• Author / Uploaded
• LuisColina

Citation preview

Universidad Católica Andrés Bello Facultad de Ingeniería Escuela Ingeniería de Telecomunicaciones Cátedra: Antenas Profesora: Diana Londoño

Elaboración de una Antena Yagi

Integrantes:  Camacho, María.  Prieto, Ahmed.  Torres, Roxana.

Caracas, 23 de Enero de 2013.

Introducción Una antena es un dispositivo diseñado con el objetivo de emitir o recibir ondas electromagnéticas hacia el espacio libre. Una antena transmisora transforma voltajes y corrientes provenientes de líneas de transmisión en ondas electromagnéticas y una receptora la función inversa. Una de las características más importantes de una antena es la relación entre su dimensión y la longitud de onda de la señal de radiofrecuencia transmitida o recibida. En particular, para este proyecto se realizará la construcción de una antena de tipo Yagi, la cual se utiliza extensamente en los sistemas de comunicaciones en las bandas de HF (High Frecuency), VHF (Very High Frecuency) y UHF (Ultra High Frecuency). La antena Yagi consiste de un elemento excitado, que suele ser un dipolo o un dipolo doblado, un reflector y varios elementos parásitos o directores, situados frente al elemento excitado (Ver figura 1).

Figura 1. Diagrama de una antena Yagi. Una antena Yagi básica consiste en un cierto número de elementos rectos que miden cada uno aproximadamente la mitad de la longitud de onda. El elemento excitado o activo de una Yagi es el equivalente a una antena dipolo de media onda con alimentación central. En paralelo al elemento activo, y a una distancia que va de 0,2 a 0,5 longitudes de onda en cada lado, hay varillas rectas o alambres llamados reflectores y directores, o simplemente elementos pasivos. Un reflector se ubica detrás del elemento activo y es

ligeramente más corto que media longitud de onda. La antena propaga la energía del campo electromagnético en la dirección que va desde el elemento activo hacia los directores, y es más sensible a la energía electromagnética entrante en esta misma dirección. Cuantos más directores tiene una Yagi, mayor será su ganancia. Las antenas Yagi son utilizadas principalmente por los enlaces Punto a Punto, tienen una ganancia desde 10 a 20 dBi y un ancho de haz horizontal de 10 a 20 grados. Esta antena funciona debido a la corriente que circula en el elemento alimentado que irradia un campo electromagnético, el cual induce corrientes en los elementos parásitos de la antena. Las corrientes inducidas en esos elementos irradian también campos electromagnéticos que a su vez inducen corrientes en los demás. Finalmente la corriente que circula en cada uno de los elementos es el resultado de la interacción entre todos los elementos parásitos y el elemento activo. La fase de la corriente que circula en el elemento parásito dependerá de la distancia entre los dos elementos y de la longitud y diámetro de este último. En otras palabras tiene como función principal modificar el patrón de radiación de dicho dipolo enfocando la energía hacia un punto de tal forma de hacerla más directiva. Hay que tomar en cuenta diferentes factores para que dicho artefacto pueda trabajar de la forma más óptima posible, tal es el caso de los materiales, el tamaño tanto de los elementos parásitos como del dipolo, entre otros. En el presente trabajo se explicará de forma detallada cada uno de los pasos que se deben seguir para la elaboración de una antena Yagi de alta frecuencia.

Marco Teórico Antenas Yagi Las antenas Yagi se componen de un arreglo de elementos independientes de antena, donde solo uno de ellos transmite las ondas de radio. El número de elementos (específicamente, el número de elementos directores) determina la ganancia y directividad. Las antenas Yagi no son tan direccionales como las antenas parabólicas, pero son más directivas que las antenas panel.

Figura 2. Patrón de Radiación en Elevación Yagi.

La antena Yagi básica consiste en un cierto número de elementos rectos que miden cada uno aproximadamente la mitad de la longitud de onda. El elemento excitado o activo de una Yagi es el equivalente a una antena dipolo de media onda con alimentación central. En paralelo al elemento activo, y a una distancia que va de 0,2 a 0,5 longitudes de onda en cada lado, hay varillas rectas o alambres llamados reflectores y directores, o simplemente elementos pasivos. Un reflector se ubica detrás del elemento activo y es ligeramente más largo que media longitud de onda; un director se coloca en frente del elemento activo y es ligeramente más corto que media longitud de onda. Una Yagi típica

tiene un reflector y uno o más directores. La antena propaga la energía del campo electromagnético en la dirección que va desde el elemento activo hacia los directores, y es más sensible a la energía electromagnética entrante en esta misma dirección. Cuantos más directores tiene una Yagi, mayor la ganancia.

Elementos de antena Yagi: 

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 clasifican en Reflectores y Directores.



Reflector. 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. Incrementa(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 está dada por: G = 10 log n (6.2) Donde n es el número de elementos a considerar. El elemento de excitación es un dipolo plegado de media longitud de onda. El reflector es una barra recta de aluminio aproximadamente 5%más larga que el dipolo, y el director se corta aproximadamente 5%.

Propiedades eléctricas de Antena Yagi 

Tensión y corriente Siendo una evolución del dipolo, el punto medio del elemento conductor es

un nodo de tensión y un vientre de corriente. Los reflectores y directores, pese a no estar directamente alimentados, también tienen tensiones y corrientes.



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. 

Alimentación Para respetar la adecuación entre la impedancia de la antena y la impedancia de la

línea de transmisión se utilizan distintos tipo de alimentación. o

Alimentación asimétrica por cable coaxial: adaptación gamma

o

Alimentación simétrica por cable bifilar: adaptación delta

A veces es necesario interponer un simetrizador o balún para asegurar y para adaptar la impedancia de la antena yagi. 

Polarización

o

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.

o

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.

o

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.



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

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.

En fórmula: Donde: -> Reactancia Inductiva -> Reactancia Capacitiva -> Pulsación -> Frecuencia La frecuencia de resonancia será aquella para la cual se cumple que XL = XC, y resulta:

=> Resultando un circuito resistivo puro.

Objetivos Objetivo general: 

Diseño y funcionamiento de una antena Yagi para una frecuencia de 2,4 GHz. Objetivos específicos:



Utilizar los conocimientos adquiridos en la materia para la elaboración de la antena.



Comprobar el correcto funcionamiento de la antena.

Cálculos teóricos



Cálculo de la longitud del balún:

Largo del balún=

15000 𝑥 𝐹𝑣 𝑓

[𝑐𝑚] =

15000 𝑥 0,66 2400

=4,125 [cm]

Fv= Factor de velocidad del cable coaxial. f= Frecuencia en MHz.

Figura 3. Balún.



Longitud de Onda:

λ=

𝑐 𝑓

=

300∗106 𝑚/𝑠 2400∗106 1/𝑠

= 0,125 m

Donde c representa la velocidad de la luz y f la frecuencia de trabajo.



Longitud del dipolo:

ld=

𝜆 2

=

12,5 𝑐𝑚 2

= 6,25 cm

Pasos para la elaboración de una Antena Yagi Lo primero que vamos a señalar son los materiales y herramientas que utilizamos para la realización de dicha antena: 

Taladro.



Mechas (0.6 cm).



Palo de madera (2.5 cm de diámetro)



Segueta



Silicón



Cable coaxial



Conector de cable coaxial



Alambre de cobre (2mm de diámetro) El primer paso fue cortar el palo de madera de 2.5 cm de diámetro, el cual utilizaríamos

como BOOM. La longitud de este será de aproximadamente 85 cm, para esto utilizamos la segueta. Una vez cortado a la medida que necesitábamos, se utilizó el alambre de cobre para diseñar tanto el reflector como los directores, los cuales son del mismo diámetro (2mm). El reflector se cortó con una longitud de 100 mm y los directores (11 en total) con una longitud de 70 mm cada uno. En la figura se muestran las medidas exactas donde se colocaron los reflectores, el director y el dipolo.

Figura 4. Medidas para el diseño de la antena Yagi.

Figura 5. Reflector, directores y dipolo de la antena.

Al tener ya los directores y el reflector, se procedió a hacer marcas en el BOOM con la ayuda de un taladro y una mecha de 0,6cm de diámetro, previamente habiendo señalado con un lápiz la distancia a la que estaría ubicado cada director y reflector.

Luego, para hacer el dipolo se dobló un trozo del alambre de cobre en forma de elipse achatada hasta que la longitud del mismo fuera de 6,25 cm de ancho.

Una vez medidos y cortados todos los elementos a colocar en el BOOM procedimos al armado, colocando cada director en su lugar, reflector y dipolo. Luego con silicón fijamos cada una de esas piezas en su posición, para mayor precisión en la utilización de la antena.

Por último, se soldó un pedazo de cable coaxial entre las puntas del dipolo (Ver Figura 7) y a uno de sus extremos se colocó otro cable coaxial el cual tiene en su otro extremo un conector para probar el funcionamiento de la antena en el laboratorio.

Figura 6. Balún.

Figura 7. Balún soldado al dipolo.

Figura 8. Antena Yagi.

Al realizar las pruebas en el laboratorio se obtuvo el siguiente resultado en el osciloscopio:

Figura 9. Señal del osciloscopio al probar la antena Yagi.

Frecuencia teórica (GHz)

Frecuencia práctica (GHz)

2,4

2,24

Tabla 1. Frecuencia teórica y Frecuencia práctica obtenida al probar la antena en el laboratorio.

Costos PARTE

UNIDAD

CANT. P. UNITARIO (BsF) P. TOTAL (BsF)

Cable coaxial

mts

2

7.5

15

Conector

Pieza

1

15

15

Alambre de cobre

mts

2

10

20

Palo de madera

Pieza

1

15

15

Silicón

Barra

1

10

10

Tie wrap

Pieza

2

1,5

3

Total Materiales (Bsf): MANO DE OBRA

78

Costo (BsF)

Costo total (Bsf)

Horas de investigación

3

200

600

Horas de elaboración

3

250

750

Total Mano de obra (Bsf): Total Materiales + mano de obra (Bsf):

1350

78+1350 = 1.428

Tabla 2. Costos para la elaboración de una Antena Yagi.

Conclusiones La elaboración de esta antena nos dejó como aprendizaje que la antena Yagi es un instrumento de telecomunicación relativamente fácil y económico de

elaborar con

materiales que se pueden encontrar en cualquier ferretería y para su montaje se pueden utilizar instrumentos de uso casero, siempre y cuando se cuente con los cálculos teóricos respectivos, tomando en cuenta elementos como la directividad, el patrón de radiación, la polarización y la ganancia. Este tipo de antenas son de gran utilidad ya que nos permiten recibir información en distintos tipos de banda como los son HF (High Frecuency), VHF (Very High Frecuency) y UHF (Ultra High Frecuency) con bastante claridad.

Por último, se puede decir que los objetivos planteados para este proyecto fueron logrados satisfactoriamente, ya que al probar la antena elaborada en el laboratorio se pudo observar que efectivamente funcionaba para frecuencias ubicadas alrededor de 2,4 GHz.

Referencias Bibliográficas 

Sistemas de telecomunicación / Constantino Perez Vega, José M° Zamanillo Sáinz de la Maza, Alicia Casanueva López. Textos Universitarios Universidad de Cantabria, Ingenierías. 2007.



Redes Inalámbricas en los países en desarrollo / Limehouse Book Sprint Team. 2007.



http://img16.imageshack.us/img16/9445/antenayagiwifi.pdf