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Resumen: Vamos a construir una antena Guía Ondas con una lata de papas Pringles. Con ello se va a familiarizar con los componentes necesarios usuales en la construcción de antenas, como son los conectores SMA o N, con el uso de las herramientas necesarias para su construcción y con algunos conceptos técnicos. Siendo este trabajo una adaptación del disponible en internet en la siguiente dirección.

Abstrac: We will build an antenna Waves Guide with a can of Pringles. This is to familiarize with the usual components required to build antennas, such as SMA or N connectors, using the tools to build and with some technical concepts. This being an adaptation of the work available on the Internet at the following address. Palabra clave: Conector SMA:

Se llama SMA (SubMiniature version A) a un tipo de conector roscado para cable coaxial utilizado en microondas, útil hasta una frecuencia de 33 GHz, si bien suele dejar de utilizarse a partir de los 18 GHz, existen tipos diseñados para 26,5 GHz [2] Keyword SMA connector: It's called SMA (SubMiniature version A) to a type of threaded connector for coaxial cable used in microwave, useful up to a frequency of 33 GHz, although often out of service from the 18 GHz, there are types designed to 26.5 GHz. [2]

I. INTRODUCCIÓN

[1]Ya todos se imaginan la forma de una onda cuando

viaja a través de un medio. La onda se forma con la

diferencia de intensidad (amplitud de onda) de una

señal en un espacio de tiempo (longitud de onda) de

manera periódica. Dicha diferencia de intensidad es

balanceada, esto es, se alterna entre valores positivos y

negativos. Para tener un concepto visual de la onda. La

onda es emitida por un emisor, viaja a través de un

medio físico, y llega al destino, con mayor o menor

intensidad. El objetivo, es recibir la señal con la mayor

intensidad posible. Y para ello, nos interesa tomar

contacto con la onda cuando está en su punto de mayor

amplitud, sea de valor positivo o negativo. Imaginer la

onda atravesando el colector de nuestra antena. Cuanto

mayor sea la longitud del colector, y mayor sea el

número de intersecciones de la onda con el material

(arandelas en nuestro caso), mayor será la intensidad

alcanzada.

II. MARCO TEÓRICO

[1] El “Institute of Electrical and Electronics Engineers” (IEEE) define una antena como “aquella parte de un sistema transmisor o receptor diseñada específicamente para radiar o recibir ondas electromagnéticas” (IEEE Std. 145-1983). Las antenas tienen en común el hecho de ser una región de transición entre la zona donde existe una onda electromagnética guiada y una onda en espacio libre, a la cual se le puede asignar un carácter direccional. La representación de una onda se realiza por tensiones y corrientes (hilos conductores) o por campos (guías de onda) en espacio libre mediante campos. La misión de la antena es la de radiar la potencia que se le suministra con las características de direccionalidad adecuadas para la aplicación. La banda de frecuencia de trabajo va a definir el tipo de antena, e incluso sus propiedades más importantes, porque estas propiedades van a depender del tamaño eléctrico de las antenas, es decir, de la relación entre su longitud (l) y la longitud de onda, siendo c la velocidad de la luz en el vacío 3 x108 m/s y f la frecuencia. [2] [2]PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE ANTENAS

Al circular una corriente por un elemento metálico se genera un campo magnético que circula entorno al conductor y en el plano perpendicular a éste. Si la corriente circulante es variable, el campo magnético producido será también variable; es decir, si la corriente varía con la frecuencia, el campo cambiará de la misma manera y en función también de la frecuencia. Cuando la frecuencia es baja toda la energía en el conductor (antena) se disipa en forma de calor, a medida que aumenta la frecuencia, una porción de la energía

ANTENA YAGI (24-07-2014)

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producida en el conductor desaparece. Esta energía perdida del entorno de la antena fluye a través del espacio originando el fenómeno conocido como radiación. Para que tal fenómeno pueda ocurrir, la corriente que circula por el conductor debe ser variable en función del tiempo y de alta frecuencia, de tal modo que la producción de ondas sea inminente.

Fig. 1 Campos magnéticos creados por la corriente que

circula en un elemento metálico.[2] Funcionamiento de una antena Yagi-Uda [1]La antena Yagi o antena Yagi-Uda es una antena direccional inventada por el Dr. Shintaro Uda de la Universidad Imperial de Tohoku y en menor parte, el Dr. Hidetsugu Yagi (de ahí al nombre Yagi-Uda). Esta invención de avanzada a las antenas convencionales, produjo que mediante una estructura simple de dipolo, combinada con elementos parásitos conocidos como reflector y directores, se pudiera construir una antena de muy alto rendimiento.Uso de una antena Yagi enorientación por radio.

La invención del Dr. Uda (patentada en 1926) no fue

usada 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.

[1]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 la 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. [1]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. [1]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

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FIG. 2 Diagrama tridimensional de campo lejano de una Antena Yagi para la banda de radioaficionados de 10m.[2]

III. MATERIALES

10 arandelas de 10 mm de diámetro

5 arandelas de 30 mm de diámetro

10 tuercas de 4 mm de rosca

1 barra de hierro con rosca de 4 mm de diámetro (suelen venderlas de 1 m de longitud)

1 bote de patatas Pringles

1 conector tipo N

1 trozo (de cable) de cobre unos 5 cm de longitud y de 1.5 mm de diámetro (apróx)

FIG. 3 Materiales utilizados

IV. CALCULOS REALIZADOS

Colector Delantero Lo primero que se hará será cortar el tubo en 4 trozos de 30 mm, ¿pero, de donde sale que debemos cortar el tubo en tramos de 30 mm? Bien, la respuesta está en la longitud de onda de la señal, por ejemplo del canal 1, que tiene una frecuencia de 2.412 Gigahertz. ID Canal US/Canada España/Europa Japón, si no se tiene los trozos de tubo se hará una separación d 30 mm con tuercas entre arandela y arandela.

Tabla 1 FRECUENCIAS DE CANALES WIFI[2]

Se observara cual es la longitud de onda para la señal

correspondiente al canal 1:

Por lo tanto, un cuatro de la longitud de onda será:

Calculemos ahora cuál sería la longitud del cuarto de onda para una señal del canal más alto, el canal 13 en Europa (2472 GHz):

Entonces la longitud del cuarto de onda será de nuevo:

Como se puede observar la diferencia en la longitud del cuarto de onda de un canal a otro es de 0.3 milímetros, precisión que no lograremos con nuestra herramienta, puesto que la hoja de nuestra sierra será de cómo mínimo 1 mm de grosor. Es por eso que estimamos

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suficiente que la longitud del cuarto de onda para cualquiera de los 13 canales es de 30 mm. Cortamos 140 mm de la barra roscada, puesto que las arandelas que vamos a usar tienen un grosor de 1.6 mm, las tuercas 2 mm y la tapa 0.5 mm, tendremos lo justo para montarlo según el esquema siguiente y sujetarlo mediante las tuercas. Como indica la figura 4 es necesario acotar que si no se cuenta con los pedazos de tubo se utilizara ara la separación de arandelas tuercas para regulas la distancia.

FIG. 4 ANTENA YAGI SEPARACION DE ARANDELAS

Dimensiones En el texto siguiente, la letra L sustituirá a la letra griega Lambda. La altura de la lata vendrá determinada por el envase que hayamos escogido, aunque la longitud óptima sería de 3/4 Lg, o mayor. La espiga central del conector N se prolongará con cobre de una sola fibra, de unos 4mm de diámetro, y de largo Lo/4. Lo depende únicamente de la frecuencia nominal: Lo = 122 mm @ 2.45 GHz, y por tanto Lo/4 = 31mm. Lg depende del diámetro del cilindro; estos son algunos valores posibles:

TABLA 2 DIAMETRO DEL CILINDRO[2]

V. DESARROLLO

La estructura del colector diseñada anteriormente se

colocara dentro de la lata de pringles y tendrá que

estar alineado con el eje de la lata para hacer esta

alineación se hubo que colocar en los extremos del

colector soportes del tamaño de la base de la lata

(como pudo ser la tapa del envase). Para el otro

extremo se utilizó otra tapa del mismo producto, a

ambos soportes se les realizó una perforación en el

centro para poder asegurar el soporte con pernos y las

arandelas.

FIG. 5 ANTENA YAGI

La modificación que se realizó a la lata de pringles fue

una perforación en la parte lateral para poder colocar el

conector N hembra al cual se le soldó un trozo de

alambre de cobre de 3 cm aproximadamente.

FIG. 6 CONECTOR COAXIAL HEMBRA

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Lo primero que haremos será soldar el alambre de

cobre al conector N hembra. El alambre tuvo que estar

totalmente perpendicular al conector N.

FIG. 7 SOLDADURA DE PEDAZO DE COBRE EN EL

CONECTOR COAXIAL HEMBRA

Una vez que el alambre de cobre estuvo soldado lo más

perpendicular y recto posible se modificó la longitud del

alambre de tal forma que una vez que se colocó dentro

de la lata con el colector dentro, el alambre no llegase a

tocar el eje de la lata (el colector).

FIG. 8 PROBAR QUE NO TOPE EL COBRE NI EL ENVASE NI EL COLECTOR

Luego de haber soldado el conector se procedió a

introducirlo por el agujero practicado a la lata y se lo fijo

con pegamento.

Una vez realizado eso se pasó a introducir el colector de

la antena en el interior de la lata con el conector

soldado, esto se realizó con mucho cuidado ya que

como se dijo anteriormente, el alambre del conector no

debe tocar el eje (colector de antena)

FIG. 9 REALIZR UN HUECO A 8 CM DE LA BASE

FIG. 10 COLOCAR EL CONECTOR COAXIAL HEMBRA Y EL

CABLE COAXIAL EN EL ENVASE

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El cable

En general, los conectores que suelen traer las tarjetas

PCI y los puntos de acceso son de los llamados SMA. En

los APs y las tarjetas suele ir el conector macho con la

rosca por fuera y en los cables de las antenas o las

antenas monopolo que suelen venir incluidas el

conector es SMA hembra con la rosca por dentro.

FIG. 10 ADAPTADOR SMA

En el caso de la antena pringles, el conector que posee

es un conector N hembra, por lo que el cable tiene un

conector N macho.

FIG. 11 CABLE A UTILIZAR

VI. PRUEBAS Y RESULTADOS Se utilizó el software de wireless mon para medir el

nivel de recepción de la antena primero con la antena

original del acces point y luego con la antena diseñada.

FIG. 12 nivele de señal antena original

FIG. 13 nivele de señal antena diseñada

Para que el nivel de señal este con los mismos valores

de la antena original se debe tener un apuntamiento

preciso para que la tarjeta de red del ordenador sea

óptima.

También se debe considerar que la antena original es

una antena para largo alcance.

Pero los valores no difieren de forma abrupta.

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VII. CONCLUSIONES

Se logró implementar una antena WiFi con

materiales caseros de fácil acceso.

Se logró alcanzar la ganancia estimada de 25 dBi

para nuestra antena.

Se logró aplicar los conceptos de radiación en el

enlace de nuestra antena al AP, calculando las

mediciones como Pire, Perdidas en espacio

libre, Nivel de Recepción y Margen de

Desvanecimiento.

Para que el nivel de señal este con los mismos

valores de la antena original se debe tener un

apuntamiento preciso para que la tarjeta de red

del ordenador sea óptima.

VIII. RECOMENDACIONES

Al momento de poner el colector dentro de la

antena se recomienda revisar en todo momento

que el alambre de cobre no toque el eje de la

lata de pringles.

Es necesario que las medidas entre las arandelas

sean lo más exacto posible pues de esto

depende del buen funcionamiento de la antena.

IX. Referencias

[1]Jaume Anguera y Antonio Pérez (2008). Teoría

de Antenas. LaSalleOnline.

[2]Brico Wifi – Antena Pringles. Recuperado el

04/05/2013 de

http://www.oreillynet.com/cs/weblog/view/wl

g/448