6.2. ANTENA YAGI-UDA. 133 Figura 6.5: Antena multibanda con carga en la base. 6.2. Antena Yagi-uda. La antena más popular entre los acionados que quieren mejorar su estaci ón, es la antena Yagi o con elementos. Esta antena fue 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 otra antena de la misma potencia. Antena constituida por varios elementos paralelos y coplanarios, directores, activos y reectores, utilizada ampliamente en la recepción de señales televisivas. Los elementos directores dirigen el campo eléctrico, los activos radian el campo y los reectores lo reejan. 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. Los elementos de esta antena son los siguientes: Elementos de excitación. Pueden ser activos o excitados, estos se conectan directamente a la línea de transmisión y reciben potencia de la fuente. Elementos parásitos. No se conectan a la línea de transmisión y reciben la energía a través de la inducción mutua. Estos elementos se clasican en Reectores y Directores. Reector. Elemento parásito más largo que el elemento de excitación. Reduce la intensidad de la señal que está en su dirección e incrementa la que está en dirección opuesta. Director(es). Elemento(s) parásito(s) más corto(s) que su elemento de excitación. Incre- menta(n) la intensidad del campo en su dirección y la reduce(n) a la dirección opuesta. Los elementos no activos se denominan parasíticos, la antena yagi puede tener varios elementos activos y varios parásitos. Su ganancia esta dada por: G = 10 log n Donde n (6.2) es el número de elementos por considerar. El elemento de excitación es un dipolo plegado de media longitud de onda. El reector es una barra recta de aluminio aproximadamente 5 % más larga que el dipolo, y el director se corta aproximadamente 5 % CAPÍTULO 6. ARREGLOS DE ANTENAS. 134 Figura 6.6: Elementos de una antena Yagi-Uda más corto que el elemento de excitación. El espacio entre los elementos por lo general es entre 0.1 y 0.2 de longitud de onda. En la siguiente gura se muestra el patrón de radiación para una antena Yagi. La directividad típica para una Yagi es entre 7 y 9 dB. El ancho de banda de la Yagi se puede incrementar utilizando más de un dipolo plegado, cada uno cortado a una longitud ligeramente distinta. Situando un elemento de media longitud de onda a una distancia de cuarto de onda de un dipolo excitado, la onda radiada por el dipolo llega a este elemento desfasada en un tiempo igual al cuarto de período de la onda, produciendo en él una corriente inducida; esta corriente tiene un sentido tal, que el campo producido se opone al campo inductor, producié ndose un desfase de un semiperíodo. De nuevo este campo, al volver al dipolo, se desfasa un cuarto de período; si sumamos todos los desfases, vemos que la onda vuelve al dipolo en fase con la onda que circula por é l, sumándosele. El elemento añadido necesita una cierta energía para vibrar, energía que toma de la radiada por el dipolo, recibiendo por este motivo el nombre de elemento parásito. En el caso de que tenga mayor longitud que el dipolo excitado, se comporta como reector y en el caso de que sea más corto actúa como director. En una antena de este tipo llamamos dipolo al elemento que está conectado a una línea de transmisión. La longitud del dipolo y demás elementos está determinada por la fórmula normal de cálculo del dipolo. La modicación del elemento parásito provoca, si se alarga, una reactancia inductiva y si se acorta, una reactancia capacitiva. Al modicar su longitud respecto al dipolo, provoca una variación en el desfase de la onda, permitiendo reducir la separación entre dipolo y elemento. Si la medida del elemento parásito es la misma que el dipolo y existe una separación entre ellos de 0.15 longitudes de onda, la antena da dos ganancias iguales, una hacia delante y la otra hacia atrás. Para una distancia mayor, el elemento parásito se comporta como reector y para menos de 0.15 longitudes de onda como director. 6.2. ANTENA YAGI-UDA. 135 Figura 6.7: Patrones de radiación de una antena Yagi. Un dipolo en presencia de elementos parásitos tiende a disminuir su resistencia cuando las distancias son cortas. Para un elemento director de 0.1 longitudes de onda, la impedancia del dipolo queda reducida a 15Ω , aumentando a medida que se separan; cuando las separaciones superan la longitud de onda, la impedancia del dipolo aumenta. La antena más simple con elementos parásitos o antena Yagi, es la formada por el dipolo y un elemento pasivo. Cuando éste tiene la misma longitud que el elemento dipolo acabamos de ver su comportamiento, pero si la longitud del elemento pasivo aumenta en un 5 % o queda más distanciado, pasa a actuar como reector, disminuyendo el lóbulo de radiación trasero para reforzar el delantero y obtener una ganancia en esta dirección de 6 dB aproximadamente. Si disminuimos la longitud primitiva del elemento pasivo en un 5 %, actuará como director teniendo el mismo lóbulo de radiación que en el caso anterior. Normalmente para el cálculo de estos elementos de antena podemos partir de las siguientes formulas: 145 F (M Hz) 148 Ref lector = F (M Hz) 138 Director = F (M Hz) Dipolo = Para cada espaciamiento hay que buscar la medida óptima del elemento pasivo, osea, que puede ocurrir que tengamos que aumentar o disminuir en un 3 o 5 % el reector o director, según su separación del dipolo. Al estar el elemento pasivo cerca del dipolo, se produce sobre él una sintonía hacia la frecuencia más alta de la calculada, por lo que se tendrá que alargar. La ganancia máxima se obtiene cuando el elemento pasivo actúa como director y está a 0.15 longitudes de onda del dipolo. En algunos casos, en vez de la máxima radiación hacia delante, lo que interesa es aprovechar las propiedades de estas antenas y tener otro máximo que afecte a la relación delante detrás. CAPÍTULO 6. ARREGLOS DE ANTENAS. 136 Figura 6.8: Patrón de radiación de una antena Yagi Para evitar las interferencias que puedan aparecer detrás de la antena, interesa que el lóbulo posterior sea lo más pequeño posible, cosa que se logra variando la separación del reector o director del dipolo, o bien aumentando o disminuyendo la longitud del reector o director. La anchura de banda de la antena aumenta cuando el Q de la misma disminuye, lo cual se obtiene haciendo los elementos lo sucientemente gruesos; para las bandas de HF una relación longitud/diámetro de 300 a 400 da suciente anchura de banda para poder trabajar los kHz que hay en estas bandas; también la separación entre elementos afecta al Q de la antena, y por tanto a su anchura de banda. Si le añadimos un tercer elemento, tendremos una antena Yagi de tres elementos compuesta por reector, dipolo y director. Lo dicho para la situación de los elementos parásitos de la antena anterior, sirve para esta antena; la impedancia del dipolo baja la mitad de la que tenía para la de dos elementos, llegando a 10Ω para separaciones de 0.13 a 0.2 longitudes de onda para el reector y de 0.1 para el director. Estas medidas son para el caso de máxima ganancia, menor impedancia y mínima anchura de banda. Una separación del reector a 0.25 longitudes de onda da una mayor anchura de banda y mayor impedancia. 6.2.1. Antena Yagi de 5 elementos BANDAS FRECUENCIA 144 MHz METROS 2 m Ejemplo 6.1 ANTENA YAGI (2 X 7 ELEMENTOS) 6.2. ANTENA YAGI-UDA. 137 Figura 6.9: Esta antena en la sencillez y la ecacia ; por ello ha sido adoptada por muchos adeptos de la banda de 70 cm. Su realización nos muestra que los ramales parásitos son los de una Yagi de doble conjunto asociados a un elemento radiador del tipo esqueleto. BANDAS FRECUENCIA 432MHz METROS 0.70m Figura 6.10: los dos travesaños son obligatoriamente varillas de bra de vidrio de 85cm de longitud de modo que respeten las siguientes separaciones : A = 13.3cm B = 12.7cm C = 12.7cm D = 12.7cm E = 12.1cm 12.4cm Los elementos son de alambre o tubo de 3mm, de cobre y cortados como sigue F = CAPÍTULO 6. ARREGLOS DE ANTENAS. 138 L1 =26.7cm L2 =27.3cm L3 =27.6cm L4 =27.9cm L5 =28.6cm L6 =35.5cm En cuanto al esqueleto y a la delta de adaptación, son de tubo de cobre de 5mm, de las dimensiones de la gura. El cable coaxial de 75Ω se ja a la parte corta de línea paralela nal 51mm . Su ganancia es de 13dB, lo cual es muy notable dada la poca ocupación de espacio y el poco peso de esta antena. Figura 6.11: Ejemplo 6.2 Antena Yagi de 16 elementos BANDAS FRECUENCIA 144 MHz METROS 2 m Al alargar las antenas Yagi más allá de 13 elementos para obtener mayor ganancia y, habida cuenta del problema mecánico planteado por la construcción de antenas largas, se ha limitado la construcción a los aéreos de boom corto. Ello conducía a acoplar varias capas semejantes para aumentar la ganancia. Está solución es muy interesante desde el punto de vista de la ganancia, pero la interacción de los aéreos ( superpuestos y yuxtapuestos) así como las dicultades de acoplamiento no dan un diagrama de radiación regular. Aparecen frecuentemente lóbulos laterales indeseables. Una larga práctica de las antenas ha demostrado que la investigación que en el sentido de la Yagi larga era interesante y rentable. En efecto, la ganancia sigue creciendo hasta una veintena de elementos a condición de que la separación sea bastante grande. Por ello se ha estudiado y realizado está antena de 16 elementos. Se ha observado que el número de elementos inuye innitamente menos que la longitud total de la antena. Así se han llevado a cabo medidas comparativas con tres aéreos diferentes, de los que uno tenia 18 elementos (separación 0,2 λ) y otro 16 elementos de la misma longitud (separación 0,25λ). Los resultados han sido los siguientes: DIPOLO Comparación medidas en dB s/dipolo µV 300 µV 380 µV 330 µV 70 λ λ 0,20 λ 9 elementos, separación 0,35 16 elementos, separación 0,25 18 elementos, separación Tensiones 12,5 dB 14,8 dB 13.5 dB 6.2. ANTENA YAGI-UDA. 139 Estos resultados conrman lo que se acaba de decir . En su disposición denitiva, la antena se presenta como sigue : Doble reector = 103 Dipolo (trombón ) = 96 Directores: A =97 cm B = 93 cm C y D = 92 cm E y F = 90 cm G y H = 88 cm I y J = 86 cm K y L = 84 cm M = 82 cm Figura 6.12: Las separaciones son las siguientes: BC-CD-DE-EF-FG-GH-HI-IJ-JK-KL = 0,25 Reector - trombón = 0,2 λ λ Trombón-1er director (A) = 0,1 λ λ λ AB = 0,15 LM = 0,2 Observaciones 1. Por qué dos reectores. Esta disposición mejora algo la relación adelante-atrás a condición de que estén en el mismo plano vertical y disten entre sí al menos 2. El primer director, a λ/10 λ/4. del trombón y algo más largo que éste, es la característica propia de las antenas TONNA (patente No 1.044.253 presentada en 1952). CAPÍTULO 6. ARREGLOS DE ANTENAS. 140 Las característica de esta antena, difundida con muy numerosos ejemplares y utilizadas por los autores, son las siguiente : Ganancia = 17,8 dB (sobre antena isotrópica). Impedancia = 75 Ω. TOS medio = 1,2/1 entre 144 y 146 MHz Relación adelante - atrás >20 dB. Relación adelante - costado >50 dB. Angulo de apertura : en -3 dB = 2 * 16 ◦ en -6 dB = 2 * 20 ◦ Realizada en aluminio, con boom de sección cuadrada, la antena sólo pesa 4,4 kg. Ejemplo 6.3 Antena direccional de tres elementos. Esta antena suele ser de dimensiones muy grandes y normalmente se emplea para las bandas de 10, 15 y 20 metros; para las demás bandas como 40 y 80 metros se utilizan con trampas intercaladas sobre los elementos para lograr su resonancia. Al igual que se hace con los dipolos simples, podemos hacer que las trampas resuenen a distintas frecuencias, intercalando varias de ellas en paralelo a lo largo del dipolo reector y director. Las longitudes de los elementos para separaciones de 0.15 longitudes de onda entre ellos se calculan de la siguiente manera: Esta antena tendrá una ganancia de 7.5 dB y una impedancia de 10Ω . Reduciendo la longitud del director y poniendo los elementos a una separación de 0.25 y 0.25 longitudes de onda, se logra una ganancia de 8.5 dB y una impedancia aproximadade 35Ω . Se puede obtener una ganancia de entre 9 y 10 dB añadiendo un nuevo director a la antena de tres elementos; la longitud de este director será de 130 a 135 dividido porla frecuencia en MHz. Con la adición de este nuevo director la impedancia queda reducida, pero se podrá aumentar algo la separación para que no inuya tanto. Si a esta antena de cuatro elementos se le añade otro director, la ganancia aumentara aproximadamente otro decibel, y así sucesivamente hasta cierto limite, a partir del cual la adición de nuevos elementos casi no inuye en la ganancia. Cabe hacer mención que a causa de la dependencia mutua de las variables que entran en las características de la construcción de estas antenas, los datos se obtienen por experimentación, siendo diferentes según la fuente de información. Proyecto 6.1 Diseño e implementación de una Antena Yagi. OBJETIVO. Realizar mediciones de los diferentes parámetros de este tipo de antena. ELEMENTOS REQUERIDOS. ADVERTENCIA. Los descritos en la tabla 6.1 Seguir las indicaciones dispuestas en el anexo CONSTRUCCIÓN. Para construir este tipo de antena se utiliza un soporte en tubo de hierro, los demás elementos de la antena se elaboran en tubos de aluminio. Para el diseño de esta antena se utiliza la aplicación de diseño de este tipo de antena Yagimax 2.21, o QUICKYAGI 4.0. En la gura siguiente se observa una antena Yagi de cuatro elementos.