UTPL
ANTENAS
UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA INFORME ANTENAS TEMA: REALIZACIÓN DE UNA ANTENA YAGI-UDA PARA UNA FRECUENCIA DE 106.5Mhz INTEGRANTES: CARLOS CAMPOVERDE RONALD PINEDA PARALELO: “B”
LOJA-ECUADOR 2012
UTPL
ANTENAS
ANTENA YAGI-UDA PARA UNA FRECUENCIA DE 106.5 MHz Carlos Campoverde, Ronald Pineda
[email protected] ,
[email protected]
RESUMEN En el presente informe se presentan los cálculos matemáticos necesarios para la construcción de una antena yagi-uda con una frecuencia de 106,5 MHz, así como también simulaciones de dicha antena. Se realiza una breve introducción a estas antenas, describiendo teóricamente su comportamiento y estructura Las simulaciones se las ha realizado con ayuda de los programas Feko, y quickyagi. Índice de Términos: Acoplador Gamma-Match, ROE, Dipolo,.
1. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA 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. La antena más popular entre los radioaficionados es la yagi-uda o con elementos, A partir de la antena dipolo de media onda nos es posible conseguir antenas que radien o reciban las ondas electromagnéticas en un haz estrecho, lo que permite concentrar en un punto toda la energía, logrando de esta manera que la intensidad de campo en un punto sea mucho mayor que la que se obtendría con otra antena de igual potencia [1] 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, 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.
UTPL
ANTENAS
Finalmente la corriente que circula en cada uno de los elementos es el resultado de la interacción entre todos los elementos. 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 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 Las longitudes de los elementos y su separación no son muy críticas, permitiéndose variaciones de longitud y de 1 a 5 % de separación. La longitud del reflector es aproximadamente 5 % mayor que el dipolo y este 5 % mayor que el director. 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. [2]
1.1 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.
UTPL
ANTENAS
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. 3. 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. 4. 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]
Fig1. Elementos de una antena Yagi-Uda En la Fig1 podemos observar la estructura básica que tiene una antena yagi-una
Fig2. Colocando el elemento pasivo a una distancia específica, la antena ofrece una ganancia importante
UTPL
ANTENAS
En la Fig.2 vemos de manera clara la forma en que los elementos pasivos o parásitos incrementan la ganancia del conjunto (líneas azules) en el sentido apropiado, según su longitud y su separación respecto al elemento activo o irradiante . La modificación del elemento parasito provoca; si se alarga una reactancia inductiva y si se acorta una reactancia capacitiva Para el presente proyecto construiremos una antena yagi-uda con tres elementos.
1.2 ANTENA YAGI DE TRES ELEMENTOS Cuando se combinan los elementos como en la fig1 se considera que se ha alcanzado una configuración Yagi mínima: Director, (Irradiante) y dos Reflectores para formar una antena de 3 elementos que puede alcanzar a brindar una ganancia de 8,5dB , respecto a un dipolo tradicional. La separación entre elementos juega un papel importante al momento de definir determinados aspectos de la antena , por ejemplo: a menor separación obtendremos un haz más estrecho y menor ancho de banda con mayor ganancia. Por el contrario, con una separación mayor, el haz de emisión/recepción será más ancho, con un ancho de banda mayor y una menor ganancia. Es decir, se cumple lo que siempre se dice en el mundo de las antenas: lo que se gana por un lado, se pierde por otro . Por otra parte, a medida que los elementos se aproximan entre sí, el componente resistivo puro de la antena varía. Debemos tener presente que el director suma reactancia capacitiva y el reflector agrega reactancia inductiva al sistema, de este modo, con una separación apropiada, la componente final (deseada e ideal) debe ser como resultado, resistiva pura. [4]
1.3 ACOPLE GAMMA MATCH El Gamma-Match es un sistema de adaptación de impedancias asimétrico entre el cable y el elemento excitado, formado por una sección de línea y una capacidad en serie [5]. Este acoplador de impedancia es el más utilizado por su eficiencia y facilidad de construcción, el mismo se lo construye con los mismos materiales que se construye la antena. Su concepto nace del fabricar un condensador variable aprovechando los tubos de aluminio que conforman la antena y las propiedades de capacitancia que presentan los tubos huecos. Al insertarse un tubo dentro del otro, se logran capacidades prácticas para poder acoplar antenas que presentan reactancias inductivas, es decir, se utilizan para cancelar la reactancia que exhibe toda antena y con ello, lograr sintonía a la frecuencia de trabajo y un bajo valor del ROE.
UTPL
ANTENAS
La variación de impedancia produce al variar la distancia entre el dipolo y el tubo de adaptación; y la relación entre los diámetros de los tubos y del sistema de adaptación. Se lo construye con el mismo tubo del cual está hecha la antena (dipolo simple), es decir con un tubo de aluminio de 3/8"; dentro de este tubo que tiene una longitud de se introducirá un pedazo de coaxial RG8 de la misma longitud como se observa en la Fig-4.
a) b) c) Fig3. (a) Cable coaxial sin forro y malla (b) tubo de aluminio para el Gamma Match (c) tubo de aluminio con el cable coaxial insertado Como se observa en la Fig3(a) al cable coaxial se le eliminará el forro y la malla quedando únicamente el forro que protege al conductor central, el forro produce un aislamiento entre el tubo de aluminio y el cable que va soldado al conector previamente fijado en el boom de la antena. El shunt es la pieza de aluminio que une el elemento excitado (antena) y el Gamma-Match, para poder realizar el análisis del acoplador se variara el tamaño del shunt con el fin de saber cuál es su mejor tamaño en función del ROE.[6] El efecto de capacitor variable que se desea para acoplar la antena, se lo obtiene al variar la posición del shunt hasta encontrar su posición optima, es decir el punto en el cual el valor del ROE es lo más cercano a 1. [7].
Fig4. El adaptador gamma es un acoplamiento capacitivo que se utiliza para entregar al irradiante la energía de RF
UTPL
ANTENAS
2. SIMULACIÓN DE DISEÑO Y OPTIMIZACIÓN 2.1 Medidas para el diseño de la antena
Reflector
Dipolo
Separación entre Dipolo y Director1
Separación entre Reflector y Dipolo
Director2
Director1
Separación entre Director1 y Director2
UTPL
ANTENAS
Descripción
Medida (m)
Reflector Dipolo Director1 Director2 Separación entre Reflector y Dipolo Separación entre Dipolo y Director1 Separación entre Director1 y Director2
1,41 1,34 1,3 1,26 0,42 0,42 0,42
Tabla1. Medidas de los elementos de la antena Ganancia=10,76 dB Largo de la antena Podemos verificar los datos calculados ingresando la frecuencia en que vamos a trabajar en el programa quickyagi
Fig5. Datos en base a la frecuencia (quickyagi)
UTPL
ANTENAS
2.2 Simulaciones 2.2.1 Simulaciones Feko
Fig6. Bosquejo de la antena yagi hecho en feko
Fig7. Patrón de radiación
Fig8. Ganancia y directividad
UTPL
ANTENAS
Fig9. Gráfica de la impedancia
2.2.2 Simulaciones quickyagi
Fig10. Patrón de radiación de la antena
Fig11. Bosquejo de la antena Yagi A continuación vamos a realizar una simulación para valores cercanos a nuestra frecuencia de trabajo, así podremos observar el comportamiento de la antena
UTPL
ANTENAS
Fig12. Valores a evaluar en la antena
Fig13. Patrón de radiación evaluado en varias frecuencias
Fig14. Comportamiento lineal En la Fig14. Podemos observar que la ganancia para frecuencias cercanas a 106,5 Mhz no cambia de manera considerable.
3. IMPLEMENTACIÓN DEL PROTOTIPO Luego de obtener los datos de las mediciones procedemos a armar nuestro prototipo de antena Primero recortamos el tubo de ¼ de pulgada de aluminio para hacer el soporte de los elementos de la antena
UTPL
ANTENAS
Fig15. Construcción del soporte de los elementos de nuestra antena Una vez hecho esto, procedemos ha cortar en el tubo de aluminio de 10mm de diámetro, los elementos que llevara nuestra antena, con las medidas de la tabla 1.
Fig16. Elaboración de los elementos de la antena Cabe recalcar q se le ha añadido 5cm a cada medida de los elementos, para evitar cualquier posible error al momento implementar nuestra antena
UTPL
ANTENAS
Una vez hecho esto lo siguiente es perforar en el tubo (que servirá de base para los elementos), agujeros para cruzar por medio de este los diferentes elementos de la antena, respetando la separación entre estos También haremos una pequeña perforación en el centro de cada elemento, para poder empernar estos elementos a la base y así darle mayor estabilidad
Fig17. Perforación en el centro de los elementos de la antena Ahora que tenemos todos los elementos perforados, solo nos queda armar nuestra antena como se muestra en la imagen siguiente
Fig18. Armado de la antena, sin acople gamma match
UTPL
ANTENAS
Hecho esto solo nos queda realizar el acople de impedancias, para lo cual hemos utilizado la siguiente aplicación, con la cual podemos obtener todos los valores significantes para realizar nuestro acople
Una ves obtenidas las dimensiones para nuestro acople, primero taladramos en un tubo cuadrado y fijamos el conector para el cable coaxial
Fig19. Boom cuadrado con conector hembra Fijamos el Boom, en este caso se fijó con la tuerca del mismo tornillo pasante del irradiante y que a su vez fija el aislador del Dipolo. Realizamos un corte que le dé forma circular en el conector y taladrar para pasar el elemento central del Gamma Match (En este caso se uso el conductor central de un cable coaxial RG8,
UTPL
ANTENAS
preferiblemente con aislamiento macizo (No usar cualquiera que pueda retener liquido). Soldamos el extremo inferior del elemento central en el Conector
Fig20. Cable coaxial RG8 sin la protección En la Fig20, podemos observar como se le debe quitar la capa protectora y la malla al cable coaxial, de tal manera que solo nos quede el aislamiento y el alma del conductor para realizar nuestro acople
Fig21. Armado del acople Gamma Match Construimos la abrazadera de ajuste del Gamma Match (shunt), se puede construir con una pletina de aluminio. Colocamos el elemento externo del Adaptador Gamma y fijar la abrazadera
UTPL
ANTENAS
en el extremo superior del mismo). En el procedimiento de ajuste, ésta abrazadera se debe deslizar hacia abajo, hasta obtener el acople deseado.
Fig22. Shunt y acople gamma match Terminado esto podemos decir que nuestra antena esta lista para realizar las respectivas mediciones que garanticen su correcto funcionamiento
4. PRUEBAS Y MEDICIONES REALIZADAS. Para poder comprobar si nuestra antena funciona correctamente, debemos medir la razón de ondas estacionarias (ROE) Este valor de ROE debe oscilar entre 1 y 1.5 para obtener un buen funcionamiento de la antena
Fig23. Realizando la medición del Roe de nuestra antena
UTPL
ANTENAS
Al realizar esto obtuvimos los siguientes resultados
a)
b) Fig24 (a), (b). Valores de Roe obtenido luego de la medición El Roe obtenido en nuestras mediciones tiende a variar entre 1.1 y 1.3 Observamos que con la frecuencia en 106.5Mhz, nuestro ROE es mejor para el funcionamiento de la antena
UTPL
ANTENAS
5. CONCLUSIONES
Al desarrollar la antena podemos concluir que se debe dejar siempre una mayor dimensión en la medida de los elementos de la antena(en este caso 5cm) para evitar futuros errores Se debe realizar un buen armado de la estructura de nuestra antena, evitando preferentemente que los elementos nos queden inclinados Debemos evitar que por alguna razón se filtren líquidos al interior de nuestra antena, puesto que esto tiende a afectar el funcionamiento de la misma El acople gamma match debe estar siempre paralelo al elemento radiante El acoplador de impedancias entre antenas y cable coaxial Gamma-Match, permite anular la reactancia inductiva que presenta la antena, permitiendo así obtener un bajo nivel de ondas estacionarias (próximo a 1). El colocar elementos parásitos a la antena en este caso dos directores, da mayor estabilidad y un mejor nivel de ondas estacionarias (ROE) en la antena
6. Bibliografía [1 ]http://www.ecured.cu/index.php/Antenas_Yagi_Uda (información en línea) [2] D. Jefferies, "Yagi-Uda antennas" . 2004. [3] http://www.neoteo.com/antena-yagi (información en línea) [4] "Directive Short Wave Antenna, 1924" . IEEE Milestones, IEEE History Center, IEEE, 2005. [5] Parámetros de antenas. Disponible en: www.proteccioncivil.es/es/DGPCE/Informacion_y_documentacion/catalogo/carpeta02/carpeta 24/vademecum/vdm0251.htm#G [6] Radio Afición. Disponible en: http://www.qsl.net/xe3rn/10mts.htm [7]David M. Pozar, “Microwave Engineering”, Second Edition. John Wiley & Sons, Inc. 1998.
