Tabla de contenido de Antenas Yagi

1. Antena Yagi: Principios Básicos
2. Antena Yagi: Funcionamiento del Parásito como Reflector o Director
3. Antena yagi: Diseño

Figura 1. Geometría de diseño en FEKO

Resultados del Diseño:

Figura 2. Diagrama de Radiación de antena Yagi

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Tabla de contenido de Antenas Yagi

1. Antena Yagi: Principios Básicos
2. Antena Yagi: Funcionamiento del Parásito como Reflector o Director
3. Antena yagi: Diseño

Cuando el parásito funciona como reflector, la ganancia máxima llega a 5 dB para una distancia dipolo-parasito de . Esta distancia no es crítica y entre y la ganancia disminuye poco. Para , la resistencia de radiación del dipolo es casi la misma que si el dipolo estuviera solo. La relación delante-atrás de la ganancia es del orden de 5 dB, siendo la radiación hacia atrás inferior en 1 dB a la del dipolo solo.

Cuando el parásito funciona como director, la ganancia máxima tiene lugar para una distancia dipolo-parasito de ; alcanza casi 6 dB. La ganancia hacia atrás es algo superior a la de una antena de media onda sola. La relación ganancia hacia adelante-ganancia hacia atrás es de unos 5 dB. La resistencia de radiación es muy pequeña, del orden de 13 ohm. La mejor relación delante-atrás se obtiene para una separación dipolo parásito de y alcanza 20 dB, pero la ganancia hacia adelante cae a 2.5 dB y la resistencia de radiación es pequeña, próxima a 17 ohm. Para alimentar esta antena hay que emplear un trasformador de impedancia que eleve la débil resistencia de radiación a un valor compatible con la impedancia de los feeders. Por otra parte, la resistencia óhmica deberá hacerse lo más pequeña posible para que le rendimiento de la antena sea satisfactorio.

La máxima ganancia para un reflector se obtiene cuando este es más largo que el dipolo en un 5% aproximadamente, y la máxima ganancia como director se obtiene cuando este es aproximadamente un 5% más corto que el dipolo.

Cuando el elemento parásito ya no está en resonancia, presenta cierta reactancia, inductiva si es demasiado largo, capacitiva si es demasiado corto.

Al momento de construir una antena yagi, se comprueba que el efecto de un director a es compensado por el efecto de un reflector a . Aunque el efecto producido por un director o un reflector depende de la longitud de estos elementos, es decir, de su sintonía. Así, según sea la sintonía del director, la longitud del dipolo estará comprendida entre 14.325/F y 15.248/F cm. Esto para un director a (sin reflector). Para un reflector a , la longitud del dipolo estará comprendida entre 14.325/F y 13.868/F (sin director). Un buen valor para la longitud del reflector es 1.05 veces la longitud del dipolo, y para la longitud del director es 1.05 veces la longitud del dipolo.

En la figura siguiente se describe el dimensionamiento para la fabricación de una antena yagi de hasta 4 elementos:

Longitud de los elementos, ganancia y resistencia de radiación [11]

De esta manera y de forma general se puede considerar que la longitud del dipolo (alimentador) está dada por:

La longitud del reflector según el número de elementos viene dada por:

La longitud del primer director según el número de elementos es:

La separación entre dipolo y reflector suele ser de:

La distancia entre dipolo y primer director es de:

La distancia entre primer director y segundo director es de:

El trecho entre el segundo director y el tercer director es de:

El trecho entre el tercer director y el cuarto director es de 2:

La distancia entre los directores siguientes suele ser de 0.25 longitudes de onda y sus dimensiones suelen disminuir en 0.01 longitudes de onda cada 2 directores.

Referencias:

[11] David M. Pozar, “Microwave Engineering”, Second Edition. John Wiley & Sons, Inc. 1998.

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Tabla de contenido de Antenas Yagi

1. Antena Yagi: Principios Básicos
2. Antena Yagi: Funcionamiento del Parásito como Reflector o Director
3. Antena yagi: Diseño

La antena de Yagi es una antena direccional inventada por el Dr. Hidetsugu Yagi de la Universidad Imperial de Tohoku y su ayudante, el Dr. Shintaro Uda (de ahí al nombre Yagi-Uda). Esta invención “de quitar la tierra” a las ya convencionales antenas (groundbreaking), produjo que mediante una estructura simple de dipolo, combinado con elementos parásitos, conocidos como reflector y directores, logró construir una antena de muy alto rendimiento. La invención del Dr. Yagi (patentada en 1926) no fue usado en Japón en un principio.

1.- Directividad

La directividad se expresa a menudo por el ángulo cuya bisectriz es la dirección de radiación máxima y en cuyo interior la ganancia en potencia no desciende por debajo de la mitad de la ganancia máxima. Esta disminución de la ganancia corresponde a 3dB. Si la antena tiene una ganancia de 14 dB, el ángulo en el que la ganancia esta comprendida entre 8 Y 11 dB da la directividad de la antena. Este ángulo expresa en definitiva el grado de estrechez del lóbulo principal del diagrama de radiación.

2.- Antenas con elementos parásitos

Cuando varias antenas paralelas, todas alimentadas, se combinan para conjugar sus efectos, se obtiene una ganancia sustancial, pero las dificultades de puesta en fase o en oposición de fase complican de modo singular la construcción de estos sistemas de antenas. Se ha pensado, por tanto, en alimentar solamente una de las antenas y utilizar la radiación de esta para alimentar las otras.

Cuando las antenas están muy juntas, la corriente inducida por la antena alimentada en las antenas que no lo están es importante, estas antenas radiarán a su vez, reaccionarán sobre la antena alimentada y combinarán su radiación propia con la de la antena alimentada. Se puede producir un efecto directivo y, por tanto, una ganancia, combinando las radiaciones de estas distintas antenas para que se sumen en la dirección deseada y se resten en otra dirección.

Se considera el caso de dos antenas de media longitud de onda, en donde a la que está alimentada se le conoce como dipolo, y a la segunda, la que toma su energía del dipolo se la conoce como parasito.

Se Comprende que el parasito no puede captar toda la energía emitida por el dipolo. No tendrá, por tanto, la misma influencia que este último, y el efecto producido por el conjunto será disimétrico. Por otra parte, como el parasito recibe su energía del dipolo, esta le llega con cierto retraso, hay una diferencia de fase entre las corrientes en el dipolo y en el parasito y esta diferencia depende de la distancia que separa los dos elementos y también de la longitud del parasito. Es fácil imaginar que un parasito en resonancia en la frecuencia de la energía emitida por el dipolo absorberá más energía que un parasito no sintonizado. Además, cuando más cerca este el parasito del dipolo, más energía captará. Sin embargo, se observa que hay una regulación de la distancia dipolo-paracito y una longitud de elementos que dan el máximo de ganancia.

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Tabla de contenido de Logoperiódicas: Parámetros de diseño para bastimento

1. Logoperiódicas: Introducción
2. Logoperiódicas: Parámetros de las Antenas Logoperiodicas de dipolos rectos
3. Logoperiódica: Diseño Práctico

La configuración de antena logoperiodica de dipolos se basa en el mismo principio descrito anteriormente, es decir, manteniendo una relación de periodo logarítmico de valor . Esta estructura es una agrupación no uniforme de dipolos, de forma que todas las dimensiones que definen la agrupación se escalan por el factor de escala , figura 2.

Fig. 2. Agrupación logoperiodica de dipolos [2].

         (4)

Como se observa en la figura 2, además de factor de escala, la antena logoperiodica también está definida por un ángulo , relacionado con el factor de escalonamiento a través de un factor de espacio [3]:

     (5)

El diseño de una agrupación logoperiodica se basa en gran parte en el empleo de tablas que han obtenido mediante modelos de aproximación; es por esto, que la relación 5 viene ligada por la tabla 1:

Tabla 1. Datos óptimos para diseño de antenas Logoperiodicas [3].

De manera tal que con una ganancia deseada para una antena, se tienen los valores del factor de espacio y de escalonamiento, calculando de esta manera el ángulo comprendido entre la línea central y un extremo inclinado figura 2.

Dado el margen de frecuencias que se debe cubrir, se determina la longitud de los dipolos más cortos y más largos de forma que:

     (6)

     (7)

     (8)

Debido a que , siempre se tendrá que la longitud de dipolo más grande es mayor que su longitud verdadera (), y de la relación 8 se deduce que , por lo que la longitud del dipolo más pequeño siempre será menor que su longitud verdadera, asegurando de esta manera, una antena con un mayor ancho de banda.

El número de elementos de la agrupación logoperiodica y el ancho de banda están relacionados por el factor de escala , cumpliéndose las siguientes relaciones:

     (9)

     (10)

En donde B es el ancho de banda relativo de la agrupación y k al igual que en la expresión 8 es un factor que tiene en cuenta la zona activa de la antena en todo el ancho de banda preestablecido [2], [4].

La longitud total de la antena puede encontrarse mediante las siguientes consideraciones geométricas:

     (11)

Considerando que la longitud total de la antena se considera desde el dipolo más pequeño hasta el más grande, mas no desde el origen de consideración del ángulo .

Referencias

[2] Angel Cardama Aznar, Lluís Jofre Roca, Juan Manuel Ruis Casals, Jordi Romeu Robert, Sebastian Blanch Boris, “Antenas”, cap. 7, pp. 314-315, 2000.
[3] Yi Huang, Kevin Boyle, “Antenas from theory to practice”, cap. 5, pp. 157-162, 2008.
[4] Thomas A. Milligan, “Modern Antenna Design”, cap. 11, pp. 550-560, 2005.

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Tabla de contenido de Logoperiódicas: Parámetros de diseño para bastimento

1. Logoperiódicas: Introducción
2. Logoperiódicas: Parámetros de las Antenas Logoperiodicas de dipolos rectos
3. Logoperiódica: Diseño Práctico

Una antena es una parte de un sistema de transmisión o recepción diseñada específicamente para radiar o recibir ondas electromagnéticas. Si bien sus formas son muy variadas, todas las antenas tienen en común el ser una región de transición entre una zona donde existe una onda electromagnética guiada y una onda en el espacio libre, a la que puede además asignar un carácter direccional.

En principio una antena logoperiodica es una antena direccional en donde cada elemento resuena a una frecuencia distinta y en un rango determinado. La unión de todos estos elementos resonantes a diferentes frecuencias en una disposición logarítmica de antena, hace que se pueda construir un sistema resonante con un gran ancho de banda.

Características de las antenas independientes de la frecuencia

Las antenas independientes de la frecuencia son un tipo particular de antenas de banda ancha, estudiadas en un comienzo por Rumsey [1]. Estas antenas que cumplen el principio de Rumsey son conocidas como antenas autoescalables.

Un buen punto de partida es considerar la estructura autoescalable de la figura 1a, en donde se hace necesario tener un de arriba y abajo con el objeto de completar y que de esta forma se convierta en una estructura auto complementaria [2]. Si a esta estructura, se le aplica una corriente, por simetría aparecerá una onda estacionaria y la antena dejará de ser independiente de la frecuencia.

Fig. 1. Estructura logoperiodica [2].

Sin embargo, si a esta estructura se le añaden discontinuidades, se aumentará de forma considerable la radiación de la antena, y si además, con el objeto de eliminar la simetría y por ende las ondas estacionarias, se cambian los ángulos a valores de y de , se mantendrá la auto complementariedad deseada es decir figura 1b. Sin embargo, este proceso provoca que la antena no sea autoescalable de forma continua, requisito indispensable para realizar una antena independiente de la frecuencia debido a que aparecen las hendiduras de radios [2]. Afortunadamente, existe una relación para que la antena resulte escalable, manteniendo que los radios se elijan de forma que se conserve entre dos consecutivos una relación constante :

      (1)

Gracias a esta razón , es posible establecer que el comportamiento de la antena a dos frecuencias distintas será el mismo, siempre que:

      (2)

Si ahora se toma el logaritmo de la expresión 2, se obtiene:

          (3)

Si en la relación 3 se representa gráficamente, cualquier parámetro de la antena en función del logaritmo de la frecuencia, se observará que presentará un comportamiento periódico cuyo periodo es .Razón por la cual, a estas estructuras, se las conoce como antenas Logoperiodicas o logarítmicas [2].

Referencias:

[1] V. H. Rumsey, “Frequency Independent Antennas”, IRE national convention record, parte I, pp. 114-118, 1957.

[2] Angel Cardama Aznar, Lluís Jofre Roca, Juan Manuel Ruis Casals, Jordi Romeu Robert, Sebastian Blanch Boris, “Antenas”, cap. 7, pp. 314-315, 2000.

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