ANTENA YAGI DE 4 ELEMENTOS O MAS Antena Yagi
Es una antena una antena direccional inventada por el Dr. Hidetsugu Yagi de la Universidad Imperial de Tohoku y su ayudante, el Dr. Shintaro Uda. Esta invención de avanzada a las antenas convencionales, produjo que mediante una estructura simple de dipolo, combinado con elementos parásitos, conocidos como reflector y director (es), se obtuviera una antena sencilla y de muy alto rendimiento. Generalidades
El desarrollo de las antenas directoras se realiza en general basándose en los datos experimentales. El diagrama direccional requerido puede obtenerse con un número diferente de dipolos, diferentes distancias entre ellos, diferentes ajustes de los mismos. Sin embargo, es necesario tender a obtener el diagrama deseado a condición que las dimensiones de la antena sean mínimas. Las longitudes de los elementos y su separación no son muy críticas, permitiéndose variaciones de longitud y de 1 a 5 % de separación. separaci ón. La longitud longitu d del reflector refle ctor es aproximadamente 5 % mayor que el dipolo y este 5 % mayor que el director. dire ctor. En ocasiones se tiende aumentar el tamaño del reflector y se reduce el tamaño de los directores, aumenta así el ancho de banda de la antena. Si el reflector es menor que el dipolo y este menor que los directores el efecto será totalmente dañino y anula el comportamiento de la misma. El dipolo no se cuenta como elemento, este es factor imprescindible y se da por entendido su existencia en el diagrama, una antena de un elemento se conforma de dipolo y reflector, la antena de dos elementos de reflector, dipolo y director. Función de los elementos
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.
Ganancia
En las antenas de 2 a 4 elementos, la separación aproximada es de 0.15 a 0.2 λ, en algunos casos se logra una ganancia mayor si el segundo director esta 0.25 λ del primero, y aun mayor, separando el tercero y cuarto elementos hasta un máximo de 0.4 λ. Otro factor importante es la ganancia ya que esta aumenta rápidamente con pocos elementos y lentamente para un número mayor. Con un diagrama de 2 elementos (1 director, dipolo y un reflector) la ganancia es de 5 a 7 dB, con 5 es aproximadamente de 10 dB y de 8 elementos de unos 12 dB, por esta razón no se diseñan antenas Yagi de mas de 12 a 15 elementos. Ya que el aumento de la reactancia de los directores al ir creciendo su número lleva a la disminución de las amplitudes de corrientes entre ellos. Al mismo tiempo disminuye de forma brusca la amplitud de la corriente de los directores situados a gran distancia del dipolo activo. Formulas y diseño
Por lo general, las antenas se diseñan para una sola frecuencia, tomando por lo general la frecuencia central de la banda de frecuencia deseada. El ejemplo muestra los cálculos para una antena de FM (88 – 108 MHz) de 2 elementos, para la frecuencia media 98 MHz. Para obtener el largo del reflector se utiliza la fórmula 150 dividido entre la frecuencia (150 / 98 = 153 cm) El dipolo 143/frecuencia (143 / 98 = El director 138/frecuencia (138 / 98 = Distancia entre reflector y dipolo 45 / frecuencia (45 / 98 Distancia entre dipolo y director 45 / frecuencia (45 / 98 = 48.9 cm)
145 140 = 48.9
cm) cm) cm)
Medidas para el diseño de antenas de 4 elementos
Reflector (150/Frecuencia)
Dipolo (143/Frecuencia)
Director1 (138/Frecuencia)
Director2 (130/Frecuencia)
Director3 Separación entre Reflector y Dipolo (48/Frecuencia)
Separación entre Dipolo y Director1 (45/Frecuencia)
Separación entre Director1 y Director2 (45/Frecuencia)
Separación entre Dipolo y Director1 (60/Frecuencia)
(120/Frecuencia)
Medidas para el diseño de antenas de 5 elementos
Reflector (150/Frecuencia)
Dipolo (143/Frecuencia)
Director1 (138/Frecuencia)
Director2 (130/Frecuencia)
Director3 (125/Frecuencia)
Director4 Separación entre Reflector y Dipolo (48/Frecuencia)
Separación entre Dipolo y Director1 (30/Frecuencia)
Separación entre Director1 y Director2 (30/Frecuencia)
Separación entre Director2 y Director3 (45/Frecuencia)
Separación entre Director3 Director4 (60/Frecuencia)
y
(120/Frecuencia)
ANTENA DE 16 ELEMENTOS 144 MHZ
La antena Yagi, o más técnicamente antena de elementos parásitos, es el montaje que permite una mayor ganancia de antena en función del volumen ocupado. El descubrimiento de Yagi ha hecho que ese tipo de antena sea la más utilizada, con amplia diferencia, de cuantas se emplean para conseguir ganancia y directividad.
Limitaciones de una Yagi La antena Yagi de muchos elementos tiene dos limitaciones fundamentales: por un lado la limitación mecánica de la viga central que soporta a todos los elementos, y por otro las limitaciones de diseño. A medida que añadimos elementos parásitos nos encontramos con que la viga de soporte debe ser cada vez más larga. Cuanto más larga es una viga, mayor tiene que ser su sección para soportar los mayores esfuerzos que debe aguantar. En teoría no hay problema con los materiales actuales para construir vigas de longitudes enormes, todos hemos visto las maravillas de ingeniería que suponen las grandes obras públicas, pero esas técnicas no pueden aplicarse a la construcción de antenas. La máxima sección que puede tener la viga de una antena Yagi viene limitada por la longitud de onda a que funcione la antena. La parte de elemento parásito en contacto con la viga debe ser menor de u n 2 de la longitud de onda (λ), ya que si es mayor se compromete el funcionamiento del sistema. En 144 MHz esto supone que la viga debe ser de menos de 4 cm y en frecuencias superiores mucho menor. Se puede recurrir a varios trucos mecánicos para reducir los esfuerzos sobre la viga, tales como los abarcones o los tensores, pero esos artilugios sólo actúan en un plano, el vertical. La propia disposición de los elementos parásitos impide la colocación de tensores o abarcones que limiten los esfuerzos en sentido horizontal. En presencia de fuertes vientos una Yagi muy larga se curvaría demasiado, pudiendo llegar a romperse. Con estas limitaciones, y sin emplear materiales como el titanio o similares, el limite de longitud de una Yagi en 144 MHz debe estar sobre los 12 m, utilizando los mejores aluminios y unabuena mecánica. El problema de cálculo de los elementos de una antena se complica a medida que añadimos más y más elementos. Cuando tenemos más de 10, las relaciones entre ellos y de todos con el elemento excitado se vuelven muy complejas. Además, cuando ya se tienen muchos elementos en una antena es necesario añadir bastantes más para que la ganancia aumente apreciablemente. En la figura 1 tenemos una gráfica de la ganancia teórica de una Yagi en función de la longitud de la viga expresada en longitudes de onda. Se hace así porque en las antenas Yagi largas el número de elementos es de unos 5 por longitud de onda de
largo. El hecho de que una antena de 3 λ de largo tenga 14, 15 o 16 elementos sólo modifica el resultado final en una pequeña fracción de decibelio, siempre que el cálculo realizado para construirla sea adecuado. Cuando la antena es muy larga, los elementos más alejados podemos decir que están muy débilmente acoplados al elemento excitado, y parece que su eficacia disminuya. La conclusión es bastante lógica: una vez se tiene una Yagi con suficiente ganancia y cuyas dimensiones resulten manejables es inútil seguir añadiendo elementos, vale más tomar varias iguales y apilarlas
ANTENA ESQUELETO
Por increíble que parezca, trata sobre la utilización del esqueleto humano para la transmisión de datos. En efecto, el trabajo Lin Zhong y Michael Liebschner en la Universidad de Rice (Houston, Texas), trata sobre la forma de aprovechar los metros y metros de huesos que nos sostienen como una antena para transmitir datos de manera segura y confiable, desde y hacia gadgets o implantes médicos. La investigación de estos científicos, financiada por Microsoft y Texas Instruments, podía ayudar también a personas con discapacidades a utilizar nuevas maneras de controlar dispositivos tales como computadoras y PDAs. Las señales de radio (wireless) se utilizan actualmente para controlar todo tipo de adminículos e implantes, pero pueden sufrir interferencia provenientes de sistemas WiFi u otras fuentes. Esto hace que no sean 100% fiables y incluso, en el caso de los implantes médicos, potencialmente peligrosas. Además, pueden ser interceptadas por cualquier persona que utilice una antena adecuada. El equipo de Rice decidió estudiar cómo aprovechar los huesos para la transmisión de frecuencias de radio. Como cualquier cuerpo solido, un hueso es un muy buen conductor de las ondas sonoras, y de hecho, se utiliza esa propiedad para comprobar la forma en que esta curando una fractura, o para llevar el sonido desde el exterior del cráneo al nervio auditivo. El experimento consistió en colocar transductores en diferentes puntos del esqueleto de un voluntario para comprobar si el hueso podría transmitir datos numéricos de manera fiable, a través de “largas distancias”, como la existente entre la muñeca y el cráneo. Cuando midieron las señales acústicas recibidas en otra parte en el cuerpo, encontraron que una señal modulada, de forma que un “0” corresponda a una frecuencia y un “1” a otra distinta (mo dulación FSK) se transmitía con una tasa de errores sorprendentemente baja. “Es sorprendente”, dice Zhong, “sobre todo si consideramos que entre la muñeca y el cráneo hay varios huesos y empalmes”. Se eligieron estos lugares por ser los sitios del cuerpo en donde los gadgets se utilizan normalmente: la muñeca para los relojes, la parte baja y posterior de la cadera donde descansan los teléfonos móviles, y detrás del oído para los receptores de cabeza. Zhong expuso sus resultados en una conferencia sobre redes sobre el cuerpo humano en Florencia, Italia. Algunas de las aplicaciones prácticas de esta propiedad de los huesos, tal como explica los investigadores podrían incluir la activación de determinadas funciones de un teléfono móvil simplemente chasqueando los dedos o castañeando los dientes. También sería posible que un implante medico cercano a un hueso suelte una dosis de medicamente cuando el paciente aplica un vibrador sobre la muñeca. Resulta evidente que esta tecnología podría cambiar la forma de disfrutar de nuestros gadgets. En NeoTeo ya imaginamos reproductores de MP3 que envían la música a los
oídos sin necesidad de cables o auriculares o teclados virtuales para el ordenador, en los que escribiría haciendo “tap tap” sobre la mesa. ¿Qué se te ocu rre a ti? Los investigadores sugieren usos tales como un vibrador en un receptor/un transmisor de la muñeca que podrían decir un implante colocado cerca de un hueso para lanzar una dosis de la droga, con el implante entonces enviando detrás datos de sus sensores. Semejantemente, el diente clacks o los tecleos del dedo se podrían interpretar por un receptor para activar, por ejemplo, funciones en un teléfono.
Los datos pasan a través de las articulaciones.
Transmiten ondas como cualquier sólido .
ANTENA CON DIEDRO REFLECTOR
De
izquierda
a
derecha:
-- Dipolo con un diedro reflector. El ángulo del diedro es de 90°. -- En punteado las imágenes de las superficies reflectoras. Dos imágenes de antenas están en oposición de fase y la de la izquierda está en fase ya que es el resultado de dos reflejos. -Diagrama de radiación en el plano perpendicular al dipolo. -- Diagrama de radiación en el plano que contiene el dipolo y el vértice del diedro. Si, en lugar de colocar una superficie plana como reflector, se utiliza un diedro formado por superficies o rejillas metálicas las ondas emitidas por el dipolo se reflejan una o dos veces en las superficies y el resultado es equivalente a añadir antenas imágenes suplementarias. En el ejemplo de la derecha, el ángulo escogido para el diedro es de 90°. Eso hace aparecer dos imágenes de un solo reflejo y otra de dos reflejos. Si el ángulo hubiese sido 60° habrían aparecido 5 imágenes: 3 negativas y dos positivas. En este ejemplo, hemos puesto la separación entre el dipolo y el vértice del diedro . La distancia entre la antena 1 (el dipolo) y la antena 3 es de el dipolo y las antenas 2 y 4 es de
. La distancia entre
.
Como en el caso precedente solo necesitamos la primera ecuación del sistema de la describe ya que conocemos las corrientes:
Sabemos que:
Luego:
La impedancia es
En las mismas curvas que en el caso precedente encontramos: ohmios ohmios ohmios Eso nos da una impedancia de la antena: ohmios El campo eléctrico lejano es:
En
estas
ecuaciones,
es
el
campo
producido por un dipolo solo. En la mejor dirección, para , ese campo vale:
Lo que nos permite de calcular la ganancia:
dBi
Antena de Cuadro Suiza (Swiss Quad)
Se puede ver la distancia H que es la separacion entre las dos cruces que forman luego el cuadro. A continuacion en la figura 2 vemos en detalle una de estas cruces hechas con caño de 5/8 liviano y en la parte telescopica un trozo de cañito de cortina o similar. Hay que tener en cuenta que la parte telescopica en la cruz de abajo tiene que realizarse despues del gamma, esto es a partir de la mitad del calculo de A y de B, esto se puede ver en detalle en la figura 4. Luego estas dos cruces se sueldan al mastil y se conectan en los extremos por un cable de cobre multifilar desnudo de 1.5mm de seccion, prestar atencion en este punto porque el cable debe medir igual que H, sino los extremos de las cruces se doblaran, perdiendo obviamente la longitud calculada para el elemento.
Los calculos que se necesitan para obtener las medidas A, B, C, E, H y el largo total de gamma son los siguientes:
En la figura 4 se detalla el puente gamma que debe ser colocado con unos aisladores preferentemente fenolicos, luego el conector de la antena (SO-239 Hembra) se monta
sobre una chapa remachada al mastil y se suelda un conductor al centro del adaptador gamma. Cálculos de algunas antenas:
Frecuencia Irradiante Reflector A
B
C
H
E
Largo total Gamma
27.555
11.889
12.498
0.942 1.018 0.769 3.048 1.088 2.518
28.020
11.691
12.291
0.926 1.001 0.756 2.997 1.070 2.475
28.330
11.564
12.156
0.916 0.990 0.748 2.965 1.059 2.449
28.500
11.494
12.084
0.910 0.984 0.744 2.947 1.052 2.435
*La frecuencia esta en MHz y todas las demas medidas son en metros.
del
