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[[Datei:Lang-Yagi-Uda-Antenne.JPG|mini|Lang-Yagi-Uda-Antenne für das [[2-Meter-Band|Zwei-Meter]]-Amateurfunkband]]
Eine '''Yagi-Uda-Antenne''', die häufige Bezeichnung ist '''Yagi-Antenne''', ist eine [[Richtantenne]] zum Empfang oder zum Senden elektromagnetischer Wellen im Bereich von etwa 10 MHz bis rund 2500 MHz. Sie besteht aus einem gespeisten [[Dipolantenne|Dipol]], einer Reihe von [[Parasitäres Element|Direktoren]] vor und meist einem [[Parasitäres Element|Reflektor]] hinter dem Dipol. Sie gehört zu den verbreitetsten Antennenformen für den terrestrischen Fernsehempfang.
[[Datei:Yagi 3 element.svg|mini|Struktur einer Yagi-Uda-Antenne, R: Reflektor, A: Strahler, D: Direktor (Strahlungsrichtung nach rechts)]]

== Geschichte ==
Die Yagi-Uda-Antenne wurde ab 1924 von den Japanern [[Hidetsugu Yagi]] und [[Shintaro Uda]] entwickelt. 1926 veröffentlichten sie die erste Beschreibung in einer japanischen Zeitschrift. Im Juni 1928 wurde in den USA ein englischer Artikel von Yagi veröffentlicht,<ref>{{Literatur |Autor=H. Yagi |Titel=Beam Transmission of Ultra Short Waves |Sammelwerk=Proceedings of the IRE |Band=16 |Nummer=6 |Datum=1928-06 |Seiten=715–740 |Online=[http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=1670051&isnumber=34987 ieee.org] |Abruf=2010-04-13}}</ref> sodass die Antenne im deutschen Sprachraum meist nur Hidetsugu Yagis Namen trug. Während das japanische Patent beide Erfinder aufführt<ref>{{Internetquelle |url=https://www.dxzone.com/the-true-story-of-yagi-antenna/ |titel=The true story of Yagi Antenna |werk=The DX Zone |datum=2014-11-25 |abruf=2020-05-09 |sprache=en}}</ref>, nennen die Grundpatente für andere Länder nur Yagi als Erfinder.<ref>{{lang|ja|特許第69115号}}, {{Patent|Land=DE| V-Nr=475293}}, {{Patent|Land=FR| V-Nr=619932}}, {{Patent|Land=GB| V-Nr=263753}}, {{Patent|Land=GB| V-Nr=263752}}, {{Patent|Land=US| V-Nr=1745342}}, {{Patent|Land=US| V-Nr=1860123}}</ref> Der Name ''Yagi-Uda-Antenne'' wird nur selten verwendet. 1930 wurde ein Gerät mit Yagi-Uda-Antenne, das auf einer Wellenlänge von 45 cm Verbindungen über 20 km ermöglichte, auf einer [[Liste der Weltausstellungen|Weltausstellung]] in Belgien gezeigt.<ref>{{Internetquelle |url=http://www.riec.tohoku.ac.jp/syoukai/antenna.shtml |titel={{lang|ja|八木・宇田アンテナ}} |hrsg=Research Institute of Electrical Communication, [[Universität Tōhoku]] |abruf=2020-05-09 |sprache=ja}}</ref> Im [[Zweiter Weltkrieg|Zweiten Weltkrieg]] wurden Yagi-Antennen, teilweise mit [[Parabolspiegel]]n, für [[Radar]] eingesetzt.<ref>{{Internetquelle |autor=Roger I. Wilkinson |url=http://analysis.williamdoneil.com/Hist/Jp_Radar--Wilkinson.pdf |titel=Short Survey of Japanese Radar—I |werk=Electrical Engineering, Bd. 65 (Aug.-Sept. 1946) |datum=1946 |seiten=374 |abruf=2020-05-09 |format=PDF; 1,2 MB |sprache=en}}</ref> Rasch wurde die Bauform in Europa und Nordamerika kommerziell verwertet und verbreitete sich auch im [[Amateurfunk]] wegen ihrer selbstbautauglichen Konstruktionsweise bei gutem Antennengewinn.<ref>{{Internetquelle |url=http://www.astrosurf.com/luxorion/qsl-ham-history8.htm |titel=Birth of Radioastronomy (VIII) |werk=The History of Amateur Radio |abruf=2020-05-09 |sprache=en}}</ref> Anfang der 1950er-Jahre wurde die Bauform für Randgebiete des Empfangsgebiets von Fernsehsendern beliebt.<ref>{{Internetquelle |autor=Harold Harris |url=http://rfcafe.com/references/radio-news/yagi-antenna-radio-television-news-october-1951.htm |titel=http://rfcafe.com/references/radio-news/yagi-antenna-radio-television-news-october-1951.htm |werk=Radio & Television News |hrsg=Ziff-Davis |datum=1951-10 |abruf=2020-05-09 |sprache=en}}</ref>

== Aufbau ==
[[Datei:Yagifaltdipolp.jpg|mini|[[Faltdipol]] und passive Elemente (siehe Text)]]

Charakteristisch für die Yagi-Uda-Antenne ist ein Dipol, der durch mindestens einen oder eine Reihe von Direktoren und ggf. Reflektoren eine Richtwirkung erhält.<ref>{{Literatur |Autor=W. Walkinshaw |Titel=Theoretical treatment of short Yagi aerials |Sammelwerk=Electrical Journal of the Institution of Engineers – Part IIIA: Radiolocation |Band=93 |Nummer=3 |Datum=1946 |Seiten=598–614}}</ref>

Der Dipol (1), im Bild rechts als [[Faltdipol]] ausgeführt, wird über das Antennenkabel (4) gespeist. Der Dipol hat eine Länge von knapp einer halben [[Wellenlänge]] (λ/2) der zu empfangenden [[Funkwellen]]. Sie ist wegen dessen Dicke etwas kleiner als λ/2 im Vakuum. Die Direktoren (3) sind etwas kürzer, die Reflektoren (2) etwas länger als der Dipol. Dipol, Reflektor und Direktoren sind nicht elektrisch verbunden, sondern nur über das elektromagnetische Feld gekoppelt (d. h. ''strahlungs-gekoppelt'', s. [[Parasitäres Element]]). Sie können jedoch in der Mitte der Elemente auf einem gemeinsamen leitenden Trägerstab montiert werden, weil dort Spannungsknoten liegen. Der Abstand zwischen Reflektor(en) und Dipol beträgt ca. 0,15…25 λ, vom Dipol zum ersten Direktor ist der Abstand oft geringer. Etwa der erste Direktor und der Dipol bilden zusammen das sogenannte Strahlungszentrum, daher ist der Reflektorabstand des Dipoles geringer als λ/4. Durch Variation von Elementlängen und -abstand kann der Gewinn auf Kosten der [[Bandbreite]] verbessert werden oder umgekehrt. Die Bandbreite kann auch durch dickere Elemente zulasten des Gewinns gesteigert werden.

== Eigenschaften ==
[[Datei:Yagigainw.svg|mini|Zusammenhang zwischen Antennenlänge und Antennengewinn]]

Die Gesamtlänge der Antenne bestimmt die Verstärkung und Richtwirkung. Die geeignete Wahl der Parameter ''Länge'', ''Abstand'', ''Durchmesser'' und ''Anzahl'' der Direktoren optimiert die Antenneneigenschaften. Eine dreielementige Yagi-Uda-Antenne der Länge 0,3 λ liefert einen [[Antennengewinn]] von 4–8 [[Bezugsantenne|dBd]]. Bei einer Länge von 4 λ (15–30 Direktoren) verstärkt sie mit ca. 15 dBi und erreicht einen [[Antennendiagramm#Halbwertsbreite|Öffnungswinkel]] kleiner 40°. Bei Einzelantennen für den UHF-Bereich werden etwa 18 dBi erreicht und die praktische Obergrenze für den Antennengewinn liegt bei 20 dBi.

Durch das phasenrichtige Zusammenschalten mehrerer Einzelantennen zu einer [[Gruppenantenne]] (zum Beispiel vier Stück) können der Antennengewinn und die Richtwirkung noch weiter erhöht werden. Die Antennen müssen hierzu einen ausreichenden Abstand zueinander haben. Entscheidend hierbei ist die [[Antennenwirkfläche]], die mit steigender Antennenlänge (Gewinn) steigt und für jede Einzelantenne wenig beeinträchtigt sein sollte.

Der [[Strahlungswiderstand]], der für die richtige Anpassung bedeutsam ist, hängt insbesondere vom Abstand des Dipols zum ersten Direktor und zum Reflektor ab. Im Amateurfunkbereich wird eine Impedanz von 50 Ω oder 28 Ω (Anpassung an das 50-Ohm-Kabel über [[Impedanztransformator]], zum Beispiel eine λ/4-Leitung 37 Ω) angestrebt, bei Rundfunkantennen sind es 240…300 Ω (Faltdipol) bzw. 75 Ω (aufgetrennter Dipol bzw. [[Koaxialkabel]] nach [[Balun]]).

== Arbeitsweise ==
[[Datei:Director of Yagi.png|mini| Animation der Wirkungsweise einer Yagi-Uda-Antenne aus einem Erreger-Element und einem Direktor-Element: Die Schwingungen des Erregers (in Rot) überlagern sich mit den Schwingungen des Direktor-Elements als parasitären Strahler (in Blau) zu einer gemeinsamen Wanderwelle (in Grün), die in der Hauptstrahlrichtung (hier nach rechts) verstärkt, in der Gegenrichtung (hier nach links) abgeschwächt wird.]]

[[Datei:Yagi antenna animation 16 frame 1.6s.gif | mini | rechts | Animation der Wirkungsweise einer Yagi-Uda-Antenne aus einem Erreger-Element (E), zwei Direktor-Elementen (D1, D2) und einem Reflektor (R): In Hauptstrahlrichtung (hier nach oben) überlagern sich die, von den einzelnen Elementen abgestrahlten Wellen, konstruktiv, in Gegenrichtung (hier nach unten) überlagern sie sich destruktiv.]]
Der aktive Dipol erregt die [[Parasitäres Element|parasitären Elemente]], also den Reflektor und die Direktoren. Die parasitären Elemente wirken ebenfalls als Strahler, die allerdings phasenverschoben zum aktiven Dipol strahlen. Durch die vom Dipol abweichende ([[Resonanz#Elektrotechnik|resonante]]) Länge ergeben sich induktive bzw. kapazitive Verhaltensweisen, mit entsprechenden Phasenverschiebungen der Ströme in den Elementen. Die Phasenverschiebung wird so nicht nur durch die Laufzeit zu der Elementposition auf dem Längsträger (dem sogenannten ''Boom''), sondern auch durch die Länge des Elementes bestimmt. Die Schwingung des Erregers wird von Direktor zu Direktor weitergereicht. Die Verzögerung von Direktor zu Direktor stellt sich als [[Phasengeschwindigkeit]] dar, die abhängig von dem Verhältnis der geometrischen Antennenlänge zur Wellenlänge das etwa 0,7- bis 0,98-Fache der Lichtgeschwindigkeit erreicht.

Das [[Nahfeld und Fernfeld (Antennen)|Fernfeld]] der Yagi-Antenne entsteht letztlich aus der richtungsabhängigen und phasenabhängigen Überlagerung der Strahlungsanteile aller Elemente der Yagi-Uda-Antenne. In Richtung des Booms (vorwärts) überlagern sich die Feldanteile konstruktiv (ergänzend), rechts und links davon ist die Überlagerung dagegen mit steigendem Winkel schnell destruktiv (auslöschend), wodurch sich die gewünschte Vorzugsrichtung ergibt.

In der einschlägigen Fachliteratur finden sich verschiedene Angaben für ein „Optimaldesign“, die jeweils unterschiedliche Abstufungen der Elementlängen und Abstände vorschlagen. In Experimenten konnte hier nachgewiesen werden, dass geringe kontinuierliche Längen- und Abstandsvariationen zu höheren Gewinnen führen als bei einfacher Ergänzung „kurzer“ Antennen mit weiteren Elementen gleicher Länge und gleichem Abstand. Zurückgeführt wurde dies auf die Betrachtung der Yagi-Uda-Antenne als „Wellenleiterstruktur“, auf der sich (ausgehend vom gespeisten Dipolelement) eine [[Wanderwelle]] in Richtung Antennenspitze ausbreitet. Die Elementvariation soll hier laut Theorie einen verbesserten Übergang zum Freiraum herstellen.

== Simulations-Software ==
Für [[Funkamateur]]e und andere Privatleute gibt es freie Software-Tools, die mit Hilfe der [[Numerical Electromagnetics Code|Momenten-Methode]] arbeiten, wie zum Beispiel ''Multilingual Method of Moments Antenna Analyzer'', MMANA<ref>https://hamsoft.ca/pages/mmana-gal.php</ref>.
[[Datei:MMANA-Yagi-10m-Diagram.JPG | mini | rechts | Ergebnis einer Simulation mit der Momenten-Methode ]]

[[Datei:MMANA-Yagi-10m-3D.JPG | mini | rechts | 3D-Darstellung eines Simulationsergebnisses]]

== Einsatzgebiet ==

<gallery>
Yagi-Uda antenna for Wi-Fi on Router.jpg|Selbst gebaute Yagi-Uda-Antenne für die Verbesserung einer WLAN-Verbindung.<ref>{{Internetquelle |autor=[[Johannes Endres]] |url=https://www.heise.de/ct/artikel/Die-0-Euro-Antenne-223704.html |titel=Die 0-Euro-Antenne |titelerg=WLAN-Antenne aus Abfällen selbst bauen |hrsg=Heise Zeitschriften Verlag |datum=2008-09-26 |abruf=2020-07-09 }}</ref>
Lang-yagi-70cm.JPG|Lang-Yagi-Uda-Antenne für das 70-cm-Amateurfunk-Band.
Yagip.jpg|Zwei Yagi-Uda-Hausantennen für den Fernsehempfang (Mitte). Der Reflektor der oberen Yagi-Antenne ist als Gitter ausgeführt.
Kreuzdipolarp.jpg|Antennenarray aus sechs Yagi-Uda-Antennen mit [[Kreuzdipol]] (2 m/137 MHz) für Kommunikation mit Satelliten.
EME-Gruppenantenne.jpg|Yagi-Gruppenantenne, für Erde-Mond-Erde-Verbindungen
</gallery>

Yagi-Uda-Antennen können auch bei hohen Frequenzen bis ca. 2,5 GHz verwendet werden, so zum Beispiel für den Empfang von [[Meteosat]] bei 1,69 GHz. Dafür kommen Antennen mit bis zu 30 Elementen und Antennengewinnen von bis zu 16 dBd zum Einsatz. 2020 stellten Physiker der [[Universität Würzburg]] eine Yagi-Uda-Antenne mit 0,8 Mikrometer Länge zur Abstrahlung von [[Infrarot]]-Lichtwellen vor.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.uni-wuerzburg.de/aktuelles/pressemitteilungen/single/news/nano-antennen-fuer-den-datentransfer/ |titel=Nano-Antennen für den Datentransfer |titelerg=Pressemitteilung |hrsg=Universität Würzburg |datum=2020-01-08 |abruf=2020-05-09 }}</ref> Oberhalb von etwa 2 GHz können die gewünschten Abstrahleigenschaften jedoch mit anderen Antennentypen, beispielsweise [[Hornstrahler]]n, besser erreicht werden.

[[Funkamateur]]e verwenden oft drehbare Yagi-Uda-Antennen aus drei oder mehr Elementen in den Wellenbereichen von 0,1 m bis 40 m (3 GHz bis 7,5 MHz). Yagi-Uda-Antennen für größere Wellenlängen sind selten, weil die Elemente dann sehr groß und schwer werden.<ref>{{Internetquelle |url=http://www.radioarcala.com/?page_id=106#M7 |titel=Tower 7 (M7) Radio Arcala Mammoth 160/80M Beam in a Nutshell |hrsg=Radio Arcala |abruf=2014-12-28 |sprache=en }}</ref> Zudem erfordern solche Antennen wegen des Bodeneffektes eine Aufbauhöhe von wenigstens einer halben Wellenlänge. Des Weiteren werden alternative Bauformen wie der [[Hexbeam]] verwendet.

Im Amateurfunk gibt es als spezielle Variante des Prinzips auch die [[Maria-Maluca-Dreibandantenne|Maria-Maluca-Antenne]]: Sie hat nur zwei Elemente, neben dem aktiven also ein parasitäres, und dieses wirkt je nach Frequenz entweder als Direktor oder als Reflektor.

Teilweise werden Yagi-Antennen auch im [[Kurzwellenrundfunk]] eingesetzt.

== Siehe auch ==
* [[Liste von Amateurfunkantennen]]
* [[Short-Backfire-Antenne]]

== Literatur ==
* Eberhard Spindler: ''Das große Antennen-Buch.'' 11. Auflage. Franzis-Verlag, München 1987, ISBN 3-7723-8761-6
* {{Literatur |Autor=[[Karl Rothammel]] |Titel=Rothammels Antennenbuch |TitelErg=12. aktualisierte Auflage, Alois Krischke |Auflage=12 |Verlag=DARC Verlag |Ort=Baunatal |Datum=2001 |ISBN=3-88692-033-X |Kapitel=2. Mehrelement-HF-Richtantennen (Beams) |Seiten=352ff |Online=[http://www.antennenbuch.de/ Online]}}

== Weblinks ==
{{Commonscat|Yagi-Uda antennas|Yagi-Uda-Antennen}}
* [https://www.radartutorial.eu/06.antennas/Yagiantennen.de.html Erklärung der Funktion von Elementen einer Yagiantenne] radartutorial.eu
* [https://www.sarganserland-walensee.ch/radio_tv_historisch/fernsehantennen/fernsehantennen_tvdx.htm Fotos von Yagi-Antennen beim analogen Fernsehen]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Lineare Antenne]]
[[Kategorie:Funkpeilung]]

Yagi-Uda-Antenne - Versionsgeschichte

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