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Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Electrotecnia y Computación

Recinto Universitario Simón Bolívar FEC Ingeniería Electrónica Antenas y Radio propagación Informe de Proyecto de Antenas Grupo 3T2

Elaborado: Bismarck Antonio Valle Vargas Pablo Josué Navarrete Montoya

Docente: Ing. Oscar Napoleón Martínez

Introducción

El estudio y diseño de antenas hoy día ha avanzado considerablemente, debido a que con el aumento de la capacidad de procesamiento de los computadores actuales, se logra obtener mediante simulaciones el patrón de radiación de las antenas con bajos márgenes de error y de manera rápida antes de implementarlas físicamente. Dado el avance de la tecnología, hoy en día se es capaz de hacer radioenlaces a grandes distancias, un enlace se forma con la unión de varios elementos, nosotros nos vamos a centrar en la parte de las antenas, específicamente en una antena Yagi Uda, ya que es muy direccional. Básicamente cualquier elemento puede ser una potencial antena y esto ocurre puesto que puede recibir y producir campos independientes de la magnitud en que lo hagan, esto se debe a que en todo material existen corrientes debido al movimiento de cargas sin importar su intensidad. De esta manera logramos diseñar una antena yagi para sintonizar los canales de la TV, debido a que es una antena mediana solo va a captar los canales universales que vienen del 2 al 13, esta es una antena para VHF, hace uso de un dipolo de media onda el cual le permite trabajar a las frecuencias deseadas. Por lo tanto las ondas de VHF tienen una longitud de onda entre 1 Metro y 10 Metros mientras que las de UHF tienen una longitud de entre 10 Centímetros y un Metro. La banda de VHF va desde los 30 MHz a los 300 MHz.

Objetivos del proyecto

Objetivo General Diseñar una antena para sintetizar los canales de T.V abierto y locales de la cuidad la antena alcanza una frecuencia máxima de 250 MHz Dicha antena tomara en cuenta la altura en donde se encuentre ubicada.

Objetivo Especifico Construir una antena de televisión económica de alta ganancia que abarque varias frecuencias y sea fácil en su uso e instalación al momento de utilizar la televisión.

Antena Yagi para sintonizar canales de televisión universal La antena de Yagi es una antena direccional, inventada por el japonés Hidetsugu Yagi y su ayudante Shintaro Uda, y patentada en 1926. Posee una estructura simple de dipolo, combinado con elementos parásitos, conocidos como reflector y directores, con muy alto rendimiento direccional. La definición formal de una antena es un dispositivo que sirve para transmitir y recibir ondas de radio. 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. En realidad una antena es un trozo de material conductor al cual se le aplica una señal y esta es radiada por el espacio libre. Para recibir una imagen de televisión de calidad, por supuesto necesitamos de un buen televisor y una antena muy buena. Nuestra antena es la que se encarga de atrapar las ondas de imagen y sonido. Se usan varios tipos de antenas para recibir estas señales. Para la elaboración de una antena Yagi a diferencia de la antena dipolo, es sumamente difícil modelizar con ecuaciones matemáticas este tipo de antenas. Por lo tanto, existen distintos programas de simulación numérica de antenas que permiten simular distintos diseños que permitirán una primera aproximación. Alimentación de la 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 Tipos de antena Yagi para Televisión   

Antena de TV Universal (canales 2 al 13) Antena de Alta Ganancia (señales extremadamente débiles): Un paso de la antena parabólica Antena Universal para recepción en UHF (canales 14 al 83)

En las emisiones de TV y radio FM se emplea onda directa, dando mayor estabilidad a la emisión. La antena de TV merece tanta más atención cuanto mayor sea la frecuencia del canal a sintonizar y además porque este circuito se halla a la intemperie. La intensidad de la señal transmitida se mide en el lugar donde se coloque la antena y se mide en μV, (tensión de RF y campo eléctrico de RF en μV/ (por metro).

Como mínimo la señal será de 350 a 500 μV, aunque algunos TV sólo usan 50 μV y menos en los canales 2 y 4 y con 100 μV en los canales 5 y 11.Ventajas y Desventajas

Ventajas 1.- La construcción de la misma es muy sencilla y barata. 2.- En pruebas podrá notarse como mejoran los reportes de las estaciones a las cuales la antena está apuntada, y como se empeoran los reportes de las estaciones que se encuentran detrás o a los lados de la antena (en comparación con una antena omnidireccional).

Desventajas - La alta direccionalidad de la antena, hace que su uso se limite solo a proyectos muy específicos, como por ejemplo cuando se quiere llegar a un repetidor lejano, o un satélite. - Otra desventaja de la antena es su fragilidad mecánica, ya que los elementos de la antena se pueden doblar o romper, lo que dificulta su transporte.

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Componentes de nuestra antena Yagi

La antena tiene 4 componentes: 1.- Un dipolo, es el elemento principal de la antena, pues es el encargado de captar la energía (ondas electromagnéticas). Esto lo puede hacer por la parte posterior o la anterior. En comparación, el dipolo doblado (el que se usa para recibir las estaciones de TV). 2.- Un elemento reflector La función de este elemento es impedir que el dipolo capte energía por la parte posterior (con esto se evita la imagen fantasma). De tal manera que el dipolo recibe señales en una dirección. (Agregar más de 1 o 2 reflectores no mejora significativamente el desempeño). 3.- Varios directores. Mientras más directores o elementos, mayor direccionalidad y ganancia de la antena. Se llama director a un elemento pasivo que proporciona ganancia en el sentido dirigido desde él hacia el elemento activo o irradiante y por lo general, es más corto (en longitud) que éste. Sin embargo, agregando elementos aumenta la ganancia pero a tasas decrecientes (pero el máximo de elementos aconsejables para una antena son diez). 4.- El boom, o soporte de los elementos. Este no juega ningún papel eléctrico importante en la antena, excepto el de soportar los elementos. Diseño de Antena Yagi (frecuencia en MHz) Reflector Dipolo

Directores

Nuestra antena va a contar con 5 directores un dipolo y un reflector y el boom que sirve de soporte para todos los elementos. Por razones mecánicas convienen elementos gruesos, mientras que por razones eléctricas convienen elementos lo más finos que sea posible.

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Dimensiones de la antena y Ubicación de los elementos:

Separacion Dipolo – Reflector: 0.18=

54 [m] f

Dipolo – 1er. Director: 0.09=

27 [m] f

Directores Consecutivos: 0.18=



Longitud Reflector

77.6 = ‫ג‬cm 

Longitud Dipolo

73.6 =‫ג‬cm

0.18 [m] f



Longitud 1er Director

69=‫ג‬cm 

Longitud 2do Director

69 =‫ג‬cm 

Longitud 3er Director

68=‫ג‬cm 

Longitud 4to Director

67=‫ג‬cm 

Longitud 5to Director

66=‫ג‬cm 

Separación Dipolo-Reflector

28=cm

‫ג‬ 

Separación Dipolo-1er Director

14=‫ג‬cm 

Separación entre directores

28=‫ג‬cm Espectro de la antena

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Dipolo de media onda

El dipolo de media onda lineal o dipolo simple es una de las antenas más ampliamente utilizadas, a este tipo de dipolo se le refiere por lo general como antena de Hertz ya que es una antena resonante. Ósea es un múltiplo de un cuarto de longitud de onda de largo y de circuito abierto en el extremo más lejano. Las ondas estacionarias de voltaje y de corriente existen a lo largo de una antena resonante.

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Polarización

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. La horizontal proporciona menos ruidos y perturbaciones espúreas y mayor alcance en transmisión. 

Ganancia

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 Ohm, 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. 

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.

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Directividad

La directivitad de una antena se define como “la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección, a una distancia dada, y la densidad de potencia que radiaría a esta misma distancia una antena isotrópica que radiase la misma potencia que la antena transmisora”.

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Cantidad 10 10 1 5 1 2 1 1 1

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Lista de Materiales y Herramientas que se utilizaron para la elaboración de la antena Materiales Objeto

Tornillos 1"1/2 mm de diámetro

Costo C$50

Herramientas 1 Alicate 1 Destornillador

C$30 C$163

1 Lima 1 Sierra 1 Taladro

Arandelas

Adaptador VHF-UHF Varillas de aluminio para crear los directores Varilla para el reflector Varillas cortadas a la mitad para hacer el dipolo Caja de plástico pequeña para adaptar el dipolo Tubo de aluminio de 1 pulgada de 1.65 cm Cinta de aislar Total Parámetros de la antena Antena YAGI

Ancho de Banda

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Frecuencia

250Mhz

Impedancia Caracteristica

50 Ohms

Ganancia

11 dB

Cinta Métrica Brocas C$13

Martillo

C$243.5

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C$34 C$533.5

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Conclusiones

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. La antena Yagi si tiene conexión eléctrica entre todos sus elementos. El diseño e implementación de una antena Yagi tiene costos accesibles, los cálculos para su diseño son operaciones aritméticas sencillas. 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. Se debe de tener cuidado al estar colocando los diferentes materiales en su respectivo lugar y se obtuvo el resultado deseado en cuanto a la recepción de señal.

Bibliografía 

KRAUS, John D. Antennas. New York: McGraw Hill, 1950. 553 p.

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BALANIS, Constantine A. Antenna Theory: Analisis and Design. New York: John Wiley and Sons, 1997. 941 p.

Glosario Frecuencia modulada (FM): Modulación de frecuencia es una modulación angular que transmite información a través de una onda portadora variando su frecuencia esta con la amplitud modulada o modulación de amplitud (AM), en donde la amplitud de la onda es variada mientras que su frecuencia se mantiene constante. En aplicaciones analógicas, la frecuencia instantánea de la señal modulada es proporcional al valor instantáneo de la señal moduladora. Datos digitales pueden ser enviados por el desplazamiento de la onda de frecuencia entre un conjunto de valores discretos, una modulación conocida como FSK. Modulación: información sobre una onda portadora, típicamente una onda sinusoidal. Estas técnicas permiten un mejor aprovechamiento del canal de comunicación lo que posibilita transmitir más información en forma simultánea, protegiéndola de posibles interferencias y ruidos. Interferencia: Es cualquier proceso que altera, modifica o destruye una señal durante su trayecto en el canal existente entre el emisor y el receptor. La palabra destrucción, en este caso, debe entenderse en el sentido de que las ondas cambian de forma al unirse con otras; esto es, después de la interferencia normalmente vuelven a ser las mismas ondas con la misma frecuencia. VHF: partir de los 50 MHz encontramos frecuencias asignadas, según los países, a la televisión comercial; son los canales llamados "bajos" del 2 al 13. También hay canales de televisión en UHF. Entre los 88 y los 108 MHz encontramos frecuencias asignadas a las radios comerciales en Frecuencia Modulada o FM. Se la llama "FM de banda ancha" porque para que el sonido tenga buena calidad, es preciso aumentar el ancho de banda. Reactancia inductiva: la reactancia inductiva es lo que se opone a la circulación de una corriente variable y justamente aparece por la circulación de esta corriente variable, ya sea alterna o continua pulsante, es de esperar que sus efectos sean más acentuados cuanto mayor sea la concentración de magnetismo en el inductor Reactancia: Se denomina Reactancia a la oposición ofrecida al paso de la corriente alterna por inductores (bobinas) o capacitores (condensadores) y se mide en Ohms. Cable coaxial: El cable coaxial fue creado en la década de los 30, y es un cable utilizado para transportar señales eléctricas de alta frecuencia que posee dos conductores concéntricos, uno central, llamado vivo, encargado de llevar la información, y uno exterior, de aspecto tubular, llamado malla o blindaje, que sirve como referencia de tierra y retorno de las corrientes. Entre ambos se encuentra una capa aislante llamada

dieléctrico, de cuyas características dependerá principalmente la calidad del cable. Todo el conjunto suele estar protegido por una cubierta aislante. Dipolo: Un dipolo es una antena con alimentación central empleada para transmitir o recibir ondas de radiofrecuencia. U.H.F: Uno de los servicios UHF más conocidos por el público son los canales de televisión tanto locales como nacionales. Según los países, algunos canales ocupan las frecuencias entre algo menos de 470 MHz y unos 862 MHz Actualmente se usa la banda UHF para emitir la TDT.