Antena Yagi UdaV2

Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Vargas V. Martinez D. Diseño, Construcción y Caracterización de antena Yagi-Uda. Vargas Velasquez. Sebastian y Martinez Duarte. Victor Alfonso. Universidad Distrital Francisco José de Caldas Especialización en Telecomunicaciones Móviles Facultad de Ingeniería

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DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE ANTENA YAGI–UDA

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Resumen—Este artículo presenta un diseño, simulación, optimización, construcción y caracterización de antena YagiUda, el diseño se hace utilizando el método NBS (Nacional Bureau Standard). La antena es diseñada para trabajar en la banda de frecuencia de 2401 a 2500 MHz con resonancia en 2450MHz. Con ayuda de la herramienta MMANA-GAL se realiza el proceso de simulación y optimización para ajustar el tamaño del reflector, dipolo y directores además su distancia de separación. Se diseña una antena directiva con una ganancia de 12 dBi, y un nivel de referencia de -10dB y en la frecuencia central tiene un valor de 2 en VSWR. Una vez optimizada la antena se construyó utilizando alambre de cobre de 2mm de diámetro y un soporte de material dieléctrico ABS. Se procedió a caracterización y como resultado se obtuvo una antena con un ancho de banda de 128 MHz (5.71%) con una frecuencia de resonancia de 2224 MHz y un diagrama de radiación muy similar al obtenido en la simulación. Palabras clave—Antena Yagi-Uda, Ganancia, Ancho de Banda, VSWR.

Abstract-This paper presents a design, simulation, optimization, construction and characterization of Yagi-Uda antenna, the design is done using the NBS (National Bureau Standard) method. The antenna works in the frequency band 2300-2500 MHz to 2450MHz resonance. They develop and design using the tool MMANA-GAL process simulation and optimization is performed to adjust the size of the reflector, dipole and directors also their distance apart. a directional antenna with a gain of 12 dBi and a reference level of 10dB is designed and at the center frequency has a value of 2 in VSWR. Once optimized antenna was constructed using copper wire of 2 mm in diameter and a holder of dielectric material ABS. We proceeded to characterization and an antenna result was obtained bandwidth 128 MHz (5.71%) with a resonance frequency of 2224 MHz and the diagram very similar to that obtained in the simulation radiation. Keywords-Yagi-Uda antenna, gain, bandwidth, VSWR. I. INTRODUCCIÓN El principal objetivo de este documento es mostrar todo el proceso de construcción de una antena, a partir

del diseño y simulación de la antena Yagi Uda hasta su caracterización. Se realiza el cálculo de los diferentes parámetros de la antena como las longitudes del reflector, los directores, el radio del soporte y separación entre directores, para cada banda. Luego se realiza la simulación en la herramienta MMANA-GAL donde se muestran los patrones de radiación, la ganancia y el ancho de banda de cada una, se realiza una optimización. Se procede a construir la antena utilizando alambre de cobre y una base soporte de material dieléctrico y finalmente se realiza la caracterización de la antena en el laboratorio. Se mide ancho de banda, frecuencia de resonancia y se mide si patrón de radiación en la cámara anecoica con el fin de mostrar su caracterización completa.

II. MARCO TEÓRICO La antena Yagi Uda

Figura 1. Geometría de la antena Yagi-Uda

Esta antena constituida por una agrupación de dipolos en la cual uno es excitado y los restantes son elementos parásitos cortocircuitados (Figura 1), en los cuales la corriente es inducida por acoplamiento mutuo, tiene aplicaciones en las bandas de HF (3 a 30 MHz), VHF (30-300MHz), y UHF (300-3000MHz), para servicios de radio difusión de televisión y enlaces de radio punto a punto, así como en estaciones de radio aficionados. Este tipo de agrupación se puede considerar como

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longitudinal (Endfire) donde el Elemento Excitado más común es el dipolo plegado el cual es utilizado como medio para incrementar la impedancia de la agrupación que en general es baja cuando se maximiza la ganancia. La antena cuenta con una serie de elementos parásitos en la dirección del máximo de radiación, denominados Directores y uno en la dirección contraria denominado Reflector. El diseño original corresponde al profesor S.Uda de la Universidad de Tohoku en Japón y fue propuesto en los años 1920 mediante articulo inicial publicado en japonés por el autor en la revista Journal of IEEE, pero el articulo más popular fue el escrito en inglés por el profesor Yagi sobre el mismo tema. La antena propuesta fue conocida por la comunidad científica en 1928 cuando Yagi visito los EEUU en un congreso del I.R.E. y posteriormente publicada en los proceedings del I.R.E. Para lograr una configuración del tipo longitudinal (Endfire) en la agrupación, el tamaño del elemento alimentado debe ser ligeramente más pequeño que un dipolo lamda medios, usualmente (0.47λ
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directores. Las características expuestas antes identifican la antena Yagui-Uda como una antena que soporta una onda viajera. En la practica la mayoría de las antenas tienen cerca de 6 a 12 directores sin embargo algunas agrupaciones han sido diseñadas y construidas con 30 a 40 elementos con tamaños hasta de 6λ, con lo cual se puede obtener ganancias máximas en el intervalo 14.8 dBi – 18.9 dBi, en general la ganancia que se puede obtener con este tipo de antenas esta en el intervalo 9 < G0< 18.9dBi. Usualmente estas agrupaciones poseen una baja impedancia de entrada y un ancho de banda angosto del orden del 2% arriba de la frecuencia central de diseño y del orden del 6% abajo de la misma (0.06 f 0 tal que f < f0, 0.02 f0 tal que f>f0). El mejoramiento de parámetros como impedancia, acho de banda, conduce al empeoramiento de otros como: ganancia, NLPS, FTBR. La decisión de optimizar un parámetro como impedancia o ganancia depende de la aplicación particular, de tal manera que en aplicaciones de enlaces punto a punto terrenos, lo deseable es optimizar la impedancia de entrada de la antena (zin = 50 Ohm) lo cual deteriora su ganancia, mientras que en aplicaciones de seguimiento de satélites pequeños (Cubesats) en las bandas de VHF, UFH es deseable optimizar la ganancia lo cual conduce a que su impedancia se reduzca, a este respecto el mercado ofrece soluciones de antenas en UHF con ganancia de hasta 18.9 dBi con 21 elementos, con polarización circular si se requiere, aspecto de gran importancia para aplicaciones satelitales en la estación terrena para garantizar una buena relación S/N y contrarrestar el efecto Faraday respectivamente. MÉTODO NBS (NATIONAL BUREAU STANDARD) El organismo gubernamental americano denominado “National Bureau Standard” NBS propone una metodología de diseño basado en medidas sobre prototipos construidos para antenas Yagi-Uda y presenta sus resultados en el clásico pero aun hoy día valioso documento, el cual permite diseñar de una manera práctica este tipo de antenas mediante una seria de gráficas y tablas que aportan a información necesaria para determinar los valores de parámetros como: longitud de los elementos, diámetro, separación, numero de los mismo y efecto del soporte de la agrupación, todo esto finalmente determina la ganancia máxima de la misma.

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Mediante este documentos se pueden diseñar 6 tipos de agrupaciones desde 7.1dBλ/2 -> 14.2dBλ/2 con tamaños desde 0.4λ < L < 4.2λ y un máximo de 17 elementos 3 < N < 17, este material no puede cubrir todos los diseños, pero si los mas relevantes. El rango de diámetros que incluye va de 0.001 < d/λ0 < 0.04, el elemento excitado es el dipolo plegado y la frecuencia de medida fue de 400 MHz. El diseño propuesto NBS, incluye dos figuras y una tabla como se nota a continuación: 1

Una tabla que representa los parámetros óptimos de diseño para 6 longitudes totales y para un diámetro del material d/λ0 = 0.0085.

Figura 3. Ajuste de tamaño por Soporte

III.METODOLOGÍA DE TRABAJO 1 2 3 4

Diseño de la antena utilizando el método NBS. Simulación y Optimización utilizando la herramienta MMANA GAL. Construcción de la antena. Caracterización de la antena utilizando VNA y plataforma de rotación.

IV. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE ANTENA Tabla 1. Diseño NBS de antenas UDA

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Una figura que permite compensar las longitudes del reflector y los directores, teniendo en cuenta el diámetro real utilizado en el diseño, partiendo de la tabla anterior que utiliza un diámetro de d/λ 0 = 0.0085.

Se procede con el diseño de una antena Yagi-Uda que con frecuencia de resonancia de 2450 MHz. Para empezar se realiza el cálculo de la antena para cada uno de los rangos de manera independiente y luego se realiza una optimización donde se acople ambas antenas. CALCULOS Para el cálculo de la antena y con referencia en el método NBS se diseña para utilizar 4 directores, una ganancia de 12 dBi, una línea de transmisión de 50 ohm y un tubo de material dieléctrico de 1/8”. Para calcular la frecuencia central de nuestro rango es: f0 =

Figura 2. Ajuste de tamaño.

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Una figura que permite compensar el uso de una estructura de soporte conductores (en caso de utilizarla). Esta figura permite determinar la longitud necesaria en que deben ser alargados los directores y reflector en función del radio del soporte en el rango de 0.001 < Dλ0 < 0.04.

√ 2401∗2500=2450 MHz

Teniendo en cuenta que el ancho de banda de una antena Yagi-Uda en el mejor de los casos está en el intervalo definido por: 0.06f0 tal que f < f0 y 0.02 tal que f < f0



BW =

2∗(24 0 1−2500) ∗100 =4 .03 (24 0 1+2 500)

El ancho de banda teórico de esta antena es de 99MHz y en porcentaje es del 4.03%

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Se ubica en la curva superior: I’R = 0.478 λ; ID1-4 = 0.413 λ ID2-3 =0.426 λ Se utilizara un soporte de tubo circular dieléctrico Por tabla se tiene una diferencia de 0.0064:

Figura 5. Grafica para ajuste de valores.

Por lo tanto los valores se ajustaran de la siguiente manera: Tabla 2. Longitud óptima de elementos parásitos según NBS.

Por tabla tenemos una distancia entre dipolos de 10.2λ = 0.157894. Los alambres que seleccionamos son de cobre de 2 mm de diámetro (a=1 mm radio). λ = 300/2450 = 0.122448 m d/λ= 0.002/0.122448 = 0.0163 La tabla está diseñada para 0.001
Figura 4. Gráfica para ajuste de valores

λ= 0.122448 m a= 0.001 m d/ λ = 0.016 I”R = 0.478 λ = 0.0587 m I”D1-4 = 0.413 λ = 0.0522 m I”D2-3 = 0.426 λ = 0.0514 m IDA = 0.4563 λ = 0.0558 m Distancia entre dipolos=0.0306 m

V. SIMULACIÓN Y OPTIMIZACIÓN Para realizar las simulaciones de la antena diseñada se utiliza la herramienta MMANA-GAL.

Figura 6. Geometría de la antena optimizada.



Se realiza la simulación de la antena diseñada y aunque cuenta con una frecuencia adecuada de corte, la directividad y la ganancia no son adecuadas; no se realizan grandes modificaciones en la distancia entre los dipolos ya esto no presentó buenos resultados y solo afecta a la directividad de manera negativa ya sea acercándolos o alejándolos; por lo tanto sólo se hicieron pequeñas modificaciones en la longitud de los dipolos directivos.

Figura 8. VSWR (ROE) optimizado.

Observación: Cuando se realiza el proceso de optimización, se puede apreciar la frecuencia donde debería resonar la antena. Parámetro Ganancia/FB:

El módulo de optimización integrado en MMANA – GAL, realiza un proceso de priorización de parámetro, es decir, se dará relevancia al parámetro determinado para así dar mejor respuesta de la antena a diseña. Se debe tener en cuenta que al momento de realizar este proceso puede existir empeoramiento en otros parámetros, ya que siempre existirá un costo al momento de querer obtener mejores resultados. Parámetro impedancia Z:

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Figura 9. Ganancia/FB optimizada.

Observación: La ganancia de la antena después de realizar el proceso de optimización es de 9.8 dBi. Parámetro Campos Distantes:

Figura 7. Parámetro Z optimizado.

Observación: La optimización permite que la impedancia de la antena en la frecuencia de resonancia sea de 50 ohm sin parte reactiva. Figura 10. Campo Distante Optimizado para la antena.

Parámetro VSWL (ROE): Razón de onda estacionaria para la antena.

VI. CONSTRUCCIÓN DE LA ANTENA Para la construcción física de la antena se utiliza alambre de cobre de 2mm de diametro, para el soporte de utiliza un tubo hueco de material dielectrico, se utiliza un conector SMA y cable coaxial de 50 ohm y escudo de cobre. Se cortan y pulen los alambres a la medidas obtenidas en la simulación y optimización.



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SCHWARZ ZVL ZV 13.

Figura 13. VNA ROHDE.

Según la lectura del VNA se obtiene que la frecuencia de resonancia de la antena es de 2224 MHz y tiene su ancho de banda va desde 2176 a 2304 MHz, esta misma información se verifica en el archivo *.dat* obtenido del VNA y graficados en la figura 14. S11 Reflection - Log Magnitude 0 -5

Figura 11. Antena Yagi-Uda construida.

Una parte importante de la construcción es el uso del Balun ya que permite el acople al sistema desbalanceado de la antena. Se construye con cable coaxial de 50 ohm y se coloca a una longitud de λ/4 según la figura 12.

(dB)

-10 -15 -20

Frecuencia (GHz) Figura 14. Datos obtenidos del VNA graficados en Excel.

Ancho de Banda: 128MHz

BW =

2∗(2304−2176) ∗100 =5.71 (2304+ 2176)

Figura 12. Balun coaxial.

VII.

CARACTERIZACIÓN DE LA ANTENA

ANCHO DE BANDA Para la caracterización de la antena se utiliza un analizador vectorial de redes VNA ROHDE &

CAMPO LEJANO (DE RADIACIÓN) Para medir el patrón de radiación o campo lejano se utiliza una cámara anecoia la cual aisla a la antena de interferencias externas. Se utiliza una antena de referencia y una plataforma de rotación de antena (Figura 15) y con la ayuda de la herramienta FG–



CASSY Lab 2 se obtiene el patrón de radiación normalizado (Figura 16).

VIII.

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CONCLUSIONES

Es importante fijar muy bien los directores a la base e inmovilizar el conector al cable coaxial, ya que cualquier movimiento es capaz de cambiar el comportamiento de la antena, por esta razón fue necesario utilizar silicona y amarres permanentes.

Figura 15. Estructura de giro antena y cámara anecoica.

Se observó que la frecuencia de resonancia de la antena pasó de ser teóricamente 2450 MHz a 2224 MHz, esto se debe a inexactitud en la medida de los directores y del reflector y a cambios en la geometría de la antena al momento de ser manipulada. El ancho de banda teórico de 100MHz y el medido con el VNA es de 128 MHz, si se comparan en porcentaje la diferencia es menor, de 4.03% a 5.71% respectivamente, esto se puede deber a los mismos motivos que el cambio en la frecuencia central. Durante la medición de campo lejano, la antena de referencia en la plataforma de rotación fue interrumpida y por este motivo el patrón de radiación no se ve cerrado.

Figura 16. Patrón de radiación medido en la cámara anecoica.

La herramienta FG–CASSY Lab 2 permite guardar el patrón de radiación en formato de Excel y graficando estos resultados se obtiene la gráfica de la figura 17.

Diagrama de Radiación -180 180 -178 178 -176 176 -174 174 -172 172 -170 170 -168 168 -166 166 -164 164 -162 162 -160 160 -158 158 - -154 156 156 154 -152 152 -150 150 -148 148 -146 146 -144 144 -142 142 -140 140 -138 138 -136 136 -134 134 -132 132 -130 130 -128 128 -126 126 -124 124 -122 122 -120 120 -118 118 -116 116 -114 114 -112 112 -110 110 -108 108 -106 106 -104 104 -102 102 -100 100 -98 98 -96 96 -94 94 -92 92 -90 90 -88 88 -86 86 -84 84 -82 82 -80 80 -78 78 -76 76 -74 74 -72 72 -70 70 -68 68 -66 66 -64 64 -62 62 -60 60 -58 58 -56 56 -54 54 -52 52 -50 50 -48 48 -46 46 -44 44 -42 42 -40 40 -38 38 -36 36 -34 34 -32 32 -30 30 -28 28 -26 26 -24 2422 -20-22 20 -18 18 -16 16 -14 14 -12 12 -10 1086420-2 -8 -6 -4

1

0.5

Haciendo la comparación entre el diagrama de radiación simulado y el medido se observa que son similares en el lóbulo principal, el lóbulo trasero y los dos lobulos laterales. Esto quiere decir que hablando de directividad la antena cumple con las características iniciales del diseño. Durante el proceso de simulación y optimización se observó que al fijar la impedancia de la antena en 50 ohm, era inevitable sacrificar directividad y ganancia, por eso al simular la optimización se nota que la relación front to back es mayor y que la ganancia queda en 9.8 dBi y no en 12 dBi como se diseñó inicialmente.

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ANEXOS

Se anexan los archivos correspondientes a la simulación en la herramienta MMANA-GAL, Excel con el diagrama de radiación medido en la cámara anecoica y archivos de VNA Rohde VNA.

Figura 17. Datos obtenidos del patrón de radiación en Excel.

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Antena Yagi-Uda



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Patron de Radiación Yagi-Uda Yagi 2450v4.maa

[2] SUAREZ F, Carlos. Apuntes para un curso de antenas. Universidad Distrital Francisco José de Caldas. [3] GOMEZ, J. C.,BARRERO L., CELEITA R. Diseño de antenas Yagi Uda usando algoritmos genéticos. Ciencia Investigación Academía y Desarrollo. Vol.8 No. 2. Universidad Distrital Francisco José de Caldas. [4] VIEZBICKE Peter. Yagi Antenna Design. NBS Technical Note 688. US Department of commerce. Nationa Abreau Standards. 1976.

Autores Martinez Duarte, Victor Alfonso Vargas Velásquez, Sebastian

REFERENCIAS

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Ingenieros en Telecomunicaciones Universidad Distrital Francisco José de Caldas

[1] CARDAMA A, Angel. Antenas, Segunda edición 2002. Universidad de Cataluña y Universidad Politecnica de Valencia.


Antena Yagi UdaV2

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