antena yagi
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Republica Bolivariana de Venezuela
Ministerio del Poder Popular para la Defensa
Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza Armada
Maracay – Aragua.
PROYECTO
ANTENA YAGI-UDO
Elaborado por:
Acevedo Juan
Dalal Haizen
Medina Elisaul
Santos Reyson
Maracay, marzo de 2011
INTRODUCCIÓN
Una antena es un dispositivo diseñado con el objetivo de emitir o
recibir ondas electromagnéticas hacia el espacio libre. Una antena
transmisora transforma voltajes en ondas electromagnéticas, y una receptora
realiza la función inversa.
Existe una gran diversidad de t ipos de antenas, dependiendo del uso
a que van a ser destinadas , entre ellas se encuentra l a antena más popular
entre los aficionados que quieren mejorar su estación, la cual es la antena
Yagi o con elementos. Esta antena fu e inventada en 1926 por el profesor
Hidetsugu Yagi de la Universidad de Tokio.
A partir de la antena dipolo de media onda es posible lograr antenas
que radien o reciban las ondas electromagnéticas en un haz estrecho, lo que
permite concentrar en un punto toda la energía, logrando de esta manera que
la intensidad de campo en un punto sea mucho mayor que la que se
obtendría con otra antena de la misma potencia. Esta antena es constituida
por varios elementos paralelos y coplanarios, directores, activos y
reflectores, utilizada ampliamente en la recepción de señales televisivas.
La antena Yagi es un arreglo de antena, que como todos los arreglos,
se han hecho con el objetivo de incrementar la directividad del sistema y
concentrar la potencia radiada en un área más pequeña.
¿QUÉ ES UNA ANTENA?
La definición formal de una antena es un dispositivo que sirve para
transmitir y recibir ondas de radio. Convierte la onda guiada por la línea de
transmisión (el cable o guía de onda) en ondas electromagnéticas que se
pueden transmitir por el espacio libre.
En realidad una antena es un trozo de material conductor al cual se le
aplica una señal y esta es radiada por el espacio libre.
Las antenas deben de dotar a la onda radiada con un aspecto de
dirección. Es decir, deben acentuar un solo aspecto de dirección y anular o
mermar los demás. Esto es necesario ya que solo nos interesa radiar hacia
una dirección determinada.
Esto se puede explicar con un ejemplo, hablando de las antenas que
llevan los satélites. Estas acentúan mucho la dirección hacia la t ierra y
anulan la de sentido contrario, puesto que lo que se quiere es comunicarse
con la tierra y no mandar señales hacia el espacio.
Las antenas también deben dotar a la onda radiada de una
polarización. La polarización de una onda es la figura geométrica descrita,
al transcurrir el tiempo, por el extremo del vector del campo eléctrico en un
punto fi jo del espacio en el plano perpendicular a la dirección de
propagación.
Para todas las ondas, esa figura es normalmente una elipse, pero hay
dos casos particulares de interés y son cuando la figura trazada es un
segmento, denominándose linealmente polarizada, y cuando la figura
trazada es un círculo, denominándose circularmente po larizada.
Una onda está polarizada circularmente o elípticamente a derechas si
un observador viese a esa onda alejarse, y además viese girar al campo en el
sentido de las agujas de un reloj. Lógicamente, si lo viese girar en sentido
contrario, sería una onda polarizada circularmente o elípticamente a
izquierdas.
Parámetros generales de una antena
Una antena va a formar parte de un sistema, por lo que tenemos que
definir parámetros que la describan y nos permita evaluar el efecto que va a
producir sobre nuestro sistema.
Impedancia
Una antena se tendrá que conectar a un transmisor y deberá radiar el
máximo de potencia posible con un mínimo de perdidas. Se deberá adaptar
la antena al transmisor para una máxima transferencia de potencia, que se
suele hacer a través de una línea de transmisión. Esta línea también influirá
en la adaptación, debiéndose considerar su imped ancia característ ica,
atenuación y longitud.
Como el transmisor producirá corrientes y campos, a la entrada de la
antena se puede definir la impedancia de entrada mediante la relación
tensión-corriente en ese punto. Esta impedancia poseerá una parte real
Re(w) y una parte imaginaria Ri(w), dependientes de la frecuencia.
Si a una frecuencia una antena no presenta parte imaginaria en su
impedancia Ri(w)=0, entonces diremos que esa antena está resonando a esa
frecuencia.
Normalmente usaremos una antena a su fr ecuencia de resonancia, que
es cuando mejor se comporta, luego a partir de ahora no hablaremos de la
parte imaginaria de la impedancia de la antena, si no que hablaremos de la
resistencia de entrada a la antena Re. Lógicamente esta resistencia también
dependerá de la frecuencia.
Esta resistencia de entrada se puede descomponer en dos resistencias ,
la resistencia de radiación (Rr) y la resi stencia de pérdidas (RL). Se define
la resistencia de radiación como una resistencia que disiparía en forma de
calor la misma potencia que radiaría la antena. La antena por estar
compuesta por conductores tendrá unas pérdidas en ellos. Estar pérdidas son
las que definen la resistencia de pérdidas en la antena.
Como nos interesa que una antena esté resonando para que la parte
imaginaria de la antena sea cero. Esto es necesari o para evitar tener que
aplicar corrientes excesivas, que lo único que hacen es producir grandes
pérdidas.
Eficiencia
Relacionado con la impedancia de la antena tenemos la eficiencia de
radiación y la eficiencia de reflexión. Estas dos eficiencias nos indicarán
una, cuanto de buena es una antena emitiendo señal, y otra, cuanto de bien
está adaptada una antena a una línea de transmisión.
La Eficiencia de Radiación se define como la relació n entre la
potencia radiada por la antena y la potencia que se entrega a la misma
antena. Como la potencia está relacionada con la resistencia de la antena,
podemos volver a definir la Eficiencia de Radiación como la relación entre
la Resistencia de radiación y la Resistencia de la antena:
La Eficiencia de Adaptación o Eficiencia de Reflexión es la relación
entre la potencia que le llega a la antena y la potencia que se le aplica a
ella. Esta eficiencia dependerá mucho de la impedancia que presente la
línea de transmisión y de la impedancia de entrada a la antena .
Algunas veces se define la Eficiencia Total , siendo esta el producto
entre la Eficiencia de Radiación y la Eficiencia de Reflexión.
Eficiencia Total = Eficiencia de Radiación x Eficiencia de Reflexión
Otra forma de calcular la eficiencia de una antena es utilizando la
figura siguiente, en la que se muestra un circuito equivalente eléctrico
simplificado para una antena.
Parte de la potencia de entrada se disipa en las resistencias efectivas
(resistencia de tierra, dieléctricos imperfectos, etc.) y la restante se irradia.
El total de la potencia de la antena es la suma de las potencias disipada y
radiada.
Patrón de Radiación
En algunas circunstancias es necesaria la representación gráfica de la
fase del campo eléctrico. Esta representación recibe el nombre de Diagrama
de Fase o Patrón de Radiación.
Un patrón de radiación es un diagrama polar o gráfica que representa
las intensidades de los campos o las densidades de potencia en varias
posiciones angulares en relación con una antena. Si el patrón de radiación
se traza en términos de la intensidad del campo eléc trico (E) o de la
densidad de potencia (P), se llama patrón de radiación absoluto. Si se traza
la intensidad del campo o la densidad de potencia en relación al valor en un
punto de referencia, se l lama patrón de radiación relativo.
Algunas veces no nos interesa el diagrama de radiación en tres
dimensiones, al no poder hacerse mediciones exactas sobre el. Lo que s e
suele hacer es un corte en el diagrama de radiación en tres dimensiones para
pasarlo a dos dimensiones. Este tipo de diagrama es el más habitual ya que
es más fácil de medir y de interpretar.
Campos Cercanos y Lejanos
El campo de radiación que se encuent ra cerca de una antena no es
igual que el campo de radiación que se encuentra a gran distancia. El
termino campo cercano se refiere al patrón de campo que esta cerca de la
antena, y el termino campo lejano se refiere al patrón de campo que está a
gran distancia. Durante la mitad del ciclo, la potencia se irradia desde una
antena, en donde parte de la potencia se guarda temporalmente en el campo
cercano. Durante la segunda mitad del ciclo, la potencia que esta en el
campo cercano regresa a la antena. Esta acción es similar a la forma en que
un inductor guarda y suelta energía. Por tanto, el campo cercano se llama a
veces campo de inducción. La potencia que alcanza el campo lejano
continua irradiando lejos y nunca regresa a la antena por lo tanto el campo
lejano se llama campo de radiación. La potencia de radiación, por lo general
es la mas importante de las dos -, por consiguiente, los patrones de radiación
de la antena, por lo regular se dan para el campo lejano. El campo cercano
se define como el área dentro de una distancia D2/l de la antena, en donde l
es la longitud de onda y D el diámetro de la antena en las mismas unidades.
Ganancia Directiva y Ganancia de Potencia
La ganancia directiva es la relación de la densidad de potencia
radiada en una dirección en particular con la densidad de potencia radiada
al mismo punto por una antena de referencia, suponiendo que ambas antenas
irradian la misma cantidad de potencia. El patrón de radiación para la
densidad de potencia relativa de una antena es realmente un patrón de
ganancia directiva si la referencia de la densidad de potencia se toma de
una antena de referencia estándar, que por lo general es una antena
isotrópica.
La ganancia de potencial es igual a la ganancia directiva excepto que
se uti liza el total de potencia que alimenta a la antena (o sea, que se toma
en cuenta la eficiencia de la antena). Se supone que la antena indicada y la
antena de referencia tienen la misma potencia de entrada y que la antena de
referencia no t iene perdidas (h = 100%).
Si una antena no tiene perdidas, irradia 100% de la potencia de
entrada y la ganancia de potencia es igual a la ganancia directa. La
ganancia de potencia para una antena también se da en decibeles en relación
con alguna antena de referencia .
Polarización de la Antena
La polarización de una antena se refiere solo a la orientación del
campo eléctrico radiado desde ésta. Una antena puede polarizarse en forma
lineal (por lo general, polarizada horizontal o vertical), en forma elíptica o
circular. Si una antena irradia una onda electromagnética polarizada
verticalmente, la antena se define como pol arizada verticalmente; si la
antena irradia una onda electromagnética polarizada horizontalmente, se
dice que la antena está polarizada horizontalmente; si el campo eléctrico
radiado gira en un patrón elíptico, está polarizada elípticamente; y si el
campo eléctrico gira en un patrón circular, está polarizada circularmente.
ANTENA YAGI
La antena de Yagi es una antena direccional inventada por el Dr.
Hidetsugu Yagi de la Universidad Imperial de Tohoku y su ayudante, el Dr.
Shintaro Uda (de ahí al nombre Yagi-Uda). Esta invención de avanzada a
las antenas convencionales, produjo que mediante una estructura simple de
dipolo, combinado con elementos parásitos, conocidos como reflector y
directores, logró construir una antena de muy alto rendimiento.
La invención del Dr. Yagi (patentada en 1926) no fue usado en Japón
en un principio, ya que el diseño de la antena no fue para implementarse en
las comunicaciones sino para utilizarse en la guerra como un arma
radioactiva. Yagi experimentaba con ratones a los que sometía a fuertes
ondas de radio que eran concentradas gracias a la direccionalidad de la
antena. Los resultados no fueron buenos para Yagi y abandonó el proyecto.
Sin embargo fue aceptada en Europa y Norteamérica, en donde se incorporó
a la producción comercial, de los sistemas de difusión, TV y otros.
El uso de esta antena en Japón solo comenzó a utilizarse durante la
Segunda Guerra Mundial , cuando fue descubierto que la invención de Yagi,
era utilizada como antena de radar por los ejércitos aliados.
CONSTRUCCIÓN
En la primera imagen de la izquierda, se muestra los diferentes
elementos que forman esta antena:
Los elementos parásitos son aquellos que no son activos, no se
conectan a la línea de transmisión y reciben la energía a través de la
inducción mutua. Se clasifican en reflectores y directores
¿COMO FUNCIONA UNA ANTENA YAGI-UDA?
En virtud del principio de reciprocidad, se puede demostrar que las
propiedades (impedancia, ganancia, etc.) de una antena cualquiera son las
mismas tanto en emisión como en recepción. Como es más fácil de
comprender el funcionamiento de una antena Yagi -Uda en transmisión que
en recepción, comenzaremos por una antena en transmisión.
Como ya se ha mencionado, una antena Yagui -Uda está formada por
un elemento alimentado (conectado al emisor o al receptor) formado por un
simple dipolo o un dipolo doblado llamado también "radiador" de manera
inapropiada, ya que en la antena Yagi -Uda todos los elementos irradian de
manera comparable. Además de ese elemento, la antena tiene uno o varios
elementos aislados llamados, injustamente, elementos parásitos. La
corriente que circula en el elemento alimentado irradia un campo
electromagnético, el cual induce corrientes en los "elementos parásitos" de
la antena. Las corrientes inducidas en esos elementos irradian también
campos electromagnéticos que a su vez inducen corrientes en los demás.
Finalmente la corriente que circula en cada uno de los elementos es el
resultado de la interacción entre todos los elementos. El elemento
alimentado. La fase de la corriente que circula en el elemento parásito
dependerá de la distancia entre los dos elementos y de la longitud y
diámetro de este último. La amplitud también dependerá de lo mismo pero
mucho menos y será, de todas maneras, de la misma magnitud q ue la
corriente del elemento alimentado.
Coloquemos el elemento parásito delante del elemento alimentado a
una distancia de (donde es la longitud de onda) y ajustemos su longitud
para que la corriente tenga un retardo de fase de . En ese caso,
el cálculo muestra que la corriente en el elemento parásito es 1,19 veces la
corriente en el elemento alimentado. El campo radiado hacia atrás será la
suma del campo producido por el elemento alimentado más el campo
producido por el elemento parásito. Pero éste últ imo ha sido emitido con un
retardo de 144° y como debe recorrer una distancia adicional de sufrirá
un retardo adicional de 36°, lo que hace que, hacia atrás, los campos
emitidos por los dos elementos estarán en oposición de fase. En cambio,
hacia adelante , el campo emitido por el elemento parásito, ganará 36° (en
lugar de perderlos) y su retardo de fase no será más que . La
suma de los dos campos será máxima.
En el caso particular de este ejemplo, la amplitud E del campo
eléctrico de la onda electromagnét ica radiada hacia adelante en una
dirección es donde es el campo producido
por el elemento alimentado si estuviese solo. La ganancia es de 8,96 dBi.
Este tipo de elemento parásito, si tuado delante el elemento
alimentado y que refuerza el campo hacia adelante, se llama director. Los
elementos situados detrás y que refuerzan el campo hacia adelante se llaman
reflectores. Pero no hay que confundirlos con las superficies o rejas
reflectoras utilizadas en otros tipos de antenas.
Generalmente se ponen uno o dos reflectores y uno o varios
directores. Se calculan las posiciones y las dimensiones de manera que las
fases de las corrientes resultantes sean tales que la adición de los campos
sea mínima hacia atrás y máxima hacia adelante.
Eléctricamente, el costo de esta directividad es una disminución de la
parte resistiva de la impedancia de la antena. Con una misma corriente de
alimentación, el campo radiado es más débil. Se compensa este
inconveniente remplazando el dipolo alimentado por un dipolo doblado.
Para la antena en recepción, la fase y la amplitud de las corrientes
inducidas en los elementos por el campo incidente y los demás elementos
hace que la corriente inducida en el elemento alimentado (ahora conectado
al receptor) sea máxima para los campos que vienen de delante y mínima
para los campos que vienen de detrás.
DISEÑO DE UNA ANTENA YAGI
A diferencia de la antena dipolo, es sumamente difícil modelizar con
ecuaciones matemáticas una antena Yagi. Por lo tanto, existen distintos
programas de simulación numérica de antenas que permiten simular
distintos diseños que permitirán una primera aproximación.
Un programa de simulación de antenas con versión en español es
MMANA.
ALIMENTAR UNA ANTENA YAGI
Para respetar la adecuación entre la impedancia de la antena y la
impedancia de la línea de transmisión se utilizan distintos tipo de
alimentación.
• Alimentación asimétrica por cable coaxial: adaptación gamma
• Alimentación simétrica por cable bifilar: adaptación delta
A veces es necesario interponer un simetrizador o balun para asegurar
y para adaptar la impedancia de la antena yagi.
Algunas personas alimentan con cable coaxial a una antena Yagi que
espera una alimentación simétrica. Esta manera de alimentar puede
funcionar, pero sólo a ciertas frecuencias, y a cost a de convertir a la vaina
del coaxial en parte del elemento irradiante. Por lo tanto, no es una práctica
aconsejable.
EVOLUCIONES DE LA ANTENA YAGI
Red de antenas Yagi
Es un conjunto de antenas Yagi que han sido alineadas apuntando
perpendicularmente a un mismo plano.
La razón para agregar varias antenas Yagi en paralelo, es que cada
antena suplementaria aporta 3 dB a la señal, o sea, la multiplica por dos en
potencia, con un límite teórico de 20dB.
• Es por eso que las redes de antenas Yagi se utilizan sob re todo
en EME (contactos por reflexión lunar), donde las señales recorren 600 000
km entre emisor y receptor y l legan considerablemente atenuadas; cada
decibelio de ganancia es sumamente precioso.
Existe una distancia mínima entre antenas para minimizar el efecto de
cada antena sobre su vecina.
Las redes de antenas Yagi exigen una interconexión cuidadosa, sobre
todo para respetar la impedancia de salida requerida por el transmisor.
Por razones de dimensiones de las antenas, las redes de antenas Yagi
se utilizan mucho en VHF y UHF.
Antenas Yagi de elementos ahusados
Por razones mecánicas convienen elementos gruesos, mientras que
por razones eléctricas convienen elementos lo más finos que sea posible.
Un compromiso entre ambos es hacer elementos ahusados, gr uesos en
el centro y afinándose progresivamente hacia el extremo.
Antenas Yagi de elementos acortados
Sobre todo en las bandas HF (3-30 MHz), los elementos tienen
longitudes del orden de las decenas de metros. Eso hace que una antena
Yagi sea poco práctica, sea por razones mecánicas, sea por razones de
espacio.
• Una antena Yagi para la banda de 80m tiene un ancho mayor
que la envergadura de un Airbus A320
Es posible construir antenas Yagi más cortas, reemplazando un
segmento de cada elemento (por ejemplo, el tercio central de cada mitad de
elemento) por un solenoide o bobina. Eso hace que la antena sea más corta,
y por lo tanto mecánicamente viable, a costa de otras virtudes: ancho de
banda, ganancia, y otras característ icas. El resultado final es un
compromiso.
PROPIEDADES ELÉCTRICAS
Tensión y corriente
Siendo una evolución del dipolo, el punto medio del elemento
conductor es un nodo de tensión y un vientre de corriente. Los reflectores y
directores, pese a no estar directamente alimentados, también tienen
tensiones y corrientes.
Diagrama de emisión
La antena Yagi puede concebirse como una evolución del dipolo,
donde los reflectores reducen la emisión hacia atrás, y donde los directores
concentran la emisión hacia adelante.
Dependiendo entre otras cosas de l a cantidad de elementos directores,
y de la longitud de la antena (boom, en inglés), es posible llegar a
ganancias máximas de por ejemplo 15 dB, lo que equivale a multiplicar la
señal por 32.
Como la antena Yagi no crea energía, cuanta más ganancia en una
dirección, más estrecho será el haz. Para medir esa apertura, la definimos
como el ángulo respecto del eje de la Yagi donde la ganancia cae a la mitad,
es decir, pierde 3 dB respecto del eje central .
Sumamente importante en las antenas Yagi, cuyo objetivo es el de ser
direccional, es el coeficiente de ganancia en las direcciones 0°/180°
(adelante/atrás). Cuanto mayor sea ese coeficiente, más inmune es la antena
a señales provenientes de otras direcciones.
Polarización
• Cuando la antena Yagi es paralela al plano de la tierra, la
componente eléctrica de la onda es paralela al plano de la tierra: se dice que
tiene polarización horizontal.
• Cuando la antena Yagi es perpendicular al plano de la t ierra, la
componente eléctrica de la onda es perpendicular al plan o de la tierra: se
dice que tiene polarización vertical.
• En HF, y en VHF en clase de emisión banda lateral única se
prefiere la polarización horizontal, y en VHF en clase de emisión frecuencia
modulada, la polarización vertical.
Impedancia
• La impedancia de una antena Yagi depende de la configuración
de los reflectores y directores (dimensiones de cada elemento,
espaciamiento entre elementos). Habitualmente las antenas se diseñan para
que la impedancia sea de 50 o 75 Ohms, o sea, la impedancia requerida por
los equipos conectados a la antena:
- Antenas de recepción de televisión: 75 Ω
- Antenas de emisión / recepción (por ejemplo,
radioaficionados): 50 Ω
- Antenas de Wifi: 50 Ω
Resonancia
La Yagi es una antena resonante, es decir, existe una frecuencia en la
cual presenta una resistencia óhmica pura. Esto se presenta cuando la
reactancia inductiva del circuito que conforma la antena tiene igual valor
que la reactancia capacitiva.
En fórmula:
donde
-> Reactancia Inductiva
-> Reactancia Capacitiva
-> Pulsación
-> Frecuencia
La frecuencia de resonancia será aquella para la cual se cumple que
XL = XC, y resulta:
=>
resultando un circuito resistivo puro.
Construcción y fórmulas
En esta sección se hace referencia a la construcción de la antena para
cualquier banda o frecuencia. También se incluyen fórmulas para la
modelización de antenas manualmente. Para el diseño por ordenador se
utilizan programas como MMANA.
Construcción básica
Aquí se muestra la construcción básica de una antena Yagi, que
consta de un elemento director, un elemento reflector y un elemento activo.
• La longitud del elemento activo es de λ/2, es decir, la mitad de
la longitud de onda.
• El elemento reflector es ligeramente más grande ya que mide
0.55λ (es decir, un 5% más que media longitud de onda o λ/2)
• A su vez, el elemento director es 5% más corto que el elemento
activo.
Cálculo de impedancia
La Z en una Antena Yagi, puede calcularse siempre que se tome estas
reglas.
Amplitud
En el caso particular de este ejemplo,
donde es el campo producido por el elemento alimentado si estuviese
solo. la importancia de los dbi es mayor con respecto al tipo de uso y
frecuencia que se maneje. La ganancia es de 8,96 dBi.
ANEXOS
Figura 1: Modelo de la antena Yagi -Udo de 21 elementos simulada
Nro. Largo Posición
1 6.03 0.0
2 5.40 1.96
3 5.08 4.10
4 4.92 6.65
5 4.83 9.37
6 4.58 12.74
7 4.58 15.44
8 4.58 18.14
9 4.58 20.84
10 4.58 23.54
11 4.58 26.24
12 4.42 28.94
13 4.42 31.64
14 4.42 34.34
15 4.42 37.04
16 4.42 39.74
17 3.66 42.44
18 42.6 45.14
19 42.6 47.84
20 45.6 50.54
21 35.6 53.04
Tabla 1: Detalles físicos de los elementos instalados.
Figura 2: Materiales usados para la Elaboración de la Yagi-Udo
Figura 3: Elementos de la Antena con su respectivo material aislante.
Figura 4: Soporte de la Antena con sus marcas establecidas.
Figura 5: Haciendo las bases para los Elementos de la Antena.
Figura 6: Con la Antena ya finalizada
Figura 7: Los integrantes del grupo con la antena finalizada.