Antena Yagi
La antena Yagi o antena Yagi-Uda es una antena direccional Inventada en 1926 (Hace 95 años), por Hidetsugu Yagi de la Universidad Imperial de Tohoku y, en menor parte, por Shintaro Uda (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.
La invención del Dr. Yagi (Patentada en 1926 (Hace 95 años), 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, Antena de TV y otros.
El uso de esta antena en Japón no comenzó hasta la Segunda Guerra Mundial, cuando se supo que la invención de Yagi era utilizada como antena de radar por los ejércitos aliados.
En la primera imagen de la derecha se muestra los diferentes elementos que forman esta antena:
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
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.
Coloquemos el elemento parásito delante del elemento alimentado a una distancia de (donde es la longitud de onda) y ajustemos su longitud para que la corriente tenga un retardo de fase de . En ese caso, el cálculo muestra que la corriente en el elemento parásito es 1,19 veces la corriente en el elemento alimentado. El campo radiado hacia atrás será la suma del campo producido por el elemento alimentado más el campo producido por el elemento parásito. Pero este último ha sido emitido con un retardo de 144° y como debe recorrer una distancia adicional de sufrirá un retardo adicional de 36°, lo que hace que, hacia atrás, los campos emitidos por los dos elementos estarán a 180° en oposición de fase y se anulan. En cambio, hacia adelante, el campo emitido por el elemento parásito, ganará 36° (en lugar de perderlos) y su retardo de fase no será más que . La suma de los dos campos será máxima.
En el caso particular de este ejemplo, la amplitud E del campo eléctrico de la onda electromagnética radiada hacia adelante en una dirección es donde es el campo producido por el elemento alimentado si estuviese solo. La ganancia es de 8,96 dBi.
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 antenas.
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.
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.
Para respetar la adecuación entre la impedancia de la antena y la impedancia de la línea de transmisión se utilizan distintos tipo de alimentación.
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 solo 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 dBi, 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.
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.
En fórmula:
donde
-> Reactancia Inductiva
-> Reactancia Capacitiva
-> Pulsación
-> Frecuencia
La frecuencia de resonancia será aquella para la cual se cumple que XL = XC, y resulta:
=>
resultando un circuito resistivo puro.
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.
Aquí se muestra la construcción básica de una antena Yagi, que consta de un elemento director, un elemento reflector y un elemento activo.
fuente: antenas de kraus
En el caso particular de este ejemplo,
donde es el campo producido por el elemento alimentado si estuviese solo. la importancia de los dbi es mayor con respecto al tipo de uso y frecuencia que se maneje. La ganancia es de 8,96 dBi.
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