Antena
Yagi
Elementos de una antena Yagi:
1. Elemento conductor
2. Reflectores
3. Directores
4. Cable.
La antena Yagi o antena Yagi-Uda es una antena
direccional inventada por Shintaro Uda de la Universidad Imperial de Tohoku y,
en menor parte, de Hidetsugu Yagi (de ahí al nombre Yagi-Uda). Esta invención
dio avanzada a las antenas convencionales, produjo que, mediante una estructura
simple de dipolo, combinada con elementos parásitos conocidos como reflector y
directores, se pudiera construir una antena de muy alto rendimiento.
Uso de
una antena Yagi en orientación por radio.
La invención del Dr. Uda (patentada en 1926) no fue
usada en Japón en un principio, ya que el diseño original de la antena tenía
como objetivo la transmisión inalámbrica de energía. Sin embargo, fue aceptada
en Europa y Norteamérica, en donde se incorporó a la producción comercial, de los
sistemas de difusión, TV y otros.
El uso de esta antena en Japón solo comenzó a
utilizarse durante la Segunda Guerra Mundial, cuando fue descubierto que la
invención de Yagi era utilizada como antena de radar por los ejércitos aliados.
Construcción
En la primera imagen de la derecha se muestra los
diferentes elementos que forman esta antena:
Un conductor que actúa como radiador.
Un elemento que actúa como captador (Balun1).
Los elementos parásitos son aquellos que no son
activos, no se conectan a la línea de transmisión y reciben la energía a través
de la inducción mutua. Se clasifican en reflectores y directores
Cómo
funciona una antena Yagi-Uda
En virtud del principio de reciprocidad, se puede
demostrar que las propiedades (impedancia, ganancia, etc.) de una antena
cualquiera son las mismas tanto en emisión como en recepción. Como es más fácil
de comprender el funcionamiento de una antena Yagi-Uda en transmisión que, en
recepción, comenzaremos por una antena en transmisión.
Como ya se ha mencionado, una antena Yagi-Uda está
formada por un elemento alimentado (conectado al emisor o al receptor) formado
por un simple dipolo o un dipolo doblado llamado también "radiador"
de manera inapropiada, ya que en la antena Yagi-Uda todos los elementos
irradian de manera comparable. Además de ese elemento, la antena tiene uno o
varios elementos aislados llamados, injustamente, elementos parásitos. La
corriente que circula en el elemento alimentado 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. El elemento
alimentado. 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. La amplitud también dependerá de lo mismo, pero mucho menos y
será, de todas maneras, de la misma magnitud que la corriente del elemento
alimentado.
Este tipo de elemento parásito, situado delante el
elemento alimentado y que refuerza el campo hacia adelante, se llama director.
Los elementos situados detrás y que refuerzan el campo hacia adelante se llaman
reflectores. Pero no hay que confundirlos con las superficies o rejas
reflectoras utilizadas en otros tipos de antena.
Generalmente se ponen uno o dos reflectores y uno o
varios directores. Se calculan las posiciones y las dimensiones de manera que
las fases de las corrientes resultantes sean tales que la adición de los campos
sea mínima hacia atrás y máxima hacia adelante.
Eléctricamente, el costo de esta directividad es una
disminución de la parte resistiva de la impedancia de la antena. Con una misma
corriente de alimentación, el campo radiado es más débil. Se compensa este
inconveniente remplazando el dipolo alimentado por un dipolo doblado.
Para la antena en recepción, la fase y la amplitud de
las corrientes inducidas en los elementos por el campo incidente y los demás
elementos hace que la corriente inducida en el elemento alimentado (ahora
conectado al receptor) sea máxima para los campos que vienen de delante y
mínima para los campos que vienen de detrás.
Diseñar
una antena
Diagrama X-Y de campo lejano de una antena Yagi para
la banda de radioaficionados de 10m, modelizada por MMANA.
A diferencia de la antena dipolo, es sumamente difícil
modelizar con ecuaciones matemáticas una antena Yagi. Por lo tanto, existen
distintos programas de simulación numérica de antenas que permiten simular
distintos diseños que permitirán una primera aproximación.
Un programa de simulación de antenas con versión en
español es MMANA.
Alimentar una antena Yagi
·
Para
respetar la adecuación entre la impedancia de la antena y la impedancia de la
línea de transmisión se utilizan distintos tipos de alimentación.
·
Alimentación
asimétrica por cable coaxial: adaptación gamma
·
Alimentación
simétrica por cable bifilar: adaptación delta
·
A
veces es necesario interponer un simetrizador o balun para asegurar y para
adaptar la impedancia de la antena Yagi.
Algunas personas alimentan con cable coaxial a una
antena Yagi que espera una alimentación simétrica. Esta manera de alimentar
puede funcionar, pero sólo a ciertas frecuencias, y a costa de convertir a la
vaina del coaxial en parte del elemento irradiante. Por lo tanto, no es una
práctica aconsejable.
Evoluciones de la antena Yagi
Red de antenas Yagi
Es un conjunto de antenas Yagi que han sido alineadas
apuntando perpendicularmente a un mismo plano.
La razón para agregar varias antenas Yagi en paralelo,
es que cada antena suplementaria aporta 3 dB a la señal, o sea, la multiplica
por dos en potencia, con un límite teórico de 20dB.
Es por eso que las redes de antenas Yagi se utilizan
sobre todo en EME (contactos por reflexión lunar), donde las señales recorren
600 000 km entre emisor y receptor y llegan considerablemente atenuadas; cada
decibelio de ganancia es sumamente precioso.
Existe una distancia mínima entre antenas para
minimizar el efecto de cada antena sobre su vecina.
Las redes de antenas Yagi exigen una interconexión
cuidadosa, sobre todo para respetar la impedancia de salida requerida por el
transmisor.
Por razones de dimensiones de las antenas, las redes
de antenas Yagi se utilizan mucho en VHF y UHF.
Antenas Yagi de elementos ahusados
Por razones mecánicas convienen elementos gruesos,
mientras que por razones eléctricas convienen elementos lo más finos que sea
posible.
Un compromiso entre ambos es hacer elementos ahusados,
gruesos en el centro y afinándose progresivamente hacia el extremo.
Antenas Yagi de elementos acortados
Sobre todo, en las bandas HF (3-30 MHz), los elementos
tienen longitudes del orden de las decenas de metros. Eso hace que una antena
Yagi sea poco práctica, sea por razones mecánicas, sea por razones de espacio.
Una antena Yagi para la banda de 80m tiene un ancho
mayor que la envergadura de un Airbus A320
Es posible construir antenas Yagi más cortas,
reemplazando un segmento de cada elemento (por ejemplo, el tercio central de
cada mitad de elemento) por un solenoide o bobina. Eso hace que la antena sea
más corta, y por lo tanto mecánicamente viable, a costa de otras virtudes:
ancho de banda, ganancia, y otras características. El resultado final es un
compromiso.
Propiedades
eléctricas
Tensión y corriente
Diagrama tridimensional de campo lejano de una antena
Yagi para la banda de radioaficionados de 10m, modelizada por MMANA.
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
Funcionamiento de una antena Yagi-Uda
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.
Polarización
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.
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.
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.
Construcción
y fórmulas
En esta sección se hace referencia a la construcción
de la antena para cualquier banda o frecuencia. También se incluyen fórmulas
para la modelización de antenas manualmente. Para el diseño por ordenador se
utilizan programas como MMANA.
Construcción
básica
Aquí se muestra la construcción básica de una antena
Yagi, que consta de un elemento director, un elemento reflector y un elemento
activo.
Antena
Yagi.
La longitud del elemento activo es de λ/2, es decir, la mitad de la longitud de onda.
El elemento reflector es ligeramente más grande ya que
mide 0,55λ (es
decir, un 10% más que media longitud de onda o λ/2)
A su vez, el elemento director es 10% más corto que el
elemento activo.
para el elemento exitador es λ/2*0,9 ó 0,45λ
Bibliografia
Diseño y Construcción de una Antena Parabólica
