Tabla de contenido de Arreglo de Antenas Yagi

1. Optimización de un Arreglo de Cuatro Antenas Yagi de 3 Elementos: Introducción
2. Optimización de un Arreglo de Cuatro Antenas Yagi de 3 Elementos: Configuración Horizontal
3. Optimización de un Arreglo de Cuatro Antenas Yagi de 3 Elementos: Configuración Vertical
4. Optimización de un Arreglo de Cuatro Antenas Yagi de 3 Elementos: Configuración como matriz 2×2

Esta es la última configuración que vamos a analizar y para ello se colocaron 4 antenas formando una matriz de 2×2 como se muestra en la figura 9.

Figura 9. Configuración como matriz 2×2

Una ventaja a imple vista de esta configuración es que nos permite reducir el espacio ocupado por el arreglo, pero más adelante veremos que sus ventajas van más allá del espacio físico.

Este arreglo, como es de esperar, posee características de las dos configuraciones anteriores, ya que nos da una buena ganancia, buena ración delante-atrás y un ancho de haz aceptable. Es esta disposición de las antenas la que hemos visto más recomendable de implementar. Los valores obtenidos en la simulación se presentan en la tabla 4, y los diagramas de radiación con , se muestran en la figura 10.

Tabla 4

Figura 10a. Separación

Figura 10b. Separación

Figura 10c. Separación

Figura 10d. Separación

Figura 10e. Separación

Figura 10f. Separación

Figura 10g. Separación

Figura 10h. Separación

Figura 10i. Separación

Figura 10j. Separación

Figura 10k. Separación

Figura 10m. Separación

Figura 10n. Separación

Analizando las tablas podemos darnos cuenta que existe un punto en el que las características obtienen sus mejores valores, ese punto es cuando la separación es . Con estas dimensiones tenemos una ganancia de un poco más del doble de la que se obtiene con una sola antena, la relación delante-atrás aumentó cerca de cuatro veces y el ancho de haz disminuyó un 33%, es decir, hemos logrado mejorar considerablemente nuestro sistema de radiación con una disposición de las antenas en forma de matriz de 2×2.

Además, se debe señalar que el punto en el que se encontró el mejor resultado es con una separación vertical de , que es igual al que se obtuvo en la configuración horizaontal de , que se encuentra cerca de la distancia que nos dio los mejores resultados en la configuración horizontal.

Existen otras separaciones que también dieron muy buenos resultados pero solo mejoraban una de las características analizadas, es por eso que el uso de una determinada separación o configuración queda a criterio de la persona que lo va a implementar y dependerá de los parámetros que desee mejorar.

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Tabla de contenido de Arreglo de Antenas Yagi

1. Optimización de un Arreglo de Cuatro Antenas Yagi de 3 Elementos: Introducción
2. Optimización de un Arreglo de Cuatro Antenas Yagi de 3 Elementos: Configuración Horizontal
3. Optimización de un Arreglo de Cuatro Antenas Yagi de 3 Elementos: Configuración Vertical
4. Optimización de un Arreglo de Cuatro Antenas Yagi de 3 Elementos: Configuración como matriz 2×2

En la configuración vertical se colocaron 4 antenas idénticas a lo largo del eje z como se muestra en la figura 7.

Figura 7. Configuración Vertical

Este tipo de configuración os permite estrechar en gran medida el ancho de haz ene l plano de elevación (plano xz), ya que de acuerdo a las mediciones se obtuvieron valores alrededor de los 20º; pero en cambio ensancha el ancho de haz en el otro plano (), como se ve en la taba 3 y en la figura 8.

En este caso, al ver que los resultados mejoraban al disminuir la separación, se decidió salirse del rango que se estableció inicialmente y se simuló hasta una separación de , esperando que los resultados siguieran mejorando; pero como lo muestra la tabla, las características empezaron a decaer. A continuación se presentan los datos obtenidos en la simulación (tabla 3) y los diagramas de radiación a un corte de (figura 8):

Tabla 3

Figura 8a. Separación

Figura 8b. Separación

Figura 8c. Separación

Figura 8d. Separación

Figura 8e. Separación

Figura 8f. Separación

Figura 8g. Separación

En este caso, podemos ver que se obtienen ganancias mucho mayores que en la configuración anterior, llegando a obtener un máximo de 13.4 dBi cuando la separación es de . Además, la relación delante-atrás también mejora considerablemente a esta separación, con un valor de 10.6 dBi.

Concluimos que en una configuración vertical se obtienen niveles de ganancia y relación delante-atrás muy buenos. No obstante, el ancho de haz no ha mejorado con respecto al de una sola antena. También podemos decir que la separación más adecuada en este caso es de , ya que es allí donde se obtienen los mejores resultados.

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1. Optimización de un Arreglo de Cuatro Antenas Yagi de 3 Elementos: Introducción
2. Optimización de un Arreglo de Cuatro Antenas Yagi de 3 Elementos: Configuración Horizontal
3. Optimización de un Arreglo de Cuatro Antenas Yagi de 3 Elementos: Configuración Vertical
4. Optimización de un Arreglo de Cuatro Antenas Yagi de 3 Elementos: Configuración como matriz 2×2

Como se describió anteriormente, en este tipo de configuración colocamos 4 antenas idénticas ubicadas a lo largo del eje, como se muestra en la figura 5.

Figura 5. Configuración horizontal

En este caso la separación mínima entre cada antena es de ya que al ser menos puede existir contacto entre ellas. Los resultados obtenidos luego de la simulación se muestran en la tabla 2 y los cortes en se muestran en la figura 6.

Tabla 2

Figura 6a. Separación

Figura 6b. Separación

Figura 6c. Separación

Figura 6d. Separación

Figura 6e. Separación

Figura 6f. Separación

Como podemos ver, la configuración horizontal nos permite estrechar considerablemente el ancho de haz en el plano en el que se encuentra apoyado el arreglo (plano xy), pero en cambio aumenta en el plano perpendicular (plano xz), llegando a un promedio de 70º. Además cabe resaltar que es en esta configuración en la que se obtiene el ancho de haz más estrecho. Asimismo, podemos ver un aumento de la ganancia a medida que se amplía la separación, pero la relación delante-atrás no mejora al aumentarla, sino que existe un punto en el cual llega a su máximo que es 5dBi, fuera del cual disminuye.

Concluimos que la separación más idónea para este tipo de configuración es de .

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2. Optimización de un Arreglo de Cuatro Antenas Yagi de 3 Elementos: Configuración Horizontal
3. Optimización de un Arreglo de Cuatro Antenas Yagi de 3 Elementos: Configuración Vertical
4. Optimización de un Arreglo de Cuatro Antenas Yagi de 3 Elementos: Configuración como matriz 2×2

Este estudio fue realizado y escrito algunos años atrás por Gabriel Vire ayudado por quien lo postea, Francisco Sandoval, bajo la tutoria del Ing. Marco Morocho. Y fue publicado en la Revista en Cortocircuito #10.

Las antenas Yagi son utilizadas en muchas aplicaciones como: recepción de señales de TV, repetidores en las bandas de telefonía celular, comunicaciones rurales, etc. Su popularidad se debe a la simplicidad del diseño, facilidad y bajo costo en la construcción y a los relativamente buenos resultados que presenta.

El fin de esta serie de posts es servir de ayuda para que la persona que ha decidido colocar un arreglo de antenas para su sistema de transmisión, pero se encuentre con la dificultad de cómo colocarlas, pueda encontrar aquí la solución dependiendo de las características que desee mejorar con su arreglo.

Para nuestro trabajo utilizamos una antena Yagi de tres elementos como la mostrada en la figura 1. La antena fue cortada para una frecuencia de 467.75 MHz (). Las medidas fueron basadas en el documento Antenna Desgner’s Notebook de Hal Schrank.

Figura 1. Antena Yagi de 3 elementos.

Las tres distintas configuraciones analizadas en esta serie se muestran en las figuras 2a, 2b y 2c. Como es posible observar, el parámetro que se desea obtener o del cual depende los resultados de este arreglo es la separación d entre las antenas. La determinación del rango de separación se encuentra basada en el documento “Comparación analítica de arreglos de antenas Yagi por los métodos de momentos y multiplicación de patrones” de R. Neri-Vela, L.A. Valiente-Montaño y V. Hernández-Solís, en el cual recomienda una separación de entre y , debido a que al estar más cerca, las antenas harían contacto entre sí, y al estar más lejos se hace menos evidente las propiedades de los arreglos.

Figura 2a. Configuración horizontal.

Figura 2b. Configuración vertical

Figura 2c. Configuración en matriz 2×2

Como es posible apreciar en la figura 2c, existen dos separaciones d1 y d2 las cuales hemos variado independientemente dentro del rango, como se verá más adelante es en este tipo de configuración en donde se obtienen los mejores resultados en ganancia, ancho de haz y relación delante-atrás.

La alimentación de las antenas es en paralelo y sin ningún desfase.

Para poder determinar que tan bueno es nuestro arreglo y si en realidad nos está sirviendo para mejorar las características de radiación, lo hemos comparado con los resultados obtenidos al simular un solo elemento del arreglo de manera aislada, es decir, al simular una sola antena, en la figura 3 podemos ver la antena tal y como se la diseña en SuperNec. Los resultados obtenidos en lo que respecta a las características que se analizan se muestran en la tabla 1 y en la figura 4, donde podemos ver un corte en .

Figura 3. Antena Yagi de 3 elementos en SuperNec.

Tabla 1

Figura 4. Corte en

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Tabla de contenido de Microcinta: Parche Rectangular

1. Microcinta Parche Rectangular: Análisis [Parte I]
2. Microcinta Parche Rectangular: Análisis [Parte II]
3. Microcinta Parche Rectangular: Diseño
4. Microcinta Parche Rectangular: Ejemplo de Diseño
5. Microcinta Parche Rectangular: Simulación

Con los datos obtenidos en el post anterior, se procede a evaluar el diseño realizando una simulación de la antena obtenida, en la herramienta Microware Office. La versión del software es la 5. Si usted cuenta con otra versión puede variar algunas de las instrucciones que a continuación se exponen.

En primera instancia, para ingresar los datos de las dimensiones y las características del dieléctrico, cree una nueva estructura EM, ya sea utilizando la barra de herramientas o a través de Project/add EM structure/new EM structure. Ingrese el nombre que desea a la estructura.

A continuación para ingresar las dimensiones, doble clic en Enclosure, opción que puede encontrar en la barra de herramientas o en el navegador de proyectos luego de expandir EM structures y su nueva estructura. O si prefiere por Structure/Enclosure.

Ya en la ventana Substrate Information (Figura 1) ingrese los datos de las diferentes ventanas según las figuras 1, 2, y 3.

Cabe recordar que por lo general la primera capa se la establece como aire por ende la constante dieléctrica es =1.

Figura 1. Ingreso de datos, pestaña Enclosure

Figura 2. Ingreso de datos, pestaña Dielectric Layers

Figura 3. Ingreso de datos, pestaña Boundaries

Siguiendo con la introducción de los datos, se traza en la capa del dieléctrico el Patch conductor y la alimentación. Para lo cual escoja el conductor rectangular (rect conductor) de la barra de herramientas o a través de Draw/Add rect conductor y dibuje un rectángulo de dimensiones LxW. A continuación introduzca el punto de alimentación por medio de Draw/Add Via Port. Luego de esto usted debe apreciar algo similar a la figura 2.

Figura 4. Introducción del parche conductor y el punto de alimentación.

Una vista 3D de la antena se presenta a continuación:

A partir de aquí se introduce los datos necesarios para la presentación de los resultados. Primero, usted puede establecer a su conveniencia el rango de frecuencia en el cual va a realizar el análisis. Para lo cual ingrese a través de Structure/Frecuency a la ventana option. Para modificar los rangos por defecto deseleccione la opción Use Project frecuency y establezca los rangos en el cuadro Modify Range. Para este ejemplo los rangos son los mostrados en la figura 6.

Figura 6. Rangos de frecuencia.

Como siguiente paso, defina las gráficas que desea apreciar como resultado de su simulación. Las opciones no son pocas. Para este ejemplo se realizarán tres gráficas.

a.- Gráfica pérdidas de retorno vs frecuencia.

En la barra de herramientas, haga clic en Add Graph o través de Project/Add Graph. Modifique el nombre si o cree conveniente, y escoja el tipo de gráfica rectangular. En la barra de herramientas, Add Measurement y seleccione las opciones respectivas según se indica en la gráfica siguiente. No olvide la Data Source adecuada y seleccionar la opción dB en el Result Type.

Figura 7. Add Measurement

b.- Gráfica de polarización

Agregue una nueva gráfica de acuerdo al paso anterior. Esta vez escoja el tipo antena plot. Incluya las dos medidas que se muestra en las gráficas siguientes. Ingréselas a través de apply.

Figura 8

Figura 9

c.- Gráfica de Potencia

Agregue una nueva gráfica de tipo antena plot. E ingrese los siguientes datos de medida.

Figura 10

Para obtener los resultados finales, haga clic en analizar.

Los resultados obtenidos se presentan a continuación:

Figura 11. Pérdidas por Retorno vs Frecuencia

La gráfica de RL vs. Frecuencia nos indica que para la frecuencia seleccionada, existe el menor valor de perdidas por retorno.

Este valor ayuda a calcular el ancho de banda de operación de la antena, así como el punto de alimentación.

Figura 12. Polarización

Donde:

• Línea azul representa, Polarización circular a derechas (RHCP): Esta polarización es una combinación lineal de y , de la siguiente manera: