home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Antennas / Antennas_CD-ROM_Walnut_Creek_September_1996.iso / articles / higyagi / hgants.txt < prev    next >
Text File  |  1996-06-30  |  6KB  |  129 lines

  1.    A NEW CLASS OF DIRECTIVE ANTENNAS
  2.        R. P. Haviland, W4MB
  3.  
  4.    Improve Yagi performance
  5.    with curved 1.5 wavelength elements
  6.  
  7.     In the May. 1983 issue of Transactions on Anten-
  8. nas and Propagation, Chang and Cheng introduced
  9. a new class of antennas that appear to offer much
  10. promise for VHF use. Based on concepts developed
  11. earlier by F. M. Landstorfer,2 these antennas feature
  12. curved elements, each longer than a wavelength and
  13. shaped to compensate for the reversals in phase that
  14. occur each half wavelength along an element.
  15.  
  16.      With the 1.5 wavelength elements in the classic
  17. reflector-driven-director configuration used in the
  18. original experiments Landstorfer claimed gains of 11.5
  19. dBi. The same gain in a conventional Yagi using
  20. straight half-wave elements would require about nine
  21. elements and a much longer boom. While the new
  22. design requires greater width, the combination of gain,
  23. short boom length, and mounting simplicity form the
  24. attractive features of the design.
  25.  
  26.  Principle of Operation
  27.  
  28.      The general concept and plan of these antennas is
  29. shown in fig. 1. The center part of the elements
  30. resembles a V radiator. The phase center of the V
  31. radiation lies along the center axis, and some distance
  32. from the apex of the V. A wave radiated from this sec-
  33. tion will arrive at the other element parts after a time
  34. a delay that corresponds to a phase rotation. As a result,
  35. even though the outer sections are out of phase with
  36. respect to the center section, the delayed wave will
  37. be at least partly in phase with the waves radiated by
  38. the outer sections. This addition of wave components
  39. accounts for the increase in gain over a conventional
  40. straight-element Yagi.
  41.  
  42.      The design problem presented by these antennas
  43. is to determine the shaping of the elements for max-
  44. imum gain. This subject was addressed by Chang and
  45. Cheng in their article.' They approximate the current
  46. distributions on the array elements by the method of
  47. moments, dividing each element into 22 sections and
  48. analytically determining the shaping for maximum
  49. gain. The computations are extensive, involving a 63
  50. by 63 complex matrix manipulation (a solution requires
  51. approximately 40 minutes of DEC-10 computer time).
  52. The problem is far beyond the capability of home
  53. computers.
  54.  
  55.      Fortunately, Chang and Cheng have summarized
  56. their results in such a form that makes it possible to
  57. duplicate their optimized design for a three-element
  58. Yagi array. For convenience, the results have been ar-
  59. ranged as a computer program, fig. 2, written in
  60. Simon's BASIC for the Commodore 64. The program
  61. is written for easy translation to other versions of
  62. BASIC; only the graphic generation section may re-
  63. quire a complete rewrite.
  64.  
  65.      The program first determines whether hard copy is
  66. needed, then requests its only input, the design fre-
  67. quency. Element length and diameter are then out-
  68. putted, followed by a table of X, Y values that define
  69. the center-line position of each element. The feed-
  70. point, or center of the radiator is taken as the coordi-
  71. nate origin. Figure 3A shows the screen presentation
  72. (the ending O's indicate that the end of the element
  73. has been passed). Pressing the space bar produces
  74. a plot of the lines defining the element centers, as
  75. shown in fig 3B. Pressing the space bar again either
  76. initiates a hard copy or terminates the program.
  77.  
  78.      The general resemblance of this type of antenna to
  79. a conventional Yagi is apparent in the figures. The ele-
  80. ment shaping causes a taper towards the forward
  81. direction, even though the elements are the same
  82. length. And the deep V of the director gives an effec-
  83. tive wide spacing for the director.
  84.  
  85.      The performance of this optimized design is very
  86. good. According to Chang and Cheng,l gain calcu-
  87. lates to be 11.8 dBi. Beamwidth is 32 degrees in the
  88. element plane, and 62 degrees at right angles to it.
  89. Front-to-back ratio is just less than 15 dB in both
  90. planes. Feed impedance of the 3/2 wavelength
  91. radiator is calculated to be 14 + j33 ohms.
  92.  
  93.      It should be noted that the design values are opti-
  94. mum only for the element diameter given. This was
  95. arbitrarily set at 0.01 wavelength by Chang and Cheng.
  96. Performance should not be greatly affected by a rea-
  97. sonable change in element diameter.
  98.  
  99.      Because of the complexity of the required calcula-
  100. tions, and the many hours of mainframe computer
  101. time necessary to perform them, it is unlikely that there
  102. will be much further analysis of the type. Further work
  103. will have to be experimental. None has been attemp-
  104. ted by the author, but it would seem that additional
  105. gain could be secured by placing additional directors
  106. of similar shapes in front of the present single direc-
  107. tor, using appropriate spacings. It would also seem
  108. that any of the common matching methods would be
  109. usable. Stacking spacing rules of high-gain Yagi type
  110. would appear necessary.
  111.  
  112. Conclusion
  113.      Those who do not have a computer available, or
  114. who wish to avoid the tedium of typing in the program,
  115. can use these results by simple frequency scaling. All
  116. table dimensions should be multiplied by the ratio,
  117. 147/new frequency, since the table was calculated for
  118. 147 MHz. Element diameter and length vary in the
  119. same way.
  120.  
  121.             References
  122.  
  123. 1. Chang-Hong Liang and David K. Cheng. "Directivity Optimization for Yagi-
  124. Uda Arrays of Shaped Dipoles." IEEE Transactions on Antennas and
  125. Propagation AP-31, Volume 31. No. 3. May, 1983, pages 522-525.
  126. 2. F. M. Landstorfer. "A New Type of Directional Antenna." Antennas and
  127. Propagation Society International Symposium Digest. IEEE. 1976. pages
  128. 169-172.
  129.