ANTENA YAGI

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 tipos de antenas, dependiendo del uso a que van a ser destinadas , entre ellas se encuentra l a antena más popular entre los aficionado s que quieren mejorar su estaci ón, 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 otr a antena de la misma potencia. Esta a ntena es constituida por

varios

elementos

paralelos

y

coplanarios,

directores,

activos

y

reflectores, utilizada ampliamente en la re cepción 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 tierra y anulan la de sentido contr ario, 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 fijo del espacio en el plano perpendicular a la dirección de propagación. Para todas las ondas, esa figura es normalmente una elipse, pero ha y 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 on da 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 característica, 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 radiac ión 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 llama 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 diáme tro 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 r eferencia, 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 utiliza 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 tiene 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 com ercial, 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 (cone ctado 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 corriente

aislados que

llamados,

circula

en

el

injustamente, elemento

elementos

alimentado

parásitos.

irradia

un

La

campo

electromagnético, el cual induce corrientes en los "elementos parásitos" de la antena. Las corrientes inducidas en es os 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 fa se 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 suma de los dos campos será máxima.

. La

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,

situado

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 l a 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 nu mérica 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 llegan 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

características.

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 tierra, 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 • de

los

La impedanci a de una antena Yagi depende de la configuración 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 mues tra 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 1 6.03 2 5.40 3 5.08 4 4.92 5 4.83 6 4.58 7 4.58 8 4.58 9 4.58 10 4.58 11 4.58 12 4.42 13 4.42 14 4.42 15 4.42 16 4.42 17 3.66 18 42.6 19 42.6 20 45.6 21 35.6

Posición 0.0 1.96 4.10 6.65 9.37 12.74 15.44 18.14 20.84 23.54 26.24 28.94 31.64 34.34 37.04 39.74 42.44 45.14 47.84 50.54 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.