LFA-Yagi: rivoluzione nel design delle Yagi per le massime prestazioni

La LFA-Yagi: più di un semplice dipolo ripiegato

Per i non addetti ai lavori, l'elemento alimentato della LFA Yagi può sembrare un convenzionale dipolo ripiegato, ma non è del tutto vero. In questo articolo, infatti, mettiamo in evidenza le caratteristiche speciali che rendono la LFA Yagi a basso rumore così speciale.

Oltre alla caratteristica spira rettangolare del dipolo circondata da altri elementi parassiti, la vera particolarità della LFA Yagi risiede nei parametri di progettazione aggiuntivi. Questi parametri, finemente regolati, migliorano significativamente le prestazioni della Yagi, trovando un ottimo compromesso tra basso rumore, buon guadagno, buon rapporto fronte/retro e larghezza di banda. Di seguito illustreremo in dettaglio le caratteristiche più importanti.

Di cosa parla il seguente articolo

• Yagi a basso rumore - “The Urban” o City Yagi
• Elemento alimentato dipolo chiuso a loop
• Prestazioni ottimizzate con alimentazione diretta a 50Ω
• Estesa ampiezza di banda
• L'elemento radiante è collegato a terra
• Impedenza nativa più bassa
• Yagi autobilanciata
• Simmetrica in entrambi i piani - AZ e EL
• Si comporta come un filtro passa-banda
• Gestione di elevata potenza
• Cancellazione dei lobi laterali
• Miglior rapporto G/T nella sua categoria
• Lo sviluppo della Yagi LFA
• La Yagi X-pol a prova di futuro: design migliorato anche per l'integrazione dei cavi

La scelta ottimale per le aree urbane rumorose

Prima di entrare nei dettagli, diamo un'occhiata a un esempio concreto. Un radioamatore canadese ha deciso di passare a una LFA a basso rumore, mantenendo la lunghezza e il numero di elementi. La vecchia antenna doveva essere sostituita da una beam multibanda HF. Nell'ambito di un test A/B, ha collegato entrambe le antenne a diversi ingressi della stessa radio. Nel video di confronto qui sotto, si può notare che, mentre le intensità dei segnali sembrano simili, il minor rumore dell'LFA ha trasformato i segnali appena percettibili dell'antenna originale a 7 elementi in nitidi segnali Q5.

Adattabilità grazie al design a dipolo 3D

La Yagi LFA a basso rumore, con il suo caratteristico anello di dipolo rettangolare chiuso, è estremamente adattabile. A differenza dei dipoli convenzionali, il dipolo loop della LFA esiste in uno spazio tridimensionale, il che gli conferisce un elevato grado di flessibilità nell'adattamento. È qui che sta la differenza: con la Yagi convenzionale, il dipolo si avvicina al riflettore e si allontana dal direttore o viceversa. Tuttavia, il loop dell'LFA, con la sua struttura tridimensionale, non si attiene a questa restrizione. Può espandersi o contrarsi lungo il braccio in modo da poter regolare la sua distanza dal riflettore e dalla direttrice allo stesso tempo. Può cioè avvicinarsi a entrambi, allontanarsi da entrambi o modificare selettivamente la sua distanza da uno solo di essi, mantenendo costante il suo rapporto con l'altro. Inoltre, la scelta del punto di alimentazione della spira - se più vicino al riflettore o al direttore - introduce un'altra dimensione di ottimizzazione. Ogni posizionamento porta con sé caratteristiche di prestazione diverse, che vengono poi accuratamente affinate attraverso un'ottimizzazione successiva. È questa versatilità di regolazione, unita a una dettagliata ottimizzazione al computer, che distingue il loop LFA da tutti gli altri Yagi.

La yagi LFA come soluzione per una buona personalizzazione

Il miglioramento delle prestazioni delle yagi convenzionali alimentate a dipolo può essere ottenuto riducendo l'impedenza del punto di alimentazione. Tuttavia, questo comporta delle sfide. Se da un lato la riduzione dell'impedenza può migliorare le prestazioni, come il guadagno in avanti e il rapporto F/B, dall'altro richiede l'inserimento di un trasformatore o di un elemento di adattamento per riportare l'impedenza di alimentazione all'impedenza standard di 50 Ω. Questa regolazione comporta perdite che possono annullare i vantaggi dell'impedenza più bassa.

Larghezza di banda senza compromessi grazie al design del loop

Tradizionalmente si riteneva che le Yagi a bassa impedenza avessero intrinsecamente una larghezza di banda inferiore. Tuttavia, la Yagi LFA ha dimostrato che è possibile aumentare la larghezza di banda senza compromettere altre caratteristiche di prestazione. Ciò risulta evidente quando si confronta la LFA Yagi con la Yagi di riferimento Optimised Wideband Array (OWA). L'OWA, con il suo dipolo bidimensionale, è stato apprezzato per la sua ampia larghezza di banda. La capacità dell'LFA di regolare la profondità del loop - in modo uniforme o selettivo su un lato - e di cambiare la posizione del punto di alimentazione gli conferisce un vantaggio. Il risultato è una Yagi che non solo eguaglia la larghezza di banda dell'OWA, ma in alcuni casi la supera.

Alimentazione a 50 Ω senza compromessi in termini di larghezza di banda e potenza

Un dipolo loop da solo ha normalmente un'impedenza compresa tra 200 Ω e 300 Ω, che varia a seconda della forma del rettangolo. L'aggiunta di elementi parassiti, come riflettori e direttori, riduce l'impedenza dello stesso. I fattori che influenzano questa impedenza sono il numero, la forma, la lunghezza e la vicinanza di questi elementi aggiuntivi al rettangolo.

È importante chiarire che, sebbene G0KSC offra progetti di LFA liberamente ricostruibili sul suo sito web, questi rappresentano i suoi primi progetti di oltre 14 anni fa. Al contrario, solo InnovAntennas offre gli ultimi progetti di antenna di G0KSC, tra cui la Yagi LFA a basso rumore di nuova generazione.

L'LFA-Yagi, con il suo design a loop, consente un'alimentazione diretta a 50 Ω, senza ulteriori regolazioni. L'alimentazione diretta garantisce prestazioni ottimali senza le perdite che spesso si verificano con i progetti convenzionali. In passato si è cercato di ottimizzare le Yagi a dipolo sdoppiato per ottenere un'impedenza finale di 200 Ω. Alcuni hanno sperimentato la sostituzione del dipolo sdoppiato con un tradizionale dipolo compatto ripiegato, che ovviamente riduceva l'impedenza a circa 50 Ω. Se da un lato questo approccio ha migliorato la larghezza di banda rispetto a una Yagi da 50 Ω con un dipolo sdoppiato di lunghezza simile, dall'altro ha avuto un effetto negativo su parametri di prestazione chiave come il guadagno e il rapporto F/B.

Dipolo LFA collegato a terra

Il fulcro del dipolo ad anello LFA è il collegamento a terra DC, posizionato di fronte al punto di alimentazione. Si tratta di un elemento cruciale per ottimizzare il funzionamento dell'antenna. Il collegamento a terra, che si trova in un punto a corrente zero alla frequenza operativa, svolge una duplice funzione. Contribuisce a garantire che tutta l'energia RF venga effettivamente irradiata verso questo punto, lasciando solo una tensione che, a sua volta, contribuisce a garantire che nessuna corrente di modo comune ritorni indietro lungo la linea di alimentazione. Pertanto, questa funzione aiuta anche a bilanciare il punto di alimentazione, cosa estremamente importante in una Yagi se si vuole mantenere il guadagno e il rapporto F/B come modello.

QRO - nessun problema!

In passato, l'antenna cubica è stata sviluppata per consentire una potenza di trasmissione molto elevata. Soprattutto in condizioni particolari, ad esempio ad alta quota, l'elevata potenza di trasmissione delle antenne Yagi tradizionali può portare a scariche coronali sulle punte degli elementi. In casi estremi, questo potrebbe portare alla fusione delle punte e causare problemi al trasmettitore. Sebbene il loop dell'LFA sia orientato in modo diverso rispetto a quello di un tipico quad, è anch'esso un loop a onda intera. Il loop chiuso elimina il problema della scarica di scintille, consentendo di gestire livelli di potenza molto più elevati. Alcune varianti commerciali di LFA Yagi possono raggiungere livelli di potenza a due cifre di kilowatt a certe frequenze.

Migliore direttività e soppressione dei lobi laterali indesiderati

Una caratteristica fondamentale è rappresentata dalle sezioni finali piatte del loop LFA, che sono parallele tra loro su entrambi i lati del braccio. La combinazione tra la forma rettangolare finale del loop LFA e il numero e la vicinanza degli elementi parassiti può far sì che la corrente in questi lati sia sfasata di 180 gradi. L'annullamento dovuto allo sfasamento porta quindi a nulli pronunciati sui lati e verso la parte anteriore. Di conseguenza, i potenziali sidelobes indesiderati in avanti si riducono notevolmente, garantendo un lobo in avanti più pronunciato e singolo. Inoltre, questo effetto può migliorare significativamente le caratteristiche F/B.

Flessibilità tridimensionale per il massimo miglioramento delle prestazioni

Nel campo dei software di ottimizzazione al computer per la progettazione di Yagi, i parametri standard, come la posizione dell'elemento sul boom e la lunghezza dell'elemento, vengono solitamente manipolati per ottenere una Yagi ottimizzata. Questo software fornisce strumenti precisi di simulazione del modello e delle prestazioni che consentono un'anteprima realistica di ogni iterazione del progetto. Regola continuamente gli elementi sia collettivamente che individualmente, modificandone la posizione e la lunghezza. Dopo ogni regolazione, valuta i risultati, conserva i miglioramenti e li perfeziona continuamente. A differenza degli elementi alimentati tradizionali, la forma e l'allineamento del loop LFA offrono un elevato grado di flessibilità per l'ottimizzazione. Oltre alle regolazioni standard che prevedono lo spostamento dell'intera forma lungo il braccio o la modifica della larghezza, è possibile modificare anche la profondità del loop lungo il braccio, aprendo una terza dimensione di possibilità di ottimizzazione. A titolo di esempio, consideriamo i limiti dell'installazione di un dipolo diviso standard tra il riflettore e il primo direttore. Avvicinando il dipolo al riflettore, lo si allontana contemporaneamente dalla direttrice, con vantaggi e svantaggi. Al contrario, il design della spira LFA consente regolazioni simultanee e indipendenti su entrambi i lati della spira. Può essere configurata in modo da avvicinarsi contemporaneamente al riflettore e alla direttrice. In alternativa, la distanza tra il riflettore e la spira può rimanere costante, mentre si regola solo la distanza tra il loop e il direttore. Inoltre, la spira può essere regolata per allontanarsi contemporaneamente dal riflettore e dal direttore. Questa adattabilità consente di migliorare le prestazioni in termini di cancellazione del rumore, larghezza di banda e guadagno.

Come il software moderno influenza la progettazione delle yagi LFA

La progettazione delle Yagi di oggi è stata influenzata in modo significativo dall'introduzione e dallo sviluppo di software di modellazione al computer. Le prime versioni del software, in particolare quelle basate su NEC-2, NEC-4.2 e MiniNEC, erano limitate nella loro capacità di modellare con precisione forme complesse di elementi alimentati come loop LFA, loop quad e delta e soprattutto elementi di accoppiamento. Questo ha fatto sì che spesso componenti importanti, come i balun, venissero omessi dai modelli software per alcuni tipi di Yagi. Di conseguenza, le prestazioni previste per queste Yagi nei modelli software erano troppo ottimistiche, poiché l'aggiunta di elementi di trasformazione provocava perdite nella pratica. L'elenco completo di Lionel, VE7BQH, fornisce un'analisi comparativa delle Yagi nella gamma da 50 MHz a 430 MHz. Sebbene sia popolato prevalentemente da antenne sviluppate in versioni software precedenti, sono rappresentati anche gli Yagi LFA di generazioni precedenti. Tuttavia, questo elenco non include le versioni più recenti e migliorate degli LFA Yagis a basso rumore. Queste versioni moderne sono prodotte con soluzioni software sofisticate che non sono incluse nell'elenco Lionel. Questi LFA Yagi di ultima generazione utilizzano un software avanzato che tiene conto con precisione di varie influenze del mondo reale, come bracci, isolatori e persino gli effetti dei cavi coassiali e dei balun. La forma ad anello della Yagi LFA elimina la necessità di collegamenti di adattamento. Nei progetti più vecchi, soprattutto quelli modellati con versioni precedenti del software, tali dispositivi venivano spesso installati dopo la modellazione, causando discrepanze tra le previsioni del modello e le prestazioni effettive. Il design della LFA Yagi determina un'impedenza diretta di 50 ohm senza la necessità di trasformatori esterni. Pertanto, la LFA Yagi può fare riferimento ai dati sulle prestazioni reali, poiché le previsioni del modello software riflettono accuratamente le capacità dell'antenna costruita.

Prestazioni ottimali in configurazioni a polarizzazione incrociata (X-pol) e standard

Le ultime versioni delle antenne LFA Yagi a basso rumore sono state accuratamente progettate per una perfetta integrazione nelle configurazioni X-pole o Yagi incrociate. Le Yagi convenzionali a X spesso hanno problemi di distorsione del pattern direzionale e di riduzione dei valori G/T quando si passa dai modelli software alle antenne reali. Questo problema è dovuto principalmente alla struttura meccanica del dipolo o degli elementi di accoppiamento, che si estende oltre il tipico piano bidimensionale. Questa distorsione è esacerbata nei progetti con elementi montati “sopra il boom”, dove ogni piano di elementi penetra nel campo EH (campo elettromagnetico) degli altri. La situazione peggiora ulteriormente quando all'alimentazione si aggiunge un involucro. Negli scenari in cui i connettori sono aperti su un lato, questo può portare a perdite di RF e ulteriori perdite. Eliminando questo involucro, una linea coassiale diretta collega il punto di alimentazione a un preamplificatore a basso rumore sul mast (LNA), tipicamente utilizzato nei sistemi ad alta potenza. Questo approccio elimina le trasformazioni di impedenza non necessarie e garantisce un collegamento diretto a basse perdite. La Yagi LFA mantiene l'allineamento e la centratura degli elementi orizzontali e verticali su due piani e, oltre all'allineamento al punto di alimentazione, garantisce il mantenimento delle prestazioni dell'antenna in Xpol in termini di guadagno, pattern e G/T. Al contrario, il progetto della Yagi LFA a basso rumore mantiene tutti gli elementi, il punto di alimentazione e il loop rigorosamente su due piani. Questa aderenza a un progetto semplificato non solo garantisce prestazioni costanti, ma significa anche che la figura di rumore e i risultati G/T dell'antenna riflettono i modelli teorici e le misure. Il risultato è un'antenna Yagi che eccelle sia nelle configurazioni X-pole che in quelle tradizionali.

Dalla teoria alla pratica

In un mondo perfetto di progettazione di Yagi, la Yagi ideale sarebbe il più vicino possibile al suo modello software, essendo sospesa nello spazio libero e ricevendo il suo elemento radiante RF senza cavo coassiale. Tuttavia, la realtà della progettazione richiede un approccio più pragmatico. La sfida consiste nel colmare il divario tra l'ideale e il reale. Il fissaggio degli elementi non è negoziabile nella pratica. Un boom è essenziale per allineare e sostenere gli elementi. I metodi di costruzione minimalisti, in cui il contatto con gli elementi è il più breve e centrato possibile, sono fondamentali.

Migliori prestazioni senza un alloggiamento nel punto di alimentazione

Le complessità della progettazione di antenne Yagi VHF/UHF sono influenzate principalmente dalle decisioni di implementazione del mondo reale, con l'alloggiamento del punto di alimentazione che svolge un ruolo centrale ma negativo. Molti modelli software ignorano questo componente, dando luogo a previsioni che non soddisfano le aspettative. Non solo trattiene l'umidità, ma distorce anche il diagramma dell'antenna, influisce sulla figura di rumore e, in definitiva, degrada le prestazioni G/T. L'unico vantaggio riconoscibile della scatola è quello estetico. InnovAntennas predilige l'uso di materiali che non comportano problemi di radiofrequenza e un design con strutture di supporto minime. Evitiamo completamente le custodie nel punto di alimentazione, evitando così i problemi associati. Utilizziamo invece un collegamento diretto con connettori piccoli e resistenti. Questo garantisce robustezza e facilità di manutenzione. La Yagi LFA non ha rivali quando si tratta di prestazioni a basso rumore, con l'integrità del design e la longevità in primo piano. Abbiamo eliminato il tradizionale alloggiamento del punto di alimentazione, che spesso accumula umidità e compromette le prestazioni. Questa scelta ingegneristica consapevole garantisce un collegamento privo di umidità, a bassa perdita e a basso rumore.

Provate la perfezione del basso rumore

Per gli appassionati che cercano prestazioni a basso rumore, la yagi LFA di InnovAntennas è la soluzione perfetta. Gli alloggiamenti convenzionali nel punto di alimentazione oscurano una porzione significativa del centro del dipolo, causando un rumore indesiderato e degradando sia la figura di rumore che le prestazioni G/T. La Yagi LFA elimina questo approccio standard e offre un'esperienza senza ostacoli e a basso rumore che garantisce che le prestazioni reali dell'antenna corrispondano esattamente ai modelli teorici ottimizzati.

L'ottimizzazione tridimensionale della Yagi LFA va oltre la sfera fisica e si estende al processo di progettazione. A differenza delle Yagi che si basano su un'ottimizzazione bidimensionale, la LFA Yagi utilizza la potenza di un sofisticato software per ottimizzare le prestazioni dell'antenna in uno spazio tridimensionale. Questo approccio garantisce che ogni aspetto dell'antenna, dall'elemento radiante agli elementi parassiti, sia perfettamente allineato e ottimizzato per ottenere le massime prestazioni. L'alimentazione a 50 Ω della LFA Yagi elimina la necessità di elementi di adattamento, un vantaggio significativo che semplifica l'installazione dell'antenna e riduce al minimo le perdite. Questa caratteristica è il risultato diretto dell'elemento radiante a dipolo chiuso, che riporta naturalmente l'impedenza a 50 Ω. La connessione DC-terra della LFA Yagi migliora ulteriormente le prestazioni e la sicurezza dell'antenna. La LFA Yagi è dotata di un collegamento diretto CC-terra che assicura che il piano di massa dell'antenna non venga toccato, riducendo al minimo il rumore e massimizzando le prestazioni. I lobi di elevazione bilanciati dell'LFA Yagi e il filtro passa-banda (BPF) assicurano una ricezione ottimale del segnale in diversi ambienti. I lobi di elevazione simmetrici, risultato diretto del processo di ottimizzazione tridimensionale, assicurano che il pattern dell'antenna rimanga coerente indipendentemente dalla polarizzazione e fornisca prestazioni costanti su tutti gli assi. La funzione BPF, risultato della messa a terra in corrente continua dell'antenna, migliora ulteriormente la ricezione del segnale riducendo al minimo le interferenze dei segnali fuori banda. Oltre che per le sue prestazioni, la LFA Yagi si distingue anche per la sua versatilità. Può essere integrato senza problemi in un'ampia gamma di applicazioni, dalle configurazioni Yagi tradizionali agli array di poli X, rappresentando la scelta ideale per tutti i radioamatori. La Yagi LFA a basso rumore è l'epitome di un progetto Yagi ad alte prestazioni, ridefinendo lo standard delle prestazioni Yagi per gli anni a venire. Per chi cerca prestazioni e affidabilità, la Yagi LFA a basso rumore è la scelta migliore.