LABORATORIO DE ANTENAS

ANTENA UDA YAGI

Marzo 15 de 2011.

Presentación

En esta Unidad se presenta una de las antenas de elementos parásitos más popular por su aplicación, sobretodo por debajo de la banda de 1 Ghz.

Objetivos

Familiarizarse con las redes de antenas con elementos parásitos del tipo Yagi – Uda. Construir este tipo de antenas con diferentes configuraciones Medir sus características

Conceptos Algunas antenas son muy comunes, tal es el caso de la antena Yagi, también llamada antena

Yagi – Uda. Su nombre se debe a los profesores japoneses: S Uda y H Yagi, quienes en la década de 1920, experimentaron con estas estructuras en redes con elementos parásitos.

Ya se ha visto que un dipolo plegado tiene una distribución de radiación mejorada en una dirección determinada.

Se ha visto también que las distribuciones de corriente en la antena de cuadros, en diferentes partes del cuadro y ubicadas a la misma distancia unas de otras, se suman o cancelan para producir el diagrama de radiación.

Con la antena helicoidal se vio que los efectos de las ondas que se desplazan se suman de un bucle a otro de la hélice para producir un diagrama de radiación de haz cincel.

Descripción Física

Es un tipo de antena que consta de tres elementos o varillas montadas en una barra longitudinal. Se usan generalmente para frecuencias entre 30 MHz y 3 GHz.

No importa si esta varilla conectante conduce, como si se orientase en ángulo recto a las corrientes y a los campos eléctricos radiantes. El soporta poca o ninguna corriente y no contribuye a la radiación. No importa de que esta hecho sino que tenga buenas propiedades estructurales. Si esta hecha de metal conductor como los elementos, puede ser conectados eléctricamente a los directores y al reflector pero no al elemento impulsor sin afectar cualquiera de las propiedades de la antena.

Hay tres clases de elementos o varillas las cuales se llaman:

a) Elemento impulsor (dipolo doblado)b) Reflector c) Directores

Solo el elemento impulsor esta conectado directamente a la línea de alimentación; los otros elementos se acoplan al transmisor de potencia por medio de campos electromagnéticos locales los cuales inducen corrientes en él.

El elemento impulsor es a menudo un dipolo doblado, el cual por si solo tienen una impedancia de casi 300 ohmios al alimentador.

La máxima ganancia de una antena Yagi-Uda, esta limitada a la ganancia de un dipolo por 1.66 veces el numero total de elementos.

En un arreglo de N elementos, la ganancia es proporcional a N.

Considere N fuentes isotrópicas, todas en fase tal que las contribuciones del campo en la dirección del final del cable de cada elemento todas se añaden en fase en un campo distante. La longitud del campo (Campo E o campo H) de la suma de los fasores será N veces el campo de un elemento simple, así que la densidad de potencia radiada, la cual es proporcional al cuadrado de los campos será N2 veces mayor. Sin embargo, la potencia total entregada a los N elementos serán N veces mayor que lo entregado a un elemento simple, así que la potencia ganada en el campo distante es (N2)/N=N.

Un elemento simple tiene una máxima ganancia de 1.66 = 2.2 dBi, un elemento impulsor, con un solo reflector tiene una ganancia máxima de 3.3 o 5.2 dBi, una antena de tres elementos consistente de un solo director, un elemento impulsor y un reflector tiene una máxima ganancia de 5 o 7dBi y una Yagi de 15 elementos con 13 directores tiene y una ganancia máxima de 25 o 14 dBi. Pueden haber compromisos en el diseño para obtener la relación front/back, la impedancia del punto de comando y el ancho de banda tal que las ganancias pueden de alguna manera ser menores que esos números en una antena practica.

¿Cómo trabaja una antena Yagi?

El objetivo del diseño es hacer una estructura de onda viajera con corrientes en los elementos todos contribuyendo al campo distante en la dirección delantera. Las contribuciones están diseñadas para añadir en fase en la dirección delantera y cancelarla en la dirección trasera. Los elementos directores son cortados más pequeño que el elemento impulsor, el cual a su vez es un poquito más pequeño que media longitud de onda en la frecuencia de diseño. El reflector se corta casi media longitud de onda y es un poquito mayor que el elemento impulsor y un espaciado más cercano que los directores.

Los directores presentan una impedancia capacitiva, actuando como dos longitudes de línea de transmisión en circuito abierto cada una un poco más pequeña que un cuarto de longitud de un generador hipotético en el centro formado por las fem inducida por los campos. Similarmente, el reflector presenta una impedancia inductiva al generador fem en su centro. Los efectos de los espaciamientos y los desplazamientos de fase de corriente progresiva significan que las contribuciones de la corriente en los diferentes elementos a los campos radiados se sumaran en fase. Si los elementos directores, se cortan un poco más pequeños, su autoimpedencia es capacitiva, y ellos deben ser espaciados un poquito más que media longitud de onda a fin de mantener igualdad de fase en la contribución de radiación con la onda llegando del director anterior. Las corrientes en los elementos sucesivos.

El patrón de campo de los directores Yagi avanzan como la onda viajera en la dirección delantera, con longitud de onda aproximadamente igual a 3 espaciamientos de directores; a 30 MHz la longitud de onda es 10 metros por lo que una Yagi de 15 elementos la longitud dada es 47 metros la cual es casi 5 longitudes de onda, o 15 elementos dividido entre tres.

El reflector tiene una corriente inducida que contribuye a una onda en dirección trasera que justo cancela la onda trasera del elemento impulsor. Solamente un poco de potencia es radiado hacia atrás. La potencia radiada neta por la corriente del reflector tiene que ir a algún lado, por lo que aparece con una contribución en la dirección delantera. La longitud y el espaciamiento del reflector tienen una fuerte influencia en la radiación residual trasera de la antena. Típicamente, los reflectores serán espaciados entre 1/8 a ¼ de longitud de onda, y los directores por 1/3 de longitud de onda.

El análisis riguroso y matemático se hizo en base en el método de los momentos; del cual se hace una somera explicación

Dificultades en el diseño y construcción de antenas YAGI UDA

Hay muchos diseños estilo recetas de cocina! A menudo se han obtenido por métodos empíricos corte-intente o simulaciones.

Si uno juega con las longitudes y espaciamientos de los elementos usando diámetros de varillas diferentes con un paquete de simulación, rápidamente se da uno cuenta que es más fácil hacer una estructura Yagi-Uda con máxima ganancia que hacerla manualmente. Uno deduce de esto que

muchas si no la mayoría antenas practicas Yagi-Uda no trabajan como su propaganda o como se desea si el proceso de construcción parte de especificaciones exactas.

Los anteriores son ejemplos de los efectos de la red de antenas activa, es decir, las consecuencias debidas a los elementos de la antena que están conectados en ciertos tipos de redes de alimentación. Una antena que está compuesta de elementos discretos se llama red de antenas.El efecto de la red también se puede obtener utilizando los elementos parásitos de antenas, o simplemente parásitos (estructuras metálicas o alambres que no están conectados a la red de alimentación). En este cado, el efecto de la red se puede considerar como debida a la corriente inducida por el campo electromagnético en los elementos parásitos de la antena. Estos últimos se excitan gracias al acoplamiento con los campos cercanos provenientes de los elementos alimentados.

Un ejemplo de este fenómeno se vio en el Ejercicio 1.5, un dipolo plegado vertical, ubicado a una distancia λ/4 a partir del mástil vertical metálico, mostraba un aumento de algunos dB en la dirección

opuesta al mástil. En este caso, el mástil actúa como elemento reflector de la red de antenas con elementos parásitos.

Principios de base de las antenas Yagi:A continuación se tiene una antena Yagi con seis elementos:

Antena YAGI de 6 elementos

El efecto del elemento activo sobre los componentes parásitos más próximos al mismo es la inducción de corriente, de manera que el campo eléctrico inducido en esos elementos parásitos resulte más o menos igual en amplitud y opuesto en fase al campo incidente. Las simulaciones hechas con la computadora muestran que alargando el reflector y acortando el director, respecto al elemento activo, se introduce el efecto de directividad.

Con más de un elemento director se logra un aumento importante de la ganancia. Sin embargo, ese beneficio se reduce gradualmente con el aumento del número de dichos elementos. Esto se debe a que las corrientes inducidas en los componentes directores parásitos que se van alejando del elemento activo disminuyen y en consecuencia, esto hace decrecer la contribución de los mismos en la ganancia de la antena. Esto se ilustra en la siguiente figura:

Curva de la ganancia en función del número de elementos de una antena YAGI.

Elementos Ganancia3 874 995 1056 111

Ganancia de una antena YAGI según el número de elementos parásitos (espaciamiento = 0,15λ

La impedancia de entrada de una antena Yagi está en función de la impedancia de entrada del elemento excitador, pero resulta muy influenciada por los componentes parásitos. Para una red de dipolos de tres elementos se puede considerar una impedancia de aproximadamente 25 Ω. Con frecuencia, la variación de la impedancia de entrada de una antena en función de su configuración es bastante más grande. Los valores citados por algunas obras que tratan este tema van de 20 a 100Ω.

Con lo anterior queda sobreentendido que el término Yagi implica un tipo de estructura de antena más que un modelo específico de esta. En realidad, hay muchas variaciones de la antena Yagi.Se debe tener presente que no existe ningún método analítico sencillo para realizar el estudio de una antena Yagi. Por lo general, para su análisis y optimización se emplean los cálculos y simulaciones hechos con una computadora.

Afortunadamente se realizan muchos estudios numéricos y experimentos y gran cantidad de los resultados se encuentran disponibles en manuales y libros de textos (consultar bibliografía dad en este manual).

Resumen de la PrácticaMediante esta práctica se logrará:

Cómo diseñar y construir una antena Yagi. Observar la variación de los diferentes parámetros cuando se aumenta el número de

elementos. Analizar los diagramas de radiación para estudiar las siguientes características:

o Ganancia.o Anchura del haz de potencia mitad y o Relación anterior/posterior.

Montaje del equipamiento

1. Los elementos principales del sistema didáctico y de medición en antenas es decir, la Interfaz para la adquisición de datos / Fuente de alimentación, Generador RF, el Orientador de antenas y la computadora, se deben montar correctamente antes de comenzar este ejercicio. Si aún no lo hizo, consulte la Sección 4 del Manual del usuario del Sistema didáctico y de medición en antenas para realizar el montaje.

2. Coloque un mástil para antena con clips horizontales en el soporte de transmisión. Mediante los clips fije la antena Yagi en el mástil de manera que quede polarizada horizontalmente. Conéctela en la SALIDA, de la sección OSCILADOR 1 GHz del Generador RF, utilizando el cable tipo SMA más largo.

3. Monte una antena dipolo ^/2. Utilice el adaptador a 90º con tornillo para sujetar el dipolo en el brazo de aluminio. Coloque el mástil con clips horizontales en el soporte deslizante del Orientador de antena. Mediante los clips fije la antena en el mástil, tal como lo ilustra la figura 2 -32.Utilice el soporte deslizante para asegurarse de que el dipolo esté alineado con el centro de rotación del orientador de antena. Enrosque el atenuador de 10 dB en la entrada RF, ubicada en la parte superior de dicho módulo. Conecte la antena en el atenuador empleando el cable tipo SMA mediano.

Montaje del dipolo en el brazo de aluminio

4 Separe la antena transmisora Yagi y el dipolo receptor una distancia r = 1,5 m. Luego ajuste las antenas de manera que queden a la misma altura y enfrentadas.

5 Realice los ajustes siguientes:

En el Generador RF

MODO DE OSCILACION 1 GHz…………………….1 kHzPOTENCIA RF DEL OSCILADOR 1 GHz…………..no emitePOTENCIA DEL RF DEL OCSILADOR 10GHz…….no emite

Encienda la computadora e inicie el software LVDAM-ANT

Encienda el Generador RF y la Fuente de alimentación.

Diagrama de Radiación

6 Coloque el interruptor POTENCIA RF de la sección OSCILADOR 1 GHz del generador RF, en la posición EMITE.

Optimice la atenuación para tener un nivel de señal de 13 dB debajo del punto de saturación (trate de mantener esta atenuación a través de todo el ejercicio). Inicie la adquisición y almacene el diagrama de radiación como plano E en la caja de datos de antena 1.

7 Guarde el diagrama almacenado en la caja de datos antena 1. Este se debe usar como referencia en las etapas siguientes.

8 Utilice el alambre que tiene 178 mm de largo como elemento reflector y colóquelo a una distancia aproximada A= 0,15 ^ a 0, 25^ detrás del dipolo. Tal como lo ilustra la figura 2 – 33.

Montaje de la antena usando un solo reflector.

Cerciórese de que el dipolo quede alineado con el centro de rotación del Orientador de antena. Inicie una adquisición y almacene el diagrama como plano E en antena 2.

9 Retire el reflector del brazo y mediante los clips, fije un director de 146 mm una distancia A = 0,15 ^a 0,25^adelante del dipolo. Adquiera el diagrama y almacénelo como plano H en antena 2 (Aunque sea un diagrama de radiación según el plano E).

10 Para comprender mejor la función del reflector y director, compare esos dos diagramas con el que se guardó en la primera caja de datos. Describa lo observado.

Si piensa utilizarlos más adelante, guarde los datos almacenados en la caja de datos antena 2 y luego cierre dicha caja.

11 Monte una antena YAGI UDA de tres elementos utilizando los alambres de 178 mm y 146 mm de largo como reflector y director, respectivamente, y el dipolo como elemento excitador. Separe los elementos 0,15^

Lleve a cabo una adquisición y almacénela como plano E en antena 3

Nota: Un montaje eficaz de una antena YAGI UDA exige la medición exacta del largo de los alambres y sus espaciamientos. Eso puede resultar un proceso tedioso si no se emplea algún software confiable. Las etapas siguientes le permitirán observar e comportamiento de este tipo de antenas cuando se aumenta el número de sus elementos, de acuerdo con el modelo correcto de ajuste.

12 Para mejorar el rendimiento de la antena Yagi de tres elementos, consulte la figura 2 – 34 y para ajustar los espacios entre dichos elementos lea los valores siguiente:

Longitud de los alambres:

A = 178 mm B = 154 mmC = 146 mm

Espaciamiento entre los alambres:

1 = 87 mm2 = 61 mm

Montaje de la antena YAGI UDA.

Inicie una adquisición y almacenamiento en el diagrama como plan H en antena 3. Compare este resultado con el anterior y observe el efecto de la corrección de los espacios entre los elementos.

13 Utilice la tabla 2 - 2 para anotar la ganancia en dBd ( de acuerdo con el diagrama del dipolo almacenado en la primera caja de datos) y en dBi (emplee la ganancia del dipolo ^/2 del ejercicio 1 – 5), la AHPM y la relación anterior/posterior (A/P) ajustada para la antena Yagui de tres elementos.

CANTIDAD DE ELEMENTOS

GANANCIA (dBd )

GANANCIA (dBi)

AHPM E( º ) A/P

3

4

5

6

Parámetros de los diferentes montajes de la antena YAGI UDA.

14 Utilice los valores siguientes y consulte la figura 2 – 34 para montar una antena Yagi de cuatro elementos.Longitud de los alambres:

A = 178 mm C = 146 mmB = 154 mm D = 144 mm

Espaciamiento entre los alambres

1 = 88 mm2 = 66 mm 3 = 85 mm

Lleve a cabo una adquisición y almacene el diagrama como plan E en antena 2.Repita la etapa 13 para la antena Yagi de cuatro elementos.

15 Consulte la figura 2 – 34 y utilice los valores de más abajo para montar una antena Yagi de cinto elementos.

Longitud de los alambres A = 178 mm C= 146 mm E= 142 mmB = 154 mm D = 144 mm

Espaciamiento entre los alambres:

1 = 178 mm 3 = 100 mm2 = 75 mm 4 = 108 mm

Realice una adquisición y almacene el diagrama como plano H en antena 2.

Repita la etapa 13 para la antena Yagi de cinto elementos.

16 Consulte la figura 2 – 34 y los valores de más abajo para montar una antena Yagui de seis elementos.

Longitud de los alambres:A = 178 mm C = 146 mm E = 142 mmB = 154 mm D = 144 mm F = 140 mm

Espaciamiento entre los alambres:

1 = 66 mm 3 = 105 mm 5 =120 mm2 = 66 mm 4 = 110 mm

Lleve a cabo una adquisición y almacene el diagrama como plano E en antena 3 Repita la etapa 13 para la antena Yagi de seis elementos

17 Imprima la representación 2D del plano E para las antenas Yagi de 3, 4, 5 y 6 elementos en la misma hoja.Explique la progresión de la ganancia en los diferentes montajes, teniendo en cuenta los valores teóricos dados en la presentación._______________________________________________________________________________________________________________________________________

18 Rote las antenas transmisoras y receptoras y lleve a cabo una adquisición del plano H de la antena Yagi de seis elementos. Almacene este diagrama en la caja de datos de antena 3.

19 Oriente la OMS de los diagramas de la antena Yagi de seis elementos en 0ª, luego observe la presentación en el espacio de esta antena empleando las opciones H - E y 3 D.

20 Si piensa utilizarlo más adelante, asegúrese de guardar el diagrama de radiación y luego salga del software LVDAM-ANT. Coloque todos los interruptores de alimentación en la posición O (apagado), para la computadora, desmonte el equipamiento y guarde nuevamente todos los componentes en sus compartimentos de almacenaje.

CONCLUSIONES

En este ejercicio usted observó la función de los elementos reflector y director de una antena YAGI UDA. Trazó los diagramas de radiación de la antena a medida que aumentaba el número de sus elementos y calculó las AHPM y las relaciones anterior/Posterior. Tomando como referencia un dipolo ^/2, también calculó las ganancias. Finalmente, vio la influencia del aumento de la cantidad de elementos sobre el mejoramiento de la ganancia para este tipo de antena.

PREGUNTAS DE REVISION

1. Explique la relación entre un dipolo plegado, una antena de cuadros, una antena helicoidal y una antena YAGI UDA.__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. En qué se diferencia la antena Yagi de los otros tres tipos de antenas mencionados en la pregunta 1?

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4. Explique la relación entre la cantidad de elementos de una antena Yagi y su ganancia

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5. ¿Por qué el beneficio de adicionar directores en forma gradual decrece cuando la cantidad de elementos aumenta? ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Yagifaltdipolp.jpg