antenared.com » yagi http://antenared.com Teoría, simulación, implementación y más sobre antenas Fri, 28 Aug 2009 00:23:41 +0000 http://wordpress.org/?v=2.9.2 en hourly 1 Antena yagi: Diseño http://antenared.com/2009/08/antena-yagi-diseno/ http://antenared.com/2009/08/antena-yagi-diseno/#comments Sun, 16 Aug 2009 18:28:49 +0000 Francisco Sandoval http://antenared.com/?p=1031

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

Longitud\: del\: dipolo\:=\lambda/2

Longitud\: del\: reflector\:=\frac{\lambda}{2}+0.05\left(\lambda/2\right)

Distancia\: dipolo-reflector\:=0.2\lambda

Longitud\:1er\: director\:=0.96\lambda/2

Distancia\: dipolo-1er\: director=0.1\lambda

Longitud\:2er\: director\:=0.93\lambda/2

Distancia\:1er\: director-2do\: director=0.15\lambda

Longitud\:3er\: director\:=0.92\lambda/2

Distancia\:2do\: director-3er\: director=0.2\lambda

Longitud\:4to\: director\:=0.92\lambda/2

Distancia\:3er\: director-4to\: director=0.25\lambda

Longitud\:5to\: director\:=0.9\lambda/2

Distancia\:4to\: director-5to\: director=0.25\lambda

Longitud\:6to\: director\:=0.9\lambda/2

Distancia\:5to\: director-6to\: director=0.25\lambda

Longitud\:7mo\: director\:=0.89\lambda/2

Distancia\:6to\: director-7mo\: director=0.25\lambda

Longitud\:8vo\: director\:=0.89\lambda/2

Distancia\:7mo\: director-8vo\: director=0.25\lambda

Longitud\:9no\: director\:=0.87\lambda/2

Distancia\:8vo\: director-9no\: director=0.25\lambda

antena yagiFigura 1. Geometría de diseño en FEKO

Resultados del Diseño:

antena yagi-diagrama radiaciónFigura 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 0.2\lambda. Esta distancia no es crítica y entre 0.15\lambda y 0.25\lambda la ganancia disminuye poco. Para 0.25\lambda, 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 0.1\lambda; 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 0.05\lambda 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 0.1\lambda es compensado por el efecto de un reflector a 0.2\lambda. 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 0.1\lambda (sin reflector). Para un reflector a 0.2\lambda, 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 elementos antena yagiLongitud 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:

A=\frac{141}{f}\thickapprox\frac{\lambda}{2}

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

R=\frac{150}{f}\thickapprox1.05\frac{\lambda}{2}

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

D=\frac{135}{f}\thickapprox0.96\frac{\lambda}{2}

La separación entre dipolo y reflector suele ser de:

A-R=0.15\lambda\: hasta\:0.25\lambda

La distancia entre dipolo y primer director es de:

A-1D=0.1\lambda

La distancia entre primer director y segundo director es de:

1D-2D=0.15\lambda

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

2D-3D=0.2\lambda

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

3D-4D=0.25\lambda

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.

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

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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.

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 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.jpg 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 \theta = 90^{o}, se muestran en la figura 10.

tabla 4.jpg

Tabla 4


figura 10a.jpg

Figura 10a. Separación 0.60 \ast 0.65 \lambda

figura 10b.jpg

Figura 10b. Separación 0.20 \ast 0.65 \lambda

figura 10c.jpg

Figura 10c. Separación 0.30 \ast 0.65 \lambda

figura 10d.jpg

Figura 10d. Separación 0.40 \ast 0.65 \lambda

figura 10e.jpg

Figura 10e. Separación 0.50 \ast 0.65 \lambda

figura 10f.jpg

Figura 10f. Separación 0.51 \ast 0.55 \lambda

figura 10g.jpg

Figura 10g. Separación 0.51 \ast 0.65 \lambda

figura 10h.jpg

Figura 10h. Separación 0.51 \ast 0.70 \lambda

figura 10i.jpg

Figura 10i. Separación 0.51 \ast 0.75 \lambda

figura 10j.jpg

Figura 10j. Separación 0.51 \ast 0.80 \lambda

figura 10k.jpg

Figura 10k. Separación 0.51 \ast 1.00 \lambda

figura 10m.jpg

Figura 10m. Separación 0.52 \ast 0.65 \lambda

figura 10n.jpgFigura 10n. Separación 0.55 \ast 0.65 \lambda

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 0.50 \ast 0.65 \lambda. 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 0.5 \lambda, que es igual al que se obtuvo en la configuración horizaontal de 0.65 \lambda, 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.jpgFigura 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 (\theta = 90^{o}), 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 0.40 \lambda, 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 90^{o} (figura 8):

tabla 3.jpg

Tabla 3

figura 8a.jpgFigura 8a. Separación 1 \lambda

figura 8b.jpg

Figura 8b. Separación 0.8 \lambda

figura 8c.jpg

Figura 8c. Separación 0.75 \lambda

figura 8d.jpg

Figura 8d. Separación 0.6 \lambda

figura 8e.jpg

Figura 8e. Separación 0.5 \lambda

figura 8f.jpg

Figura 8f. Separación 0.45 \lambda

figura 8g.jpg

Figura 8g. Separación 0.4 \lambda

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 0.5 \lambda. 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 0.5 \lambda, ya que es allí donde se obtienen los mejores resultados.


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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

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.jpgFigura 5. Configuración horizontal

En este caso la separación mínima entre cada antena es de 0.55 \lambda 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 \theta = 90^{o} se muestran en la figura 6.

tabla 2.jpg

Tabla 2

figura 6a.jpg

Figura 6a. Separación 1 \lambda

figura 6b.jpg

Figura 6b. Separación 0,9 \lambda

figura 6c.jpg

Figura 6c. Separación 0.8 \lambda

figura 6d.jpg

Figura 6d. Separación 0.75 \lambda

figura 6e.jpg

Figura 6e. Separación 0.65 \lambda

figura 6f.jpg

Figura 6f. Separación 0.55 \lambda


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 0.75 \lambda.

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