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INDICE INTRODUCCIÓN Pág. CONCEPTO GENERAL DE ANTENA 2 TIPOS DE ANTENAS 2 OBJETIVO GENERAL 3 OBJETIVOS ESPECIFICOS 3 ESPECIFICACIONES DE LA ANTENA YAGI 4 MARCO TEÓRICO 6 MARCO PRÁCTICO 9 DISEÑO DE LA ANTENA YAGI DIRECCIONAL 10 CONSTRUCCIÓN DE LA ANTENA YAGI DIRECCIONAL 11 REPORTE ECONOMICO 14 CONCLUSIONES 14 RECOMENDACIONES 15 BIBLIOGRAFÍA 15

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CONCEPTO GENERAL DE ANTENA

DEFINICION GENERAL:

Dispositivo de los aparatos emisores o receptores que, con formas muy diversas, sirve para emitir o recibir señales de ondas electromagnéticas atreves del aire. 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.

Definición técnica: Una antena es un conductor metálico capaz de irradiar o capturar ondas electromagnéticas, es la interface

entre un medio físico y un medio inalámbrico.

Es un medio pasivo y reciproco:

Pasivo.- porque no produce ganancia de ningún tipo.

Reciproco.- porque cumple dos funciones especificas, la de enviar y recibir información.

Aspectos constructivos:

La energía irradiada por una antena depende de la geometría del conductor y de la corriente aplicada, en su

forma más simple una antena puede estar constituida por un alambre conductor, varillas, placas, etc. Con

direcciones adecuadas y relacionadas con la frecuencia utilizada, las direcciones de la antena se relacionan

directamente con la longitud de onda, si las direcciones de la antena son mucho menores, su eficiencia se

reduce considerablemente, pero este aspecto no es importante en algunos casos especiales tales como los

mouse inalámbricos, apertura de puertas a través de radio frecuencia.

TIPOS DE ANTENAS

Existen varios tipos y modelos de antenas por ejemplo:

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OBJETIVO GENERAL

Diseñar e implementar una antena direccional Uda Yagi para wifi, para una frecuencia de 2.4 Ghz.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Buscar toda la información necesaria para lograr cumplir el objetivo general.

Realizar los cálculos necesarios para el diseño de la antena Yagi.

Diseñar la parte practica para el ensamblado de la antena Yagi.

Ensamblar la antena Yagi.

Realizar las pruebas necesarias para comprobar el funcionamiento de la antena Yagi.

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ESPECIFICACIONES DE LA ANTENA YAGI

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 la cantidad de elementos directores, y de la longitud de la antena, 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.

Antena direccional:

A diferencia de las antenas omnidireccionales, una antena direccional (también llamada unidireccional o directiva) es una antena capaz de concentrar la mayor parte de la energía radiada de manera localizada, aumentando así la potencia emitida hacia el receptor o desde la fuente deseados y evitando interferencias introducidas por fuentes no deseadas. Las antenas direccionales, como por ejemplo las antenas Yagi, proporcionan mucho mejor rendimiento que las antenas de dipolo cuando se desea concentrar gran parte de la radiación en una dirección deseada.

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 plano 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:

o Antenas de recepción de televisión: 75 Ω o Antenas de emisión / recepción (por ejemplo, radioaficionados): 50 Ω o Antenas de Wifi: 50 Ω

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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.

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MARCO TEÓRICO

La antena Yagi o antena Yagi-Uda 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 original de la antena tenía como objetivo la transmisión inalámbrica de energía. 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.

Elementos de una antena Yagi: 1.- Elemento conductor 2.- Reflectores 3.- Directores 4.- Cable.

Fig. 1.1

Función una antena Yagi-Uda

Una antena Yagi-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 que la corriente del elemento alimentado.

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

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.

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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.

Alimentación de 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.

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 sobre 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, gruesos 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

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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

Fig. 1.2

Diagrama tridimensional de campo lejano de una Antena Yagi para la banda de radioaficionados de 10m, modelizada por MMANA.

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:

Fig. 1.3

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MARCO PRÁCTICO

El diseño de esta antena Yagi se basa en otros encontrados en internet y sobre todo en los datos obtenidos

con el programa de G6KSN loopyagi.exe que sirve para calcular antenas loop uda yagi para cualquier

frecuencia.

Las dimensiones y la forma de construirla se han cambiado levemente para adaptarnos a los materiales que teníamos a nuestro alcance. Es una antena direccional y con ganancia bastante alta, 14dbi. La polarización horizontal o vertical depende únicamente de la posición en que fijes la antena.

Cálculos realizados:

Los resultados obtenidos con loopyagi.exe para una frecuencia de 2441Mhz son los siguientes:

ELEMENTO DIMENSIONES DISTANCIA DESDE EL REFLECTOR 1

Reflector 1 150mm diámetro 0 mm

Reflector 2 135mm circunferencia 42 mm

Alimentador 123mm circunferencia 70 mm

Director 1 114mm circunferencia 81 mm

Director 2 114mm circunferencia 105 mm

Director 3 114mm circunferencia 129 mm

Director 4 114mm circunferencia 146 mm

Director 5 114mm circunferencia 177 mm

Director 6 114mm circunferencia 225 mm

Director 7 114mm circunferencia 273 mm

Director 8 114mm circunferencia 321 mm

Director 9 114mm circunferencia 369 mm

Director 10 114mm circunferencia 417 mm

Director 11 114mm circunferencia 465 mm

Director 12 114mm circunferencia 513 mm

Director 13 110mm circunferencia 561 mm

Director 14 110mm circunferencia 609 mm

Director 15 110mm circunferencia 657 mm

Director 16 110mm circunferencia 705 mm

Director 17 110mm circunferencia 753 mm

Director 18 110mm circunferencia 801 mm

Director 19 110mm circunferencia 849 mm

Director 20 110mm circunferencia 897 mm

Director 21 106mm circunferencia 945 mm

Director 22 106mm circunferencia 975 mm

Tabla 1.1

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DISEÑO DE LA ANTENA YAGI DIRECCIONAL

En la figura 1.4 se puede apreciar el diseño grafico que tendrá la antena Yagi

Fig. 1.4

En la figura 1.5 se puede apreciar el diseño físico que tiene la antena Yagi.

Fig. 1.5

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CONSTRUCCIÓN DE LA ANTENA YAGI DIRECCIONAL

Después de haber realizado los cálculos correspondientes y haber visto el diseño grafico de la antena Yagi, empezaremos a ensamblar la antena Yagi.

1er. paso: Buscar los materiales para el ensamblado de la antena Yagi. Se necesitará los siguientes materiales:

Lista de materiales:

Material Mediada Tamaño

Tubo de cobre 3/8 de pulgada 1.25mts.

Alambre de cobre 1.5mm de grosor 3mts.

Conectores de cable coaxial

Cable coaxial 75 Ω 2mts.

Plancha 1mm de grosor 15cm de diámetro

2do. Paso: Cortar el alambre de cobre según las medidas especificadas en la tabla 1.1. Luego darle forma de circunferencias a cada trozo de alambre cortado según la mediada especificada en la tabla 1.1, en la figura 1.6 se muestra el diseño de las circunferencias realizadas con los trozos de alambre.

Fig. 1.6

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3er. Paso:

Realizar 2 orificios a la plancha, con las medidas que se destacan en la figura 1.7a. La plancha debe quedar físicamente como se muestra en la figura 1.7b.

Esta plancha es el reflector de la antena Yagi.

Fig. 1.7a

Fig. 1.7b

4to. Paso:

Medir y marcar las distancias que existe entre el reflector y cada director sobre el tubo de cobre, las cuales están especificadas en la tabla 1.1, para luego soldar sobre el tubo de cobre el reflector y los directores.

En la figura 1.8 se muestra al tubo de cobre con el reflector y los directores soldados sobre el tubo de cobre.

Fig. 1.8

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5to. Paso:

Una vez terminado de soldar las piezas sobre el tubo de cobre, realizar la conexión del cable coaxial sobre el alimentador que se encuentra soldado sobre el tubo de cobre, realizar la conexión como se muestra en la figura 1.9.

Fig. 1.9

6to. Paso:

Una vez terminada la antena Yagi, realizar las pruebas necesarias para comprobar su correcto funcionamiento de la antena Yagi.

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REPORTE ECONÓMICO

En la tabla 1.2 se tiene en detalle el presupuesto para la fabricación de la antena Yagi.

Material Cantidad Precio expresado en Bs.

Tubo de cobre 1 60

Alambre de cobre 1 10

Conectores de cable coaxial 2 12

Cable coaxial 1 6

Plancha 1 5

Soldadura a Oxigeno 1 40

Total: 133 Bs.

Para la fabricación de la antena Yagi se tuvo una inversión total de 133 bolivianos.

CONCLUSIONES

Después de haber buscado en internet los tipos de antenas que existe, realice una selección particular, de la antena Yagi, ya que este tipo de antenas tienen características de un buen nivel. Con la tecnología que actualmente contamos se ha podido simplificar los pasos de realizar los cálculos de medidas para la antena gracias a un software especial llamado loopyagi.exe este software nos brinda las medidas exactas de los directores y los reflectores de la antena, tan solo hay que colocar en el software a que frecuencia de desea realizar la antena. Obtuve una gran experiencia con el ensamblado de la antena Yagi, aprendí que no siempre nos sale bien las cosas al primer intento, de que hay que tener bastante paciencia para realizar este tipo de trabajos, que a simple vista parece ser fácil de hacerlo pero la verdad no es así. Tuve algunos contratiempos con la realización de los directores, porque no encontré una medida exacta para realizar la circunferencia de cada director. También aprendí que el tubo de cobre es difícil de conseguirlo en el mercado, de que este material es débil a temperaturas elevadas. Pero al final de todo llegue a concluir este trabajo, siguiendo los pasos detalle a detalle para su conclusión final. La teoría debe ser fundamental para la comprensión a fondo de la asignatura al momento de realizar la antena. El analizador de espectros puede resultar en una herramienta de trabajo muy poderosa cuando se está haciendo diseño e implementación de antenas, redes inalámbricas, y otro tipo de aplicaciones en las que se trabaje en frecuencias correspondientes a la banda de radiofrecuencia. Determinar correctamente el ancho de banda de trabajo de una antena es muy necesario en el momento de utilizarla para cualquier tipo de aplicación, debido a que es necesario conocer las limitaciones del elemento usado.

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RECOMENDACIONES

Para realizar este tipo de trabajos hay que hacerlo con anticipación, paciencia, eficiencia y concentración, de lo contrario nos puede causar muchos contratiempos. Hay que saber buscar y elegir con mucho criterio el tipo de antena que uno desea realizar, ya que existen varios tipos en internet. Hay que tener mucho cuidado al momento de soldar las piezas sobre el tubo de cobre.

BIBLIOGRAFÍA BIBLIOGRAFIA -Electrical Engineers' Handbook, Pender & McIlwain. -Enciclopedia de la Electronica, Ingeniería y Tecnica, C. Belove. -Propagación y Antenas Salmeron -Sistemas de Comunicaciones Electrónicas Wayne Tomasi -RCUA Antenas Webs De Interés Eiffel Antenas http://www.geocities.com/CapeCanaveral/Hall/3334/enlants.htm http://www.laantena.com http://www.geocities.com/wireless4data/ http://www.sonicolor.com/catalogo/antenas/antenas.html http://www.geocities.com/eaqrpclub_es/es/bibli_es/antenas.html http://www.ieee.org http://www.nasa.gov http://www.conatel.gov.ve