischsprachige Welt reiste, um „seine“ Antenne auf verschiedenen Funktechnikkonferenzen zu diskutieren, wurde die Antenne nach und nach einfach zur „Yagi-Antenne“ oder zum „Yagi-Array“.

Ironischerweise war es dank der Rivalitäten zwischen den Streitkräften und der Silomentalität im kaiserlichen Japan erst die Eroberung eines britischen Radargeräts während der Schlacht von Singapur im Jahr 1942, die dem japanischen Militär die Einführung der einheimischen Erfindung ermöglichte. Die japanischen Geheimdienstoffiziere hielten „Yagi“ nicht einmal für einen japanischen Namen – sie gingen davon aus, dass es sich lediglich um ein von den Briten erfundenes Codewort handelte.

Die Hauptmerkmale der Yagi-Uda-Antenne sind eine hohe Richtwirkung und ein hoher Gewinn. Angesichts der Tatsache, dass die Länge jedes Elements etwa einem Bruchteil der Wellenlänge des Signals entsprechen muss, ist dies am praktischsten für höhere Frequenzen, meist über 30 MHz. Das heißt jedoch nicht, dass es nicht auch für längere Wellenlängen verwendet werden kann – viele Funkamateure nutzen die 20-m- und 40-m-Bänder über eine große Yagi.

Wie in Dr. Udas ursprünglichem Design besteht ein Yagi aus einem einzelnen angetriebenen Element, das parallel zu und koplanar mit mindestens zwei parasitären Elementen verläuft. Ein minimales Design besteht aus einem einzelnen Reflektorelement, das sich „hinter“ dem angetriebenen Element (relativ zur Richtung des Funksignals) befindet, und einem einzelnen Direktorelement vor dem angetriebenen Element. Eine praktische Antenne verfügt wahrscheinlich über mehrere Direktoren. Je mehr davon vorhanden sind, desto enger ist die Richtwirkung und desto höher ist der Gewinn, zumindest bis zu einem gewissen Punkt.

Dies verleiht Yagis ihr charakteristisches Aussehen – ein horizontaler Ausleger mit mehreren senkrecht angeordneten Elementen. Natürlich gibt es einige Variationen – einige Yagis haben mehrere Reflektoren oder eine Eckreflektoranordnung. Und bei einigen Antennen, insbesondere bei Fernsehantennen, sind die parasitären Elemente eher in einem Winkel als senkrecht zum Ausleger nach hinten gerichtet. Darüber hinaus können die Elemente je nach gewünschter Polarisation horizontal oder vertikal angeordnet werden.

Um das Design des Yagi zu verstehen, erinnern Sie sich daran, dass eine einfache alte Dipolantenne im freien Raum ein Strahlungsmuster aufweist, das die stärkste Breitseite der Antenne darstellt. Das führt zu zwei großen Keulen an der Vorder- und Rückseite der Antenne und einem geringen Signal an den Enden. Das angetriebene Element eines Yagi ist nur ein Halbwellendipol oder manchmal ein gefalteter Dipol, um die Impedanz zu erhöhen. Die parasitären Elemente formen und lenken den Strahl mithilfe konstruktiver und destruktiver Interferenz.

Wie Dr. Uda herausfand, können die parasitären Elemente entweder induktiv oder kapazitiv an das angetriebene Element gekoppelt werden. Induktive Elemente sind etwas länger als Halbwellenelemente, während kapazitive Elemente etwas kürzer sind. Die Direktoren sind alle kürzer als Halbwelle und daher kapazitiv gekoppelt, während der Reflektor länger und induktiv gekoppelt ist. Der Unterschied zur idealen Halbwelle ist gering – normalerweise nur 10 % bis 15 %.

Sowohl der Reflektor als auch die Direktoren funktionieren, indem sie Energie vom angetriebenen Element zurückstrahlen. Der Abstand der parasitären Elemente relativ zum angetriebenen Element bestimmt die Phase des zurückgestrahlten Signals. Da der Reflektor induktiv reaktiv ist, strahlt er Leistung um 180° phasenverschoben zum angetriebenen Element ab. Der Abstand ist so eingestellt, dass er destruktive Interferenz auf der Rückseite der Antenne verursacht und gleichzeitig nahezu phasengleich mit dem angesteuerten Signal auf der Vorderseite der Antenne ist. Dies führt zu konstruktiver Interferenz und erhöht die Leistung an der Vorderseite. In ähnlicher Weise sind die kapazitiv gekoppelten Direktoren so beabstandet, dass sie die Leistung in Vorwärtsrichtung mehr oder weniger gleichphasig abstrahlen, während sie nach hinten phasenverschoben abstrahlen.

Das Ergebnis ist ein stark verstärktes Signal in Richtung der Direktoren und nahezu kein Signal hinter dem Reflektor. Und erinnern Sie sich daran, dass die Antennentheorie besagt, dass jede Antenne, die sendet, auch empfangen kann, und zwar mit den gleichen Eigenschaften. Es spielt keine Rolle, ob das angetriebene Element in einem Yagi von einem 100-Watt-Leistungssender angetrieben wird, der an die Zuleitung angeschlossen ist, oder von ein paar Mikrowatt, die von einem entfernten Fernsehturm aufgenommen werden. Die Direktionalität und der Gewinn werden gleich sein. Und Yagis können einen bemerkenswerten Gewinn erzielen – bis zu 20 dBm, wenn sie richtig ausgelegt sind.

So nützlich die Yagi-Antenne auch ist, sie ist alles andere als perfekt. Aufgrund der kritischen Größe und Abstände der parasitären Elemente haben Yagis eine relativ schmale Bandbreite. Außerdem kann die Ausrichtung der Antenne störend sein, da sie dazu erforderlich ist, die Antenne so zu drehen, dass sie mehr oder weniger genau auf den Sender oder Empfänger zeigt.

Wenn Sie jedoch ein einzelnes Vorsignal einspeisen müssen, ist diese Direktionalität genau das Richtige für Sie. Die Yagi ist eine leistungsstarke Antenne, und angesichts der Wirkung, die sie erzielt hat, ist es wahrscheinlich richtig und gut, dass viele sie als Yagi-Uda-Antenne bezeichnen.