REPORTE Antena Yagi Canal 22

PROYECTO FINAL ANTENA YAGUI-UDA CANAL 22

“Elaboración Antena Yagi-Uda Canal 22”.

Objetivo general.

Diseñar una antena Yagi-Uda con dipolo doblado para el canal 22 de la ciudad de México..

Construir antena Yagi-Uda para canal 22, con una ganancia de 8 dB. Conseguir que la antena sea eficiente para los canales abiertos nacionales.

Marco Teórico

Antena Yagi-Uda.

Una matriz de Yagi-Uda, comúnmente conocido simplemente como una antena Yagi es una antena direccional que consiste en un elemento activo y elementos parásitos adicionales. El nombre se deriva de sus inventores, como la matriz Yagi-Uda fue inventado en 1926 por Shintaro Uda, de la Universidad Imperial de Tohoku, Japón, con un papel menor desempeñado por su colega Hidetsugu Yagi.

El elemento reflector es ligeramente más largo que el dipolo impulsado, mientras que los llamados directores son un poco más cortos. Este diseño logra un aumento muy sustancial en la direccionalidad y la ganancia de la antena en comparación con un simple dipolo.

Antenas altamente direccionales, como la Yagi-Uda se conoce comúnmente como "antenas de haz", debido a su alta ganancia. Sin embargo, el diseño de Yagi-Uda sólo alcanza esta alta ganancia sobre un ancho de banda bastante estrecha, por lo que es más útil para varias bandas de comunicaciones, pero menos adecuado para la radio tradicional y bandas de radiodifusión de televisión. Los radioaficionados suelen emplear estos para la comunicación en HF, VHF y UHF, a menudo construir tales propias antenas, lo que lleva a una cantidad de documentos técnicos y de software. Antenas de banda ancha utilizadas para VHF/UHF de radiodifusión incluyen el log-periódica de menor ganancia de dipolos, que a menudo se confunde con la matriz de Yagi-Uda debido a su aspecto superficial similar. Ese diseño junto con otros arreglos de fase tiene conexiones eléctricas en cada elemento, mientras que el diseño de


Yagi-Uda funciona sobre la base de la interacción electromagnética entre los elementos "parásitos" y el elemento accionado.

DESCRIPCIÓN

Antenas Yagi-Uda son direccionales a lo largo del eje perpendicular al dipolo en el plano de los elementos, desde el reflector hacia el elemento accionado y el director. Espaciamientos entre los elementos típicos varían de aproximadamente 1/10 a 1/4 de una longitud de onda, dependiendo del diseño específico. Las longitudes de los directores son más pequeñas que la del elemento impulsado, que es más pequeño que el del reflector de acuerdo con un procedimiento de diseño elaborado. Estos elementos son por lo general paralela en un plano, con el apoyo en un solo travesaño conocido como un boom.

El ancho de banda de una antena Yagi-Uda se refiere a la gama de frecuencias sobre las que su ganancia direccional y la adaptación de la impedancia se conservan dentro de un criterio establecido. La matriz de Yagi-Uda en su forma básica es muy estrecha, con su rendimiento ya comprometida a frecuencias sólo un pequeño tanto por ciento por encima o por debajo de su frecuencia de diseño. Sin embargo, el uso de conductores de mayor diámetro, entre otras técnicas, el ancho de banda se puede extender sustancialmente.

Antenas Yagi-Uda utilizados para radioaficionados a veces se diseñan para funcionar en múltiples bandas. Estos diseños elaborados crean rompe eléctricos a lo largo de cada elemento momento en el que se inserta un circuito LC paralelo. Este llamado trampa tiene el efecto de truncar el elemento en la banda de frecuencia más alta, por lo que es aproximadamente una media longitud de onda de longitud. A la frecuencia más baja, todo el elemento se encuentra cerca de la resonancia de la onda media, la aplicación de una antena Yagi-Uda diferente. El uso de un segundo conjunto de trampas de una antena de "tribanda" puede ser resonante a tres bandas diferentes. Teniendo en cuenta los costes asociados de erigir una antena y un sistema de rotor por encima de una torre, la combinación de antenas para tres bandas de aficionados en una unidad es una solución muy práctica. El uso de trampas no es sin inconvenientes, sin embargo, ya que reducen el ancho de banda de la antena en las bandas individuales y reducen la eficiencia de la antena y sujeto a consideraciones mecánicas adicionales eléctrica de la antena.

TEORÍA DE FUNCIONAMIENTO

Considere una Yagi-Uda consiste en un reflector, el elemento activo y un solo director. El elemento accionado es típicamente un dipolo o dipolo plegado y es el único miembro de la estructura que se excita directamente. Todos los demás


elementos son considerados parasitarios. Es decir, el poder que irradia que reciben del elemento activo.

Una forma de pensar en el funcionamiento de una antena de este tipo es considerar un elemento parásito al ser un elemento dipolo normal con un hueco en el centro, el punto de alimentación. Ahora en vez de fijar la antena a una carga que nos conectamos a un cortocircuito. Como es bien conocido en la teoría de la línea de transmisión, un cortocircuito refleja toda la energía incidente 180 grados fuera de fase. Así uno podría así el modelo de funcionamiento del elemento parásito como la superposición de un elemento de dipolo recibe alimentación y de enviarlo hacia abajo una línea de transmisión a una carga adaptada, y un transmisor que envía la misma cantidad de energía por la línea de transmisión de vuelta hacia la antena elemento. Si la onda del transmisor eran 180 grados fuera de fase con la onda recibida en ese punto, sería equivalente a sólo un cortocircuito en los que dipolo en el punto de alimentación.

El hecho de que el elemento parásito involucrado no es exactamente resonante, pero es algo más corta que se modifica la fase de la corriente del elemento con respecto a su excitación desde el elemento accionado. El elemento reflector de llamada, es más largo que, tiene una reactancia inductiva lo que significa que la fase de la corriente se retrasa la fase de la tensión de circuito abierto que sería inducida por el campo recibido. El elemento de dirección, en el otro lado, al ser más corto que tiene una reactancia capacitiva con la fase de tensión de retraso que de la corriente. Si los elementos parásitos se rompieron en el centro y estimuladas con el mismo voltaje aplicado al elemento central, a continuación, una diferencia de fase como en las corrientes sería implementar una red en fase final del fuego, la mejora de la radiación en una dirección y la disminución en la opuesta dirección. Por lo tanto, se puede apreciar el mecanismo por el cual elementos parásitos de longitud desigual puede dar lugar a un patrón de radiación unidireccional.

El elemento activo de la antena, es un dipolo doblado resonante, que tiene como función aumentar el ancho de banda y de radiar el campo eléctrico, dependiendo si es una antena receptora o transmisión; el reflector (elemento parasito) actúa, como su nombre lo indica, reflejando el campo eléctrico y suele ser 5% - 70% más grande que el dipolo activo. La separación entre estos elementos varía dependiendo la cantidad de ellos.

Se muestra en la figura siguiente una antena Yagi-Uda de tres elementos.


Figura 1. Antena Yagi-Uda de tres elementos (Reflector, Dipolo, Directores).

En cuanto a las distancias entre elementos, la separación entre el reflector y el dipolo Activo es más grande que de los directores, en equivalencia de número de elementos, entre más grande sea la cantidad de elementos, será mayor la separación entre los directores y el dipolo activo.

La Antena Yagi-Uda es muy directiva, con relación a la ganancia depende del número de elementos, esto es, entre más elementos sean la ganancia será mayor, para poder calcular la ganancia de la antena:

G=10 log (n)

Donde n es el número de elementos de la antena.

La Antena Yagi-Uda es usual mente aplicada en la televisión, estaciones de radioaficionados, radioenlaces punto a punto y en algunas aplicaciones de radiodifusión, trabajando en las bandas de HF (High Frecuency), VHF (Very High Frecuency) y UHF (Ulta High Frecuency).


Frecuencias VHF y UHF.

VHF (Very High Frequency) es la banda del espectro electromagnético que ocupa el rango de frecuencias de 30 MHz a 300 MHz.

Longitud de onda: De 1 a 10 metros. Características: Prevalentemente propagación directa, esporádicamente

propagación Ionosférica o Troposférica. Uso típico: Enlaces de la radio a corta distancia, Televisión, Radiodifusión en

Frecuencia Modulada.

UHF (Ultra High Frequency) es una banda del espectro electromagnético que ocupa el rango de frecuencias de 300 MHz a 3 GHz. En esta banda se produce la propagación por onda espacial troposférica, con una atenuación adicional máxima de 1 dB si existe despejamiento de la primera zona de Fresnel.

Longitud de onda: De 10 centímetros 1metros. Características: Exclusivamente propagación directa, posibilidad de enlaces por

reflexión o a través de satélites artificiales. Uso típico: Enlaces de radio, Radar, Ayuda a la navegación aérea, Televisión.

En estas bandas se destacan los siguientes servicios:

Radio.

Las emisoras de FM - Frecuencia Modulada transmiten en el segmento de 87,5 a 108 MHz.

Televisión.

Las bandas de VHF y UHF son utilizadas para la teledifusión en todo el mundo, tanto para la televisión abierta como para sistemas de TV codificada (estos generalmente en UHF). Existen grandes diferencias entre la distribución de canales y frecuencias entre cada país y también hay que considerar los diferentes sistemas estándares que se utilizan para la emisión televisiva.

http://es.wikipedia.org/wiki/Zona_de_Fresnel

http://es.wikipedia.org/wiki/Espectro_electromagn%C3%A9tico

http://es.wikipedia.org/wiki/Espectro_electromagn%C3%A9tico


CÁLCULOS DEL DISEÑO DE ANTENA YAGI-UDA PARA EL CANAL 22

Antes de proceder a calcular las medidas de los elementos de la antena Yagi-Uda para el canal 22, que trabaja en un ancho de banda de (519.25 a 523.75 MHz), definimos como ganancia de antena 8 dB.

Ya definida la ganancia, procedimos a calcular el número de elementos de la antena. Como ya sabemos la ganancia está representada con la siguiente formula.

G=10 logn [dB]

Donde

G :Ganacia ;n :umerode elementos

Despejamos a n, quedando de la siguiente manera

n=10( G10 )

Por lo tanto

n=10( 810

)=6 .309≅ 6 elementos .

Como ya sabemos canal 22 trabaja con un ancho de banda de 519.25 a 519.25 MHz, para poder realizar los cálculos de la antena Yagi-Uda se debe utilizar una frecuencia como base, con lo cual procedimos a calcular la frecuencia media.

Tenemos que

Fmax=523 .75MHz

Fmin=519 .25MHz

La expresión de frecuencia media es:

Fmed= Fmax+Fmin2


Por lo tanto tenemos como frecuencia media

Fmed=(523 .75+519 .25 )MHz

2=521 .5MHz

Fmed=521.5MHz

También es necesario saber la longitud de onda la antena, teniendo en cuenta la ecuación siguiente:

λ= cf

Sabiendo que c representa la velocidad del sonido con un valor de 3 x108m / s y f la frecuencia, donde f tomara el valor calculado anterior mente conocida como Fmed.

λ= 3 x108

521.5 x106=0 .5752m

Como es bien sabido las antenas Yagi-Uda constan de los elementos Reflector, Dipolo activo y Directores. Para cada uno de estos sus cálculos son diferentes a continuación se calculara cada uno de ellos.

Como es bien sabido para el diseño de esta antena, resulto tener 6 elementos con una ganancia

8dB, con lo cual tenemos un reflector, un dipolo activo, 4 directores.

Reflector

La longitud del reflector (L¿¿ R)¿esta dada por:

LR=0 .5 λ

Sustituyendo a λ, nos da como resultado


LR=0 .5 (0 .5752m )=0 .2876≅ 29cm

Dipolo Activo

La longitud del dipolo activo (LD¿ esta dada por:

LD=0 .476 λ

Sustituyendo a λ, tenemos que LD resulta

LD=0 .476 (0 .5752m )=0 .2737m≅ 27cm

El dipolo activo está separado por lo que:

S<( λ32 )

S<( 0 .5752m32 )S<0 .0179m

S<1 .8cm

Con lo cual propondremos una separación de 1.5cm para esta antena.

Entre Reflector y Dipolo Activo hay una cierta separación (d a ) , que está dada por:

da=0 .15 λ

Sustituyendo λen la ecuación

da=0 .15 (0 .5752m )=0 .08628m≅ 8.6cm

Directores.

Para el cálculo de longitudes de cada director cambia su ecuación

LD1=0 .46 λ


LD2=0 .45 λ

LD3=0 .44 λ

LD4=0 .43 λ

Sustituyendo λ en cada una de las ecuaciones

LD1=0.46 (0.5752m )=0.2645m=26.45cm

LD2=0.45 (0.5752m )=0.2588m=25.88cm

LD3=0.44 (0.5752m )=0.2530m=25.30cm

LD4=0.43 (0.5752m )=0.2473m=24.73cm

La separación entre Dipolo Activo y los directores está dada por (d¿¿ s)¿ , esta separación es la misma para todos los directores seguidos del director primario por lo que solo se calcula una vez.

d s=0.11 λ

Donde λ=0.5752mpor lo tanto

d s=0.11 (0.5752m )=0.0632m≅ 6.3cm

Longitudes de elementos

Elemento Longitud [cm]

Radiador (L¿¿ R)¿ 29.00

Dipolo Activo (LD) 27.00

Director (LD1) 26.45





Tabla 1. Longitud de elementos de la antena Yagi-Uda canal 22.

Separación de elementos

Elementos Longitud [cm]

Radiador-Dipolo Activo 8.6

Dipolo Activo- Directores 6.3

S 1.5

Tabla 2. Separación entre elementos de la antena Yagi-Uda canal 22.


Diagrama de antena Yagi-Uda Para canal 22

PATRÓN DE RADIACIÓN


Armado de la antena

MATERIAL

Un tramo de tubo cuadrado de 3/4 de pulgada. Un tramo de tubo circular de ¼ de pulgada. 6 tornillos 6 tuercas Un soporte para dipolo de plástico. tapones para tubo Lijas. Marcador Soldadura Pasta para soldadura

HERRAMIENTA

Flexómetro. Segueta. Taladro. Brocas milimétricas. Desarmadores (cruz y plano). Pinzas. Cautín.

Pasos realizados del armado de la antena Yagi-Uda

1) Paso 1

Se toma el tubo cuadrado de ¾ de pulgada, con ayuda del flexómetro se mide una longitud de 55 cm aprox., posteriormente se corta con la segueta.


Con las medidas obtenidas para los elementos de la antena se procedió a hacer 6 cortes más de varillas

2) Paso 2

Tomamos el flexómetro y marcamos el tubo cuadrado con un marcador para guiarnos donde posteriormente taladraremos con ayuda del taladro y broca milimétricas.

Guiándonos nuevamente de nuestros cálculos, marcamos las distancias alas que deberán estar separados los elementos entre sí.

De igual manera asemos unas marcas con ayuda del flexómetro y el marcador justo a la mitad de cada tubo circular para el reflector y los directores. Lo cual nos servirá para el armado de nuestra antena por medio de estos es como los sujetaremos.


3) Paso 3

Después de haber cortado los tubos, estos terminaron con imperfecciones las cuales se corrigieron con una lija, después se colocaron tapones en cada terminación de las varillas.

4) Paso 4

Ya teniendo todas las varillas cortadas y perforadas además de lijadas se procedio a armar la antena con ayuda de los desarmadores, ya que se sujetaron las varillas con tuercas.

5)Finalmente se colocó a una base

COSTO DE LA ANTENA


Costos de Material de Antena

Material Material usado

Costo de Material usado

Tubo Cuadrado

0. 57 m $ 30.00

Tubo Circular 2.00m $ 50.00

Cable Coaxial con puntas

5.00m $ 66.00

Tornillos y Pijas

10 $ 15.00

Soporte de plástico

1 $ 20.00

Acoplador para antena

1 $ 25.00

Total Total $ 206.00

Ya que se debe tomar en cuenta el trabajo, el tiempo dedicado, la investigación etc. La antena Yagi puede tener un costo desde los $200 hasta los $350 pesos.

CONCLUSIÓN


Al diseñar la antena Yagi-Uda para el canal 22, podemos detallar que el diseño de antenas para frecuencias VHF y UHF, la relación de la ganancia que se observo fue que entre mayor número de elementos de la antena, la ganancia obtenía correspondiente será mayor.

En el caso del patrón de radiación, es diferente dependiendo del tipo de dipolo activo, si es doblado, su posición (horizontal, transversal) y el ángulo de inclinación, también depende mucho del número de elementos que contiene la antena.

Bibliografía

Antenna Theory 2nd Edition 1997 Balanis

Propagación y Antenas Salmeron

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL


“ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA”

UNIDAD ZACATENCO

-INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA-

LABORATORIO DE RADIADORES ELECTROMAGNÉTICOS

PROYECTO FINAL

“ANTENA YAGUI-UDA”

PROFESOR: M.Cs. Pilar Guadalupe Gutiérrez Moreno

NOMBRE DE LOS INTEGRANTES:

Bonilla Vázquez Estefanía 2012300260

Meza Domínguez Daniel 2011300660

GRUPO: 5CM8

CALIFICACIÓN:

FECHA DE ENTREGA: 20/11/2013

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