ההיסטוריה של אנטנת יאגי ואודה

מאת: פרופ’ עלי לוין, מכללת אפקה,תל אביב

בשנות העשרים של המאה העשרים המציאו פרופ’ Yagi ודר’ Uda מיפן אנטנה לגלים קצרים, עשויה ממוטות מתכת, שזכתה לתהילת עולם בזכות פשטותה וגאוניותה. האנטנה התאימה ליישומים רבים, תחילה כאנטנת מכ”ם, ולאחר מכן במערכות תקשורת קרקעיות ובעיקר כאנטנות לטלוויזיה בתחומי VHF/UHF.

1. הקדמה
בשנת 1926 רשמו פרופ’  Hidetsugu Yagi ודר’ Shintaro Uda מאוניברסיטת Tohoku ביפן פטנט חדשני על אנטנה כיוונית העשויה ממוטות מתכת, המסוגלת להעביר שידורי רדיו באורכי גל של סנטימטרים, למרחק של קילומטרים אחדים. בשנת 1928 פירסם Yagi מאמר באנגלית ובו הסביר את עקרון הפעולה של האנטנה ובשנת 1930 נרשם עליה פטנט בארצות הברית.
למרות שפרופ’ Yagi הקפיד להזכיר את תרומתו המכרעת של עוזרו, ד”ר Shintaro Uda, לפיתוח האנטנה, הרי במשך שנים רבות, ובמיוחד במהלך מלחמת העולם השנייה (שבה השתמשו באנטנה במערכות מכ”ם רבות), האנטנה נקראה “אנטנת יאגי” ושמו של אודה כמעט ונשכח. רק בחלוף השנים, עם פרסומם של מסמכים יפניים מאוניברסיטת Tohoku וביוזמת ארגון IEEE הוכר חלקו העיקרי של אודה והאנטנה נקראת עתה אנטנת “יאגי אודה” על שם שניהם.

2.  רקע היסטורי
Hidetsugu Yagi  נולד בשנת 1886 בעיר אוסקה ביפן וסיים את לימודי ההנדסה באוניברסיטת טוקיו בשנת 1906. מיד לאחר סיום לימודיו נסע להשתלם בגרמניה אצל המדען Heinrich Barkhausen, הידוע כממציאו של מתנד Barkhausen (מגבר עם משוב חיובי ההופך למתנד בהתקיים שני תנאי ברקהאוזן לאמפליטודה ולפאזה). לרוע מזלו של יאגי, הוא נאלץ לעזוב את גרמניה בגלל מלחמת העולם הראשונה מבלי שעבודתו תוכר על ידי הציבור המקצועי . עד שנת 1916 הוא עבד באנגליה ואף ביקר בארצות הברית ושהה תקופה קצרה באוניברסיטת Harvard.  לאחר מלחמת העולם הראשונה החל ללמד באוניברסיטת Tohoku  ביפן וקיבל שם תואר דוקטור בשנת 1919.
דר’ יאגי עסק בעיקר במקורות קרינה מסוג מגנטרון בגלי סנטימטרים ושיתף פעולה עם מספר חוקרים וביניהם דר’ אודה Shintaro Uda שהיה צעיר ממנו ב-10 שנים בדיוק (יליד 1896). עיקר מאמציהם היו מכוונים לבניית ערוצי תקשורת אלחוטיים אל ספינות בטווחים של קילומטרים אחדים. בשנת 1926 עלה בידם לממש אנטנה כיוונית, אותה הם כינו ”Wave Projector”  שהיתה מורכבת ממוטות מתכת מקבילים. האנטנה תוארה לראשונה בכתב עת יפני בשנת 1926 [1] ובאותה שנה נרשמה כפטנט. מעניין לציין כי הפטנט היפני המקורי שמספרו 69115 [2] נרשם על שם שני הממציאים, ואילו הפטנט האמריקאי שמספרו 1745342 [3] נרשם רק על שם יאגי. האנטנה נודעה במרבית הפרסומים מאותן שנים כ”אנטנת יאגי” הואיל והמאמר החשוב ביותר על האנטנה פורסם בשנת 1928, בשמו של יאגי בלבד, בכתב העת הבינלאומי Proceedings of IRE .  בעמוד הראשון של המאמר יאגי מציין במפורש כי האחראי העיקרי להמצאת האנטנה הוא דר’ Uda שפרסם 9 מאמרים ביפנית המתארים את האנטנה לפרטים. נראה אפוא שהענקת הקרדיט לפרופ’ יאגי בלבד מקורה בעובדה שפרופ’ יאגי, הבכיר מבין השניים, היה דמות מוכרת בעולם המערבי ואילו דר’ אודה שכנראה לא ידע אנגלית, התעניין פחות בפרסום וביחסי ציבור מחוץ לגבולות יפן. ההסבר לחלוקת הקרדיט הלא שוויונית טמון אפוא בתרבות הסוציולוגית היפנית באותן שנים ולא מסיבות של תחרות אישית בין הממציאים. שניהם נפטרו בשיבה טובה בשנת 1976 וזכו להוקרה שווה בעולם.

פרופ’ יאגי והאנטנה

אוניברסיטת Tohoku ביפן

3. אנטנת יאגי אודה במלחמת העולם השנייה
קשריו הטובים של פרופ’ יאגי בעולם המדעי המערבי  הובילו אותו לביקור נוסף בארצות הברית בשנת 1928 וסללו את הדרך להכרה הנרחבת באנטנה שנקראה באותה עת על שמו. במהלך הרצאותיו בניו יורק, וושינגטון והרטפורד, השפיע באופן ניכר על מאזיניו, שראו באנטנה תגלית יחידה במינה. מנהל מחלקת הרדיו J.H. Dellinger במכון התקנים האמריקאי Bureau of Standards, כינה את ההרצאה כמעמיקה באופן יוצא מן הכלל ואף התבטא במילים
“I have never listened to a paper that I felt so sure was destined to be a classic”
עם רישום הפטנט בארצות הברית ובמהלך המחקרים הרבים שהחלו אז בנושא המכ”ם, הכירו חוקרים רבים בערך המעשי הרב של האנטנה ובמיוחד בהיותה בעלת שטח חתך פיזי קטן מאד (ביחס לרמת הכיווניות שאפשר להשיג ממנה) ולכן בהתאמתה המיוחדת לגופים מוטסים. פיתוחים רבים של אנטנה זו הותקנו במטוסי קרב ובמטוסי הפצצה בארצות הברית ובאירופה, מבלי שהממציאים היפניים ידעו על כך דבר.
אירוע ידוע שתואר במקורות היסטוריים אחדים [5] מספר כי במהלך כיבוש האי סינגפור על ידי כוחות יפניים במלחמת העולם השנייה, נפל בשבי מהנדס מכ”ם בריטי בכיר. חוקריו היפניים רשמו מפיו פרטים טכניים רבים על המערכות הבריטיות שנתפסו בסינגפור, ובין היתר הוא תיאר את אנטנות היאגי שהותקנו במטוסי קרב בריטיים שונים. החוקרים היפניים העבירו את רשימותיהם לטוקיו, מבלי שעמדו על הקשר אל האנטנה היפנית המקורית. באיחור רב, הבין הביון היפני כי אנטנת היאגי המקורית משתתפת במאמץ המלחמתי הכבד כנגד יפן.
קוריוז אירוני בהרבה, תואר על ידי
Gentai  Sato  שהיה מתלמידיו של יאגי ביפן. הוא גילה כי חיל האוויר האמריקאי השתמש באנטנות יאגי-אודה לצורך מדידת הגובה של הפצצות האטומיות שהוטלו על הירושימה ונגאסקי. כך אירע כי הגאוניות המדעית של יאגי ואודה הופנתה כלפי יפן עצמה באורח כה מצער.
לאחר מלחמת העולם השנייה, ביקר דר’ אודה בארצות הברית בשנת 1951 והביע שם את התפעלותו הרבה מן השימוש הנרחב שנמצא לאנטנות שלו בתחום הטלוויזיה הקרקעית האנלוגיות. לימים, עם המעבר לטלוויזיה הדיגיטלית DVB-T, התברר כי עדיין לא נס ליחה של האנטנה המיוחדת הזו והיא משמשת לקליטה איכותית באזורים מרוחקים.

תמונת אנטנת יאגי אודה כפי שהוכנה עבור הפטנט המקורי ביפן

דיאגרמה חשמלית של אנטנת יאגי אודה כפי שתוארה בפטנט המקורי ביפן

התקנת ארבע אנטנות יאגי על המפציץ Yunkers 88G

4.  תיאור האנטנה
אנטנת יאגי אודה מורכבת משלושה חלקים [6]:
אלמנט מזין (אקטיבי) שאליו מחברים את המשדר / המקלט, בדרך כלל זהו דיפול מקופל folded dipole באורך חצי אורך גל עם אימפדנס קרינה אופייני של  300
אלמנט מחזיר reflector שהוא מוט מתכתי באורך גדול במקצת מחצי אורך גל המוצב במקביל לאלמנט המזין ובמרחק כרבע אורך גל ממנו.
שורה של אלמנטים מכוונים directors שהם מוטות מתכת ללא חיבור חשמלי ביניהם (פסיביים) באורך כרבע אורך גל המוצבים במקביל לאלמנט המזין, מצידו השני של הרפלקטור.
יתרונותיה העיקריים של אנטנה זו הם: המוטות אינם מחוברים באופן חשמלי ולכן היא פשוטה וזולה למימוש, האנטנה קלה ובעלת התנגדות מינימלית למשבי רוח ולכן היא מתאימה במיוחד להתקנה בסביבה חיצונית ועל גופים נעים. השבח של האנטנה תלוי במספר האלמנטים המכוונים וערכו נע בתחום  8-16. קיטוב האנטנה הוא לינארי ותלוי בכיוון ההצבה של האלמנט המזין.

"יער" אנטנות יאגי-אודה לקליטת שידורי טלוויזיה אנלוגית

אנטנת יאגי-אודה טיפוסית לקליטת שידורי טלוויזיה בתחום UHF. האנטנה מכילה רפלקטור ישר (המוט הקרוב ביותר), זן מסוג Folded Dipole ו-7 דירקטורים, אשר כולם מותקנים במקביל על גבי קורת מתכת יחידה. השבח של אנטנה זו הוא dBi .

5.   מראי מקום
[1] S. Uda, Wireless Beam of Short Electric Waves. J. IEE (Japan), pp. 272-282, March 1926 and pp. 1209-1219, November 1927.
[2] H. Yagi and S. Uda, Directive Projecting System of Electric Waves. Japan Patent 69115 (1926).
[3] H. Yagi, Directive Projecting System of Electric Waves, US patent 1745342 (1930).
[4] H. Yagi, Beam Transmission of Ultra Short Waves, Proc. of IRE, vol 26, no. 6, pp. 715-741, June 1928. also Proc. IEEE, vol 72, no. 5, pp. 634-645, May 1984 and Proc. IEEE, vol 85. No. 11, pp. 1864-1874, November 1997.
[5]  D. Reiman, Scanning the past: A History of Electrical Engineering from the Past, Proc. of IEEE. Vol. 81, no. 6. June 1993.
[6] C.A. Balanis, Antenna Theory and Design, Wiley InterScience, chapter 10, 2005.
פרופ’  עלי  לוין הוא מרצה בכיר לתקשורת ולאנטנות  באפקה, המכללה האקדמית להנדסה בתל אביב.  בעלים ומנהל בחברת שדות וגלים בע”מ, העוסקת בהנדסת אנטנות ובשכבה הפיזית  של  מערכות אלחוטיות.   לתגובות:  levineel@zahav.net.il.