In questo articolo presentiamo un semplice progetto per la realizzazione pratica di un'antenna direttiva Yagi. Le caratteristiche di questa antenna (costituita da 16 elementi) sono quelle di presentare un guadagno di circa 15.4 dBi ed una buona larghezza di banda, legando elevate prestazione ad una relativamente semplice costruzione meccanica.
Il nome deriva da quello del suo inventore, uno scienziato Giapponese (Hidetsugu Yagi) vissuto nella prima metà del '900. Il nome dell'altro inventore è Uda, questa antenna viene infatti identificata in gergo tecnico come Yagi - Uda. Per dare subito un'idea della tipologia di antenna che andremo a costruire possiamo pensare alle antenne televisive che abbiamo sui nostri tetti.
La struttura dell’antenna Yagi è di tipo array end-fire, con direttività e guadagno che aumentano all’aumentare del numero di elementi. E'costituita da elementi metallici montati su un asta longitudinale di collegamento/sostegno. Non è importante il materiale di cui è fatta questo sostegno, infatti non viene percorso da nessuna corrente, l'importante è che abbia delle buone proprietà strutturali. Se il corpo centrale (asta di sostegno) è costituito da un conduttore, può essere collegata elettricamente agli elementi passivi ed al riflettore (ma non all'elemento attivo) senza compromettere in alcun modo il funzionamento dell'antenna.
Vi sono tre tipi di elementi costituenti questa antenna e sono: l'elemento attivo (feeder) , il riflettore e gli elementi passivi. Soltanto l'elemento attivo è collegato direttamente alla sorgente; negli altri elementi scorrono invece delle correnti indotte dal campo elettromagnetico locale. Il feeder eccita in cascata tutti gli altri elementi aumentando notevolmente la direttività (dal punto di vista teorico sfruttano il concetto di “Array di antenne”), mentre lo schermo evita che il campo venga “sprecato” nella direzione opposta che non ci interessa. L'elemento attivo è spesso un dipolo ripiegato, che avrebbe un'impedenza di circa 300 Ohm; tuttavia la presenza degli altri elementi comporta una riduzione dell'impedenza, una Yagi-Uda ha infatti un'impedenza tipica nell'ordine dei 20-90 Ohm.
Il guadagno è legato principalmente al numero di elementi passivi che costituiscono l'antenna, all'aumentare di questi si incrementa il guadagno e la direttività (il lobo principale diventa più stretto). La polarizzazione è di tipo lineare, orizzontale o verticale a seconda di come viene montata.
Come preannunciato sopra, esaminiamo ora il progetto di un antenna Yagi - Uda a 16 elementi adatta all'utilizzo nella banda Wi Fi e con un guadagno di 15.4 dBi. Riportiamo inoltre le fasi costruttive e i risultati teorici e pratici ottenuti utilizzando questa antenna:
| ll materiale necessario per la costruzione è il seguente:
-60cm di tubo in materiale plastico, diametro esterno 16mm (Tubo per impianti elettrici RK diametro nominale 16mm);
-25cm di tubo in materiale plastico, diametro esterno 20mm (Tubo per impianti elettrici RK diametro nominale 20mm);
- tubetto in ottone, lunghezza circa 1 metro e diametro 2 mm;
- lamierino rettangolare (ad esempio in alluminio) dimensioni 58.44 x 58.44 mm.
- Mastice, colla a caldo, nastro in teflon (nastro PTFE da idraulico), saldatore a stagno e attrezzi vari.
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Nella figura sottostante è riportato il progetto della Yagi per la banda WiFi, le misure sono in millimetri (cliccate sull'immagine per ingrandirla):
Il primo elemento (lungo 58.44 mm) è un riflettore quadrato in materiale conduttore (visibile nella foto sopra), il secondo elemento (lungo 53.94 mm) è invece il feeder sul quale andrà saldato il cavo coassiale per alimentare l'antenna. I restanti sono elementi passivi che andranno semplicemente incollati sul tubo di sostegno.
Procurato il materiale, il primo passo da fare è sicuramente quello di prepararsi tutti gli elementi passivi tagliando quindi il tubetto in ottone in 14 elementi rispettando le dimensioni previste dal progetto. E' necessario poi effettuare un foro centrale (diametro 20mm) nel lamierino riflettore che servirà per infilarci il tubo di sostegno.
| La seconda fase consiste nel preparare il tubo di sostegno.
Iniziamo col tagliarlo di una lunghezza adeguata, sufficiente per potergli fissare tutti gli elementi e lasciando qualche centimetro (da 5 a 10cm, a seconda del supporto che si intende utilizzare) aggiuntivo posteriormente per il fissaggio dell'antenna stessa.
La parte piu' delicata consiste nel tracciare 2 linee parallele sul tubo lungo le quali andranno successivamente eseguiti i fori. Partendo da una estremità del tubo, dobbiamo segnarci tutti i punti in cui andranno posizionati gli elementi, prima su di un lato poi sull'altro e praticare in corrispondenza di questi un forellino (del diametro del tubetto di alluminio.. 2 mm). Questa fase di tracciatura va eseguita con molta pazienza in quanto la difficolta' di tracciare linee e segnare distanze sulla superfice di un tubo puo' portare facilmente a commettere imprecisioni che andranno a compromettere seriamente il risultato finale.
In corrispondenza del punto in cui verrà posizionato il feeder dobbiamo invece praticare una piccola incisione parallela ai fori effettuati precedentemente per il fissaggio degli elementi. Nei prossimi passaggi sarà chiaro il motivo di questa operazione.
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Con lo spezzone di tubo da 20 mm dobbiamo realizzare una "specie di molletta" praticando un incisione longitudinale su entrambi i lati lasciando intatta la prima parte del tubo, lunga poco piu' della parte di tubo scelta precedentemente per il montaggio del supporto. Questo strano oggetto ci servirà per coprire/ proteggere il punto di saldatura del feeder e irrobustire la zona di sostegno dell'antenna. Qui sotto un'immagine di quello che dovreste ottenere:
Dobbiamo poi inserire e fissare sul tubo di sostegno i 14 elementi precedentemente preparati, avendo cura di mantenere l'ordine corretto, rispettando le dimensioni di progetto e centrando il più possibile gli elementi rispetto all'asse del tubo. Questi possono essere fissati man mano utilizzando una goccia di colla a caldo, oppure se i fori sono sufficiente precisi da permettere un primo incastro, possono essere fissati tutti assieme al termine della costruzione con del mastice.
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Passiamo ora alla saldatura del cavo coassiale sull'elemento attivo. Dobbiamo quindi saldare la calza sun uno spezzone di tubo e il core sull'altro, avendo cura di verificare che la lunghezza totale di questo elemento sia pari a 58.4 mm (potete mantenere una misura approssimativa dei due spezzoni di tubetto d'ottone e limare/tagliare le parti in eccesso dopo aver effettuato la saldatura del cavo) . Il risultato dovrebbe essere quello riportato a fianco.
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A questo punto possiamo infilare il cavo nella fessura praticata sul tubo principale di sostegno, ricoprendo per sicurezza la zona della saldatura con del nastro in teflon. Posizionato il fedeer nel punto esatto possiamo procedere al fissaggio usando colla a caldo.
A questo punto non rimane che infilare e fissare la "molletta" nella parte iniziale dell'antenna, sigillando e consolidando il tutto con il mastice e infine fissare il lamierino riflettore (rispettando la distanza dal feeder) utilizzando colla a caldo, il risultato ottenuto dovrebbe essere il seguente:
Per concludere il lavoro potete procurarvi un sostegno da palo (reperibile in qualsiasi ferramenta) ed applicarlo dietro al riflettore nella porzione eccedente di tubo di sostegno.
Congratulazioni, L'antenna è pronta, non vi resta che testare la vostra creazione :).
Infine, ecco i risultati ottenuti dalla simulazione di questa antenna:
Dalle prove pratiche possiamo inoltre confermare che l'antenna lavora molto bene, utilizzando questa Yagi siamo riusciti a realizzare link stabili di molti chilometri (più di 10) senza grosse difficoltà, basta prestare attenzione in fase di puntamento.
