Universidad Nacional de Ingeniera.

Universidad Nacional de Ingeniera.

Facultad de Electrotcnica y Computacin.Departamento de Sistemas Digitales y Telecomunicaciones.Proyecto: Elaboracin de Antena Parablica._____________________________________________________________________________________

Contenido1Objetivos.22Introduccin.32.1Que es y para qu sirve42.2Elementos42.3Evolucin53ESPECIFICACIONES DE LA ANTENA YAGI63.1Parmetros de la antena Yagi73.1.1Patrn de radiacin83.2Impedancia93.2.1Resonancia93.2.2Polarizacin103.2.3Tensin y corriente.103.2.4Diagrama de Emisin104Clculos de la antena115Lista de materiales y costos145.1Construccin del Reflector145.2Materiales145.3Lnea de transmisin155.4Herramientas Utilizadas156Elaboracin de la antena168.El Gamma match167Referencias18

Objetivos.

El presente trabajo tiene por objetivo la elaboracin de una antena Yagi que opere a la frecuencia entre 430 a 450 MHz. Para Poner en prctica de los conocimientos adquiridos en la asignatura de Antenas sea documentos, libros, etc. Desarrollar la creatividad, as como las habilidades tcnicas y manuales necesarias en el proceso de elaboracin de la antena Yagi. Realizar la documentacin del trabajo, que explique el funcionamiento y los fundamentos tericos de las antenas Yagi, as como el proceso de creacin, costos y mediciones que se consideren pertinentes.Introduccin.

Laantena Yagies unaantena direccionalinventada por el Dr.Hidetsugu Yagide laUniversidad Imperial de Tohokuy su ayudante, el Dr.Shintaro Uda(de ah al nombre Yagi-Uda). Esta invencin de avanzada a las antenas convencionales, produjo que mediante una estructura simple dedipolo, combinado con elementos parsitos, conocidos como reflector y directores, logr construir una antena de muy alto rendimiento.La invencin del Dr. Yagi (patentada en 1926) no fue usado en Japn en un principio, ya que el diseo de la antena no fue para implementarse en las comunicaciones sino para utilizarse en la guerra como un arma radioactiva. Yagi experimentaba con ratones a los que someta a fuertes ondas de radio que eran concentradas gracias a la direccionalidad de la antena. Los resultados no fueron buenos para Yagi y abandon el proyecto. Sin embargo fue aceptada en Europa y Norteamrica, en donde se incorpor a la produccin comercial, de los sistemas de difusin, TV y otros.El uso de esta antena en Japn solo comenz a utilizarse durante laSegunda Guerra Mundial, cuando fue descubierto que la invencin de Yagi, era utilizada como antena de radar por los ejrcitos aliados.

Que es y para qu sirve

Una antena Yagi es aquella formada por un dipolo alimentado y por lo menos 2 parsitos (un reflector y un director).Es posible hacer un anlisis similar al del arreglo de un dipolo y un parsito para. Antenas con un reflector y uno o ms directores, pero el trabajo es ms difcil por el nmero de variables involucradas, es por esto que se prefiere optimizar el diseo de una antena Yagi a travs del trabajo experimental. En este sentido, se ha hecho mucho, una gran cantidad de ingenieros han experimentado sobre las antenas Yagi, el grado de que en la actualidad el diseo de una antena de este tipo se hace siguiendo un conjunto de reglas como recetario de cocina.En trminos prcticos las longitudes de los elementos y su separacin no son muy crticos, y se pueden permitir variaciones de 1% en la longitud y hasta 5% en la separaci6n. La longitud del reflector es ms tolerante que la del director aunque en algunos casos se utilizan estas tolerancias para ampliar el ancho de banda de la antena; es decir con reflectores un poco ms largos y directores un poco ms cortos aumenta el ancho de banda, sin embargo en sentido contrario, el efecto es totalmente daino y anula el comportamiento de la antena.Elementos

Elementos de excitacin:pueden activos de excitados estos de conecta directamente a la line de transmisin y reciben potencia de la fuente.Elementos paracitos:no se conecta a la lnea de transmisin y reciben energa atreves de la induccin mutua. Estos elementos de clasifican en reflectores y directores.Reflector:elemento paracito ms largo que el elemento de excitacin. Reduce la intensidad de la seal que est en su direccin e incrementa la que est en direccin opuesta.Director:elemento paracito ms corto que su elemento de excitacin. Incremente la intensidad del campo en su direccin y la reduce en la direccin opuesta.Los elementos no activos se denominan parsitos. La antena yagi pueden tener varios elementos activos y varios parsitos su ganancia est dada por:G=10logn

Evolucin

Red de antenas YagiEs un conjunto de antenas Yagi que han sido alineadas apuntando perpendicularmente a un mismo plano.La razn para agregar varias antenas Yagi en paralelo, es que cada antena suplementaria aporta 3 dB a la seal, o sea, la multiplica por dos en potencia, con un lmite terico de 20dB.Es por eso que las redes de antenas Yagi se utilizan sobre todo en EME (contactos por reflexin lunar), donde las seales recorren 600 000 km entre emisor y receptor y llegan considerablemente atenuadas; cadadecibeliode ganancia es sumamente precioso.Existe una distancia mnima entre antenas para minimizar el efecto de cada antena sobre su vecina.Las redes de antenas Yagi exigen una interconexin 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 ahusadosPor razones mecnicas convienen elementos gruesos, mientras que por razones elctricas convienen elementos lo ms finos que sea posible.Un compromiso entre ambos es hacer elementos ahusados, gruesos en el centro y afinndose progresivamente hacia el extremo.Antenas Yagi de elementos acortadosSobre 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 prctica, sea por razones mecnicas, sea por razones de espacio.Una antena Yagi para la banda de 80m tiene un ancho mayor que la envergadura de unAirbus A320Es posible construir antenas Yagi ms cortas, reemplazando un segmento de cada elemento (por ejemplo, el tercio central de cada mitad de elemento) por unsolenoideo bobina. Eso hace que la antena sea ms corta, y por lo tanto mecnicamente viable, a costa de otras virtudes: ancho de banda, ganancia, y otras caractersticas. El resultado final es un compromiso.

ESPECIFICACIONES DE LA ANTENA YAGI La antena Yagi puede concebirse como una evolucin del dipolo, donde los reflectores reducen la emisin hacia atrs, y donde los directores concentran la emisin hacia adelante. Dependiendo entre otras cosas de la cantidad de elementos directores, y de la longitud de la antena, es posible llegar a ganancias mximas de por ejemplo 15 dB, lo que equivale a multiplicar la seal por 32. Como la antena Yagi no crea energa, cuanta ms ganancia en una direccin, ms estrecho ser el haz. Para medir esa apertura, la definimos como el ngulo 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/atrs). Cuanto mayor sea ese coeficiente, ms inmune es la antena a seales provenientes de otras direcciones. Antena direccional: A diferencia de las antenas omnidireccionales, una antena direccional (tambin llamada unidireccional o directiva) es una antena capaz de concentrar la mayor parte de la energa radiada de manera localizada, aumentando as la potencia emitida hacia el receptor o desde la fuente deseados y evitando interferencias introducidas por fuentes no deseadas. Las antenas direccionales, como por ejemplo las antenas Yagi, proporcionan mucho mejor rendimiento que las antenas de dipolo cuando se desea concentrar gran parte de la radiacin en una direccin deseada.

Parmetros de la antena Yagi

Una antena es un dispositivo hecho para transmitir (radiar) y recibir ondas de radio (electromagnticas). Existen varios Parmetros importantes en una antena que deben de ser consideradas al momento de elegir una para su aplicacin los parmetros a considerar en el diseo son:

Patrn de radiacin Impedancia Resonancia Ganancia (G) Tensin y corriente Diagrama de emisin Polarizacin

Patrn de radiacinEl patrn de radiacin de antena, el cual tpicamente comprende un haz principal y una estructura de lbulos laterales, es comnmente representado como un trazo en dos dimensiones, en tres dimensiones y en coordenadas polares como se muestra en las figuras.

Impedancia

La impedancia de una antena Yagi depende de la configuracin de los reflectores y directores (dimensiones de cada elemento, espaciamiento entre elementos). Habitualmente las antenas se disean para que la impedancia sea de 50 o 75 Ohm, o sea, la impedancia requerida por los equipos conectados a la antena: Antenas de recepcin de televisin: 75 Antenas de emisin / recepcin (por ejemplo, radioaficionados): 50 o Antenas de Wifi: 50

Resonancia

La Yagi es una antena resonante, es decir, existe una frecuencia en la cual presenta una resistencia hmica pura. Esto se presenta cuando la reactancia inductiva del circuito que conforma la antena tiene igual valor que la reactancia capacitiva. En frmula: Donde -> Reactancia Inductiva -> Reactancia Capacitiva -> Pulsacin -> Frecuencia La frecuencia de resonancia ser aquella para la cual se cumple que XL = XC, y resulta: =>

Resultando un circuito resistivo puro.Polarizacin

Cuando la antena Yagi es paralela al plano de la tierra, la componente elctrica de la onda es paralela al plano de la tierra: se dice que tienepolarizacin horizontal.Cuando la antena Yagi es perpendicular al plano de la tierra, la componente elctrica de la onda es perpendicular al plano de la tierra: se dice que tienepolarizacin vertical.EnHF, y enVHFenclase de emisinbanda lateral nicase prefiere la polarizacin horizontal, y enVHFenclase de emisin frecuencia modulada, la polarizacin vertical.

Tensin y corriente.

Siendo una evolucin deldipolo, el punto medio del elemento conductor es unnodode tensin y unvientrede corriente. Los reflectores y directores, pese a no estar directamente alimentados, tambin tienen tensiones y corrientes.Diagrama de Emisin

La antena Yagi puede concebirse como una evolucin del dipolo, donde los reflectores reducen la emisin hacia atrs, y donde los directores concentran la emisin hacia adelante.Dependiendo entre otras cosas de la cantidad de elementos directores, y de la longitud de la antena (boom, en ingls), es posible llegar a ganancias mximas de por ejemplo 15 dB, lo que equivale a multiplicar la seal por 32.Como la antena Yagi no crea energa, cuanta ms ganancia en una direccin, ms estrecho ser el haz. Para medir esa apertura, la definimos como el ngulo 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/atrs). Cuanto mayor sea ese coeficiente, ms inmune es la antena a seales provenientes de otras direcciones.Clculos para el diseo de una antena Yagi-Uda

Los Clculos de Ganancia y Distancias por medio de la tabla

Longitudes Tabla I. ptima para elementos Yagi-Uda, para plumas diferenciados

d = 0.0085SR = 0.2Largo de la barra de Array Yagi-Uda (en)

0.40.81.22.23.24.2

R0.4820.4820.4820.4820.4820.475

D10.4420.4280.4280.4320.4280.424

D20.4240.4200.4150.4200.424

D30.4280.4200.4070.4070.420

D40.4280.3980.3980.407

D50.3900.3940.403

D60.3900.3900.398

D70.3900.3860.394

D80.3900.3860.390

D90.3980.3860.390

D100.4070.3860.390

D110.3860.390

D120.3860.390

D130.3860.390

D140.386

D150.386

El espacio entre directores(SD/)0.200.200.250.200.200.308

Ganancia (dB)9.2511.3512.114.4015.5516.35

Clculos por medio de Formulas

Diseo de una antena Yagi-Uda para el centro de nuestro segmento de banda 430-450 MHzpara una ganancia de 12.1 dBl/2.

Frecuencia de trabajo = 450 MHzDimetro de las varillas (d) = 1 cm.Dimetro del Boom (D) = 2 cm.l = 300 / f0 (MHz) = 300 / 145 = 2.06 m = 206 cm.

Usando la Tabla 10.6 de se obtienen los siguientes datos:Numero de elementos: 6 (1 Reflector, 1 Dipolo doblado de l/2, 4 Directores)Longitud de la antena (Boom) = 0.2l(6) = 0.2 (206 cm)(3) = hay que calcular.Directividad terica de la antena: 7.1 dBl/2.Espaciamiento entre Directores: 0.2l = 0.2 (206 cm) = 41.2 cm.Separacin entre Reflector y Dipolo = 0.2l = 0.2 (206 cm) = 41.2 cm.Valores optimizados de longitudes de elementos parsitos:Longitud del Reflector = L1 = 0.482l Longitud del Director L3 = 0.432lLongitud del Reflector = L1 = 0.482(206 cm) = 99.5 cm.Longitud del Director L3 = 0.432(206 cm) = 88.9 cm = 89 cm.

Calculo del Dipolo activo doblado resonante de l/2:K0 = l/d = 206 cm / 1 cm = 20633.25 + 3.19 log K0 0.35 (log K0)2Lr / l = 0.5 [--------------------------------------------------]861.6 log K0 67833.25 + 3.19 log (206) 0.35 (log 206)2Lr / l = 0.5 [------------------------------------------------------------]861.6 log (206) 67833.25 + 7.381236433 1.87389353Lr / l = 0.5 [-----------------------------------------------------]1315.6279Lr / l = 0.5 0.02945 = 0.47Lr = 0.47 l = 0.47(206) = 96.93 cm. Esta es la longitud del dipolo en resonancia que difiere0.02945 del dipolo en reposo.Existen varios criterios de diseo para el clculo de este tipo de antenadBl/2, y utilizaremos os un acople capacitivo, gamma mach esto se explica en la parte de la elaboracin de la antena, tambin puede usarse un dipoloComo elemento excitador.

Resultado:

DatosUnidades

Frecuencias Mhz.430- 450 MHz.

VSWR1.2 a 1

Forward Gain dBi.12.1 dBi

Front to back dB26 dB

Acoplamiento porGamma Match

Longitud del Gamma5 cm

Distancia al shunt3 cm

Material usadoAluminio

ElementoDimensiones en cm.Separacin

Boom79.0cm x 2.5x 3.8 cm.

Reflector35.2 cm x 1/4" dim.

Elemento excitado32.8 cm x 1/4" dim.14.1 cm.

Director 131.4 cm. x 1/4" dim. 8.0 cm.

Director 230.7 cm x 1/4" dim.12.4 cm

Director 329.7 cm x 1/4" dim.13.8 cm.

Director 428.3 cm x 1/4" dim.20.7 cm.

Gamma4.99 cm x 1/2" dim.2.5 cm del excitado

Lista de materiales y costosConstruccin del ReflectorMaterialCosto (C$).

Varillas de aluminio 80

Tubo de aluminio cuadrado

100

Tubo Base, Remaches100+

Otros100+

MaterialesLos Siguientes Materiales se utilizaron para la elaboracin de la antenaPara La base de la antena Utilizamos2. Tubo 3

4. angular

1. Varillas de aluminio

Remaches o Tornillos8. Tubo cuadrado de aluminio

5. Cautn y Estao

Lnea de transmisinCable coaxialConector N-hembra

Herramientas Utilizadas3. Prensa Manual

4. Broca 5/16

7. Pie de Rey10. Taladro6. Sierra 5. Cinta Mtrica

Elaboracin de la antenaUna vez calculado todos los parmetros de la antena se procede a la construccin de la misma de la siguiente manera:

1. El Gamma match : Se fabricar con un tubo de aluminio de 1/2" y dentro del miso se introducir un pedazo de coaxial RG8, al cual se le eliminar el forro y la malla quedando nicamente el forro que protege al cable del centro para producir un aislamiento entre el tubo de aluminio y el cable que va soldado al conector previamente fijado en el boom de la antena direccional , cerca del elemento exista do respetando las longitudes y detalles que a continuacin menciono para ajustar la ROE (relacin de ondas estacionarias). La separacin entre el gamma y el elemento excitado es de 2.5 cm. En la siguiente imagen se muestra la ubicacin del gamma match.

2. Duracin: la elaboracin fue iniciada en 17 de noviembre del 2014 y finalizada el 19 diciembre de 2014

Conclusiones

Referencias

[1] Wayne Tomasi. Sistemas de Comunicaciones Electrnicas. Mxico: Pearson Education, 2003.[2] Wikipedia. Antena Yagi. RL: https://es.wikipedia.org/wiki/Antena_Yagi

[3] Wolff, E. A. Antenna Analysis. Cap. 7. John Wiley & Sons, Inc. N. York, 1967.

[4] Christophe Granet, Designing Classical Offset Cassegrain or Gregorian DualReflector Antennas from Combinations of Prescribed Geometric Parameters, IEEE[5] Antennas and Propagation Magazine, June 2002, pp. 114123.

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

Elaborado por:

Profesor Gua: Universidad nacional de ingeniera UNIFEC UNI18