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El objetivo de este documento es analizar la influencia de los elementos parásitos de la antena Yagi (reflector y directores) sobre los diagramas direccionales obtenidos de manera experimental en la práctica del laboratorio. Para ello se utilizaron diferentes configuraciones formadas a partir de una...

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TECNOLOGÍA DE ANTENAS ANTENAS YAGI

PRESENTADO A: MARÍA LUCÍA VARGAS VIVAS

PRESENTADO POR: JUAN SEBASTIÁN GUZMÁN ALARCÓN BRAYAM DAVID OTERO POMEO ISABELA TOLEDO BALCÁZAR

FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES LABORATORIO I DE SISTEMAS DE TELECOMUNICACIONES POPAYÁN, 2019

TECNOLOGÍA DE ANTENAS: ANTENAS YAGI 1. INTRODUCCIÓN Una antena Yagi es un tipo de antena direccional inventada por el Dr. Hidetsugu Yagi de la Universidad Imperial de Tohoku. Esta invención representó una avanzada a las antenas convencionales, ya que, mediante una estructura simple de dipolo, combinado con elementos parásitos, conocidos como reflector y director (es), se obtuvo una antena sencilla y de muy alto rendimiento[1]. Actualmente, este tipo de antenas son ampliamente utilizadas como receptores de televisión VHF y UHF TV, en satélites de comunicación, en equipos de comunicación militar y por operadores de radio aficionados y civiles. El objetivo de este documento es analizar la influencia de los elementos parásitos de la antena Yagi (reflector y directores) sobre los diagramas direccionales obtenidos de manera experimental en la práctica del laboratorio. Para ello se utilizaron diferentes configuraciones formadas a partir de una antena Yagi compuesta por un dipolo λ/2 y distintas distribuciones de reflector y directores.

2. MARCO TEÓRICO Antena direccional Una antena direccional (también llamada unidireccional o directiva) es una antena capaz de concentrar la mayor parte de la energía radiada de manera localizada, aumentando así 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 radiación en una dirección deseada. [2] Antena Yagi La antena Yagi es una antena direccional con un elemento de accionamiento sencillo y componentes parásitos paralelos adicionales sobre un eje individual separado por aisladores, un reflector y uno o varios directores hechos de barras de metal. El elemento de accionamiento por lo general es un dipolo único plegado o de media onda conectado a un transmisor o receptor. Los reflectores son más largos que el dipolo mientras que los directores son más cortos. Este diseño aumenta la ganancia del dipolo en una dirección[3]. Su funcionamiento se basa en el uso de un único elemento activo para la alimentación: el dipolo. Todos los demás elementos son acoplados por radiación o

son parásitos. Por lo tanto, no requieren líneas de alimentación o elementos de adaptación. Acoplamiento por radiación significa que los elementos parásitos solo se excitan a través del campo electromagnético del dipolo. Los elementos parásitos influyen tanto sobre la impedancia de entrada del elemento activo - el dipolo - como sobre el diagrama direccional de todo el sistema de antena. Seleccionando las dimensiones adecuadas para los elementos parásitos se puede dar forma al diagrama direccional de la antena. Detrás del dipolo se tiene un elemento, denominado reflector, apenas más largo, que refleja la potencia emitida desde el dipolo en la dirección del lóbulo principal. El director es, en comparación con el dipolo, un elemento parásito más corto que concentra la energía emitida en la dirección del lóbulo principal [4]. Las antenas yagi presentan dos tipos de elementos: 1. Elementos de excitación. (Dipolo) Pueden ser activos o excitados, estos se conectan directamente a la línea de transmisión y reciben potencia de la fuente. 2. Elementos parásitos. No se conectan a la línea de transmisión y reciben la energía a través de la inducción mutua. Estos elementos se clasifican en reflectores y directores. Reflector Elemento parásito más largo que el elemento de excitación. Reduce la intensidad de la señal que está en su dirección e incrementa la que está en dirección del dipolo. Director(es) Elemento(s) parásito(s) más corto(s) que su elemento de excitación. Incrementa(n) la intensidad del campo en su dirección y la reduce(n) a la dirección del reflector. [3] Diagrama de emisión 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. [5-6]

3. REALIZACIÓN DEL EXPERIMENTO

Fig. 1 Montaje del experimento

4. RESULTADOS OBTENIDOS 4.1. DIAGRAMAS HORIZONTALES YAGI-R

Fig 2. Representación lineal en coordenadas polares.

Fig 3. Representación logarítmica en coordenadas polares

Fig 4. Representación lineal en coordenadas rectangulares

Fig 5. Representación logarítmica en coordenadas rectangulares Este patrón de radiación consiste en una representación polar (Fig 2-3) y rectangular (Fig 4-5) de las intensidades de campo en relación a la posiciones angulares, es decir, una muestra del comportamiento de la radiación de la antena Yagi-R con un dipolo λ/2 como fuente. Con la ayuda de la Fig que es la representación logarítmica del patrón de radiación en coordenadas rectangulares, podemos hallar el ancho del haz de la antena. Se toma como referencia el valor máximo de intensidad de campo del lóbulo principal, a este se le resta 3 dB, en la gráfica hay dos ángulos que tienen este mismo valor, finalmente a estos ángulos se hace la diferencia dando como resultado en ancho del haz. Dicho valor representa el espacio angular donde la señal no cae por debajo de la mitad de su potencia máxima. Hay otra forma para hallar el ancho del haz de la antena, por medio de la representación logarítmica del patrón de radiación en coordenadas rectangulares, el procedimiento es igual al anterior método, la única diferencia es que se toma la gráfica anteriormente mencionada.

Fig 6. Puntos donde la intensidad de campo cae 3 dB.

Fig 7. Ancho del haz por medio de coordenadas polares. Punto máximo lóbulo I 3 dB por debajo 3 dB por debajo Ancho de haz

11º -26º 48º 74º

Eficiencia direccional=2dB-(-3dB)=5dB Si hacemos la comparación del patrón de radiación del dipolo de λ/2 y la antena Yagi-R, encontramos que la eficiencia direccional de la antena Yagi supera con creces la eficiencia direccional del dipolo, dado al elemento parásito que se añadió al sistema que actúa como una especie de espejo, donde la intensidad de campo que iba a ser emitida al lado contrario de la dirección de transmisión se refleja, dando como resultado una intensidad de campo mayor hacia donde se piensa transmitir. Se saca esta conclusión dado que la magnitud del lóbulo principal con respecto al

lóbulo que apunta hacia atrás es mayor,en contraposición a la antena de dipolo que sus lóbulos son igual les teniendo una eficiencia direccional igual a 0 dB. El ancho del haz de las dos antenas no sufrió un cambio drástico a comparación a la eficiencia direccional, por lo que la directividad no tuvo también un cambio, debido a que la directividad es inversamente proporcional al ancho del haz del patrón de radiación.

Fig 8. Comparación entre dipolo λ/2 y Yagi-R. 4.2. DIAGRAMA HORIZONTAL YAGI-D

Fig 9. Representación lineal en coordenadas polares.

Fig 10. Representación logarítmica en coordenadas polares

Fig 11. Representación lineal en coordenadas rectangulares

Fig 12. Representación logarítmica en coordenadas rectangulares

Fig 13. Ancho del haz por medio de coordenadas polares. Punto máximo lóbulo 3 dB por debajo 3 dB por debajo Ancho de haz

-180º -138º 160º 62º

Eficiencia direccional=1.5dB-(-9dB)=10.5dB Como el punto máximo del lóbulo está en 180 se espera que a partir de ese eje sea simétrica la gráfica, es decir que los ángulos donde cae la intensidad de campo 3 dB sean iguales pero con signos diferentes, pero este no es el caso, dado a que la señal está cortada, con tan mala suerte, en el lóbulo más grande donde se mide el ancho del haz, por imperfecciones de los elementos utilizados en la práctica como la plataforma giratoria. Dicha situación origina que la gráfica no sea simétrica afectando el valor del ancho del haz. Esto no representa un problema en la medición de la antena Yagi-R, debido a que este corte de la gráfica está en el lóbulo trasero, por lo que no genera un cambio en el ancho del haz.

(a)

(b)

(c) Fig 14. Comparación con las antenas de (a) dipolo λ/2, (b) Yagi-R y (c) Yagi-D. Al comparar el patrón de radiación del dipolo λ/2 y la antena Yagi-D, se observa que la eficiencia direccional de la antena Yagi es mayor que de la antena de dipolo λ/2, por el elemento parásito adicionado al sistema que actúa como un concentrador la intensidad de campo que va en dirección donde se piensa transmitir. El ancho del haz de la antena Yagi es menor que el del dipolo, pero no es posible sacar una comparación correcta dado a que el ancho del haz de la antena Yagi está distorsionado, por la explicación que se dijo anteriormente. Por lo tanto, tampoco es posible sacar una conclusión con la directividad de las antenas. Al comparar el patrón de radiación de las antenas Yagi-D y Yagi-R, están desfasados aproximadamente 180°, debido a que una configuración enfoca el haz y la otra la refleja, produciendo que los haces vayan en sentido contrario. En cuanto eficiencia direccional la antena Yagi-R es la que sobrepasa a la otra configuración de antena, dada a la posición del elemento parásito. Y en cuanto a la directividad tampoco es posible sacar una conclusión muy acertada, por los motivos

anteriormente dichos, perosi su confiamos a los resultados obtenidos tenemos que la antena Yagi-D es más directiva que el de configuración R. 4.3. DIAGRAMA HORIZONTAL YAGI-DR

Fig 15. Representación lineal en coordenadas polares.

Fig 16. Representación logarítmica en coordenadas polares.

Fig 17. Representación lineal en coordenadas rectangulares

Fig 18. Representación logarítmica en coordenadas rectangulares

Fig 19. Ancho del haz por medio de coordenadas polares. Punto máximo lóbulo 3 dB por debajo 3 dB por debajo Ancho de haz

10º -20º 44º 64º

Eficiencia direcciona=0dB-(-9.5dB)=9.5dB

(a)

(b)

(c) (d) Fig 20. Comparación con las antenas de (a) dipolo λ/2, (b) Yagi-R, (c) Yagi-D y Yagi-DR. Al igual que las otras configuraciones de la antena Yagi, al comparar el patrón de radiación del dipolo λ/2 y la antena Yagi-DR, la eficiencia de direccional es mayor en la antena Yagi, el ancho del haz es menor en comparación al dipolo, esta conclusión es válida, dado que la curva no está distorsionada en el lóbulo principal. Al comparar los patrones de radiación de las antenas Yagis, podemos ver que la antena con la configuración DR es la que tiene un menor ancho de haz dado tiene un elemento parásito con las características de un director y otro elemento parásito ubicado atrás del dipolo con las características de un reflector, originando ese efecto en el ancho de haz, por lo tanto, la directividad en de esta configuración, DR, es mayor que las configuraciones de las otras antenas. En cuanto a la eficiencia direccional, la configuración D es la antena con mayor eficiencia, sin embargo, no supera por mucho a la antena Yagi-DR. 4.4. DIAGRAMA HORIZONTAL YAGI-4DR

Fig 21. Representación lineal en coordenadas polares.

Fig 22. Representación logarítmica en coordenadas polares.

Fig 23. Representación lineal en coordenadas rectangulares

Fig 24. Representación logarítmica en coordenadas rectangulares

Fig 25. Ancho del haz por medio de coordenadas polares. Punto máximo lóbulo 3 dB por debajo 3 dB por debajo Ancho de haz

16º 0º -35º 51º

Eficiencia direccional=0dB-(-19dB)=19dB

(a)

(b)

(c) Fig 26. Comparación con las antenas de (a) dipolo λ/2, (b) Yagi-DR y (c) Yagi4DR. De igual forma la antena que las anteriores antenas Yagi, la configuración 4DR supera en todos los parámetros al dipolo λ/2. Al comparar con la antena Yagi -DR con la configuración 4DR se tiene un ancho de haz menor y un lóbulo principal más definido,dado por los 4 directores que fueron colocados al frente del dipolo que achata más el haz, enfocando aún más la intensidad de campo en un sólo lugar, por lo que su directividades más elevada que las anteriores configuraciones. Además se puede observar que la aparición dos haces apuntando en dirección de transmisión y otros dos pero en dirección contraria. Estos dos haces que se originaron pueden generar multitrayectoria y posiblemente una degradación a la señal de transmisión. Por lo que la antena 4DR tiene el ancho del haz más angosto, ésta tiene la directividad más alta que las demás configuraciones.

En el caso de la eficiencia direccional, la configuración 4DR es la antena con mayor eficiencia entre todas las demás configuraciones, dado por sus 4 directores, por lo tanto hay muchas más potencia que se irradia hacia adelante que la que se envía haci atrás. Para encontrar la distancia mínima donde la intensidad del campo es uniforme en todo el espacio, es la siguiente:

Donde 𝑑 " , no se considera por lo que 𝑟$ = 625𝑚𝑚es la distancia mínima donde debe estar la plataforma giratoria. 5. CONCLUSIONES ● La antena Yagi 4DR es la más directiva y con mayor eficiencia direccional entre todas las demás configuraciones de antena probadas en la presente gráfica. ● Entre más elementos parásitos de tipo directivos se tenga en la configuración de la antena, menor va ser el ancho del haz que a su vez representa un incremento en la directiva. ● Por las longitudes de los elementos parásitos ubicados contiguamente al dipolo, define si es director o reflector. ● El manejo adecuado de los equipos en el laboratorio es fundamental para realizar una práctica exitosa y obtener resultados coherentes con el fin de analizar efectivamente los conceptos teóricos.

6. BIBLIOGRAFÍA [1] «Antena Yagi Uda EcuRed». [En línea]. Disponible en: https://www.ecured.cu/Antena_Yagi_Uda. [Accedido: 08-jun-2019]. [2] «Antena direccional EcuRed». [En línea]. Disponible en: https://www.ecured.cu/Antena_direccional. [Accedido: 08-jun-2019]. [3] «Antenas direccionales Yagi: Punto a punto o punto a múltiples puntos – Ubiquiti, MikroTik, Antenas en Mexico». [En línea]. Disponible en: https://es.data-alliance.net/antenas-yagi/. [Accedido: 08-jun-2019]. [4] «T 7.6 Tecnología de antenas» J.M. Kloza K. Breidenbach Tercera edición

[5] «Informe_Antenas.pdf». [6] «Antena Yagi - Wikipedia, la enciclopedia libre». [En línea]. Disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Antena_Yagi. [Accedido: 09-jun-2019]....