Esta popular antena, que se ha consolidado a través de los años, fue creada y patentada en 1926 por el doctor Hidetsugu Yagi, de la Universidad de Tokio. La configuración mínima de este modelo de antena utiliza sólo dos “elementos”, sin embargo, el agregado de más “elementos” provee a la antena una característica muy deseada por todos los usuarios de equipos de radio: ganancia. Como dato útil para entusiasmar a cualquiera, podemos decir que una antena Yagi de 6 elementos puede lograr cifras de ganancia ubicadas en el orden de los 12dB. En términos prácticos, esto equivaldría a que un transmisor de 50Watts pueda ser escuchado como si emitiera con 1KW (1000Watts) (o vatios). Si en verdad intentas llegar lejos con tu transmisión de radio, este artículo es para ti.
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A medida que el auge de la radio se expandía por el mundo, día a día se sumaban aficionados y científicos al creciente fenómeno cultural, que nunca dejaba de dar noticias sobre hallazgos de técnicas, diseños, desarrollos, materiales y/o tipos de construcción, tanto de equipos de radio como de antenas. Por supuesto, los fracasos eran moneda corriente en una época en que no existía la tecnología al servicio de la experimentación; por aquellos años todo era ímpetu, sueños y deseos de alcanzar lo que cualquier aficionado a la radio desea: comunicar tan lejos como sea posible. Una vez que el dipolo de media onda se había popularizado entre los usuarios de equipos de radio y en la búsqueda de lograr mejores rendimientos en las instalaciones de antenas, los investigadores Hidetsugu Yagi y Shintaro Uda observaron que colocando elementos parásitos (o pasivos, “sin conexión eléctrica con el irradiante”) en cercanías de un dipolo de media onda, éste alteraba su comportamiento y se obtenían resultados muy interesantes, dignos de ser analizados y estudiados.
El Dr. Yagi mostrando su desarrollo, que llevaría su nombre como sinónimo de antena efectiva
Un elemento parásito es un conductor que se ubica en forma paralela al dipolo de media onda o “irradiante”, a una distancia apropiada y posee una longitud adecuada. Es decir, no es cualquier distancia, ni cualquier medida. Por ejemplo, una ventana metálica no favorece ningún rebote de señales para alcanzar una mejor recepción, ni favorece la transmisión en el sentido en que las ondas de radio puedan “rebotar” en la estructura de metal. No, nada de eso es cierto y como te mencionamos antes, los elementos parásitos deben estar construidos de manera adecuada para cumplir una misión funcional. De lo contrario, el efecto será más frustrante que fructífero. Por supuesto, hay soluciones para nada ortodoxas que entregan un desempeño maravilloso. En el campo de la captura de señales Wi-Fi o Bluetooth, algunos elementos de cocina son muy utilizados para mejorar el alcance de los enlaces. Sin embargo, para el caso de las antenas Yagi (nombre popular), las medidas de los elementos que la componen y su ubicación en el espacio, respecto al irradiante, deben ser respetadas para lograr los desempeños esperados.
El agregado de un elemento pasivo modifica las propiedades de un dipolo, brindando ganancia al sistema
Se llama director a un elemento pasivo que proporciona ganancia en el sentido dirigido desde él hacia el elemento activo o irradiante y por lo general, es más corto (en longitud) que éste. El elemento conocido como reflector es también pasivo y proporciona ganancia de potencia en el sentido dirigido desde el irradiante hasta él. Siempre es más largo que el elemento activo. Definidos entonces los principales elementos que acompañan a un irradiante, podemos comenzar a armar múltiples configuraciones para construir antenas que tengan ganancia en determinadas direcciones. Por ejemplo, un conjunto formado por un irradiante y un director puede brindar 3dB de ganancia respecto a un dipolo simple. Esta cantidad de decibeles representa el doble de potencia cuando hablamos de un transmisor. Es decir, si transmitimos con 5W y tenemos una ganancia en antena de 3dB, el receptor podría interpretar que estamos emitiendo con un dipolo simple y 10W de potencia. Cuando usamos un reflector, el resultado es el mismo y la ganancia de potencia se manifiesta en una emisión con una direccionalidad definida.
Colocando el elemento pasivo a una distancia específica, la antena ofrece una ganancia importante
En el gráfico superior, 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 línea de puntos nos indica la situación inicial, cuando la separación entre elementos era de 0,04 longitudes de onda. A medida que comenzamos a variar la longitud del elemento pasivo y a incrementar la separación, respecto al irradiante, la ganancia comienza a hacerse presente, obteniendo un máximo en una separación de 0,36 longitudes de onda, para luego descender si se continúa incrementando la separación (S).
Modelo aproximado de radiación de una antena Yagi de 3 elementos
Cuando se combinan los modelos anteriores en una única construcción, se considera que se ha alcanzado una configuración Yagi mínima: Director, Irradiante y Reflector 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.
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La informática ha ayudado en forma considerable al diseñador de antenas
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Los resultados de las simulaciones en ordenador, son de gran ayuda para diseñar un sistema direccional eficiente
Muchos habrán leído, escuchado o utilizado lo que se conoce como “Dummy Load” o “Carga Fantasma”. Es un dispositivo que se usa para realizar ensayos y ajustes en los transmisores y receptores de radio. Es una carga resistiva pura que posee un valor en Ohms idéntico al del equipo con el que se está trabajando. Es decir, le “hace creer” al equipo que está conectado a una antena ideal. Por lo tanto, cuando construimos una antena y luego la ajustamos hasta lograr un rendimiento óptimo, estamos buscando dos cosas muy importantes. Una es hacerla resonar en su máxima amplitud, dentro de la frecuencia de trabajo deseada y lo segundo es que represente para el equipo una carga resistiva pura, por más que un puñado de caños (o tubos) de aluminio no se parezcan en nada a una resistencia tradicional.
A este valor se lo conoce como resistencia de radiación de la antena y se encuentra en el punto de alimentación de la antena. Un término más general es el de “impedancia” de una antena que además de implicar la componente resistiva pura, suma los valores reactivos que por mucho que lo intentemos, nunca llegan a anularse. Dicho de otro modo, podremos lograr una excelente antena, pero nunca será una carga resistiva pura. Siempre existirán reactancias inductivas y capacitivas residuales. Además, no estamos trabajando con corriente continua, por esto, el término más apropiado y usado es “impedancia de antena”.
Volviendo a la construcción de nuestra antena Yagi, podemos decir que a cada elemento pasivo que agreguemos como director (delante del irradiante) podemos sumar 1dB más de ganancia al conjunto. Esto provocará como resultado un haz más estrecho y un ancho de banda más reducido, junto al incremento de ganancia. Más allá de los 5 elementos (se cuentan todos, pasivos + activo), el agregado de directores sólo suma medio dB de ganancia, por lo tanto, según la frecuencia de trabajo de nuestra antena, en ciertas ocasiones no es redituable sumar elementos en forma indefinida ya que perderemos practicidad con la antena. Dicho de otro modo sería: tendremos una antena que será el doble de larga y sólo habremos incrementado pocos dB. Por supuesto, las aplicaciones siempre definen el diseño de una antena y se pueden encontrar antenas Yagi de más de 20 elementos. Respecto a los reflectores (detrás del irradiante), más de dos no brindan una mayor ganancia a la antena, sino que sólo aportan una mejor relación “frente – espalda”
Podemos encontrar antenas con muchos directores que suman ganancia al conjunto
Un punto importante a destacar es la construcción física de la antena y su alimentación mediante la línea de transmisión. Traducido a términos cotidianos sería: “de qué material haremos el soporte de todos los elementos y cómo conectamos, en el irradiante, el cable que sale desde nuestro equipo de radio”. Si observamos el gráfico de una antena resonante, encontraremos que, en el centro de su longitud, existe el punto de potencial (o tensión) que tiende a cero y crece hacia los extremos. Por su parte, en el centro del elemento irradiante, la corriente llegará a su punto más intenso. A partir del centro del dipolo y a medida que nos alejamos hacia los extremos, la tensión y la impedancia comienzan a incrementar su valor. En uno de los puntos (cercanos al centro) encontraremos el mejor lugar para alcanzar un valor de impedancia que coincida con la línea de transmisión utilizada (el cable coaxial) y que a su vez, sea el mismo que presenta la salida del transmisor / entrada del receptor. Lo que más se ha popularizado (por múltiples motivos) para conectar una antena a un equipo de radio es el cable coaxial, por lo tanto, por tratarse de una línea de transmisión “des-balanceada” (unbalanced), utilizaremos para entregar toda la energía de RF al irradiante lo que se conoce como Adaptador Gamma (Gamma Match), de acoplamiento capacitivo.
El adaptador gamma es un acoplamiento capacitivo que se utiliza para entregar al irradiante la energía de RF
El adaptador gamma es ideal para trabajar con líneas de alimentación des-balanceadas y además, es muy simple de implementar en forma mecánica; es decir, es fácil de construir. El principio de funcionamiento de este sistema es el acoplamiento capacitivo de la línea de transmisión al irradiante en un punto donde la impedancia sea óptima (coincidente con el cable coaxial) para lograr la máxima transferencia de energía hacia el irradiante. Se construye utilizando un pequeño tubo de aluminio o cobre, dentro del cual se introduce un trozo de conductor central de cable coaxial RG213. Esa sección, introducida dentro del tubo mencionado, sería una continuación del conductor central de la línea de transmisión que llega a nuestra antena. Dentro de ese tubo estaremos construyendo un capacitor (o condensador) donde las placas que intervienen son: el conductor central utilizado y el tubo. Una longitud apropiada de este conductor central fijará la frecuencia de trabajo y resonancia del elemento activo mientras que el puente físico (abrazadera que cierra el capacitor creado) que puede desplazarse desde el centro de la antena a la periferia determinará el punto de menor ROE (Relación de Ondas Estacionarias) o SWR (Standing Wave Ratio). No te preocupes ahora por esto, lo veremos al final del montaje, pero vale aclararlo para comprender y asimilar la teoría de funcionamiento de este tipo de antenas.
En el centro del dipolo resonante, la corriente es máxima y la tensión es nula
Por lo tanto, si en el punto central del dipolo tendremos un potencial que tiende a cero, podemos realizar como material de soporte (de todos los elementos) un tubo de aluminio o de cualquier otro metal rígido. Los elementos pasivos, que también resonarán a la frecuencia de corte que posean, funcionarán en forma análoga y de esta manera podemos tener todos los elementos montados sobre un “boom”. Algunos textos lo mencionan como “pluma”, pero no te acostumbres a llamarlo de ese modo ya que el mundo entero lo llama “boom”. La maravilla de la radio y las ondas electromagnéticas permiten que este sistema funcione, ya que suena extraño el hecho de colocar toda la antena a tierra o GND, a través del boom. Sin embargo, el análisis teórico nos demuestra que, además de ser posible, es una forma de lograr una construcción metálica resistente a las inclemencias climáticas y es lo que permite la estadía permanente de las antenas en lo alto de las torres.
Detalle de los materiales que utilizaremos en nuestra antena Yagi de 6 elementos para UHF
Nada nos impide utilizar un boom de material aislante, como el plástico o la madera, ya que el funcionamiento de la antena no se basa en la interconexión entre elementos, sino en la resonancia de los mismos. Usar un boom metálico es aprovechar una ventaja eléctrica que otorga el sistema, al presentar un potencial nulo en el centro de cada elemento que interviene en la formación. Nosotros utilizaremos un boom de madera ya que deseamos usar la antena en forma móvil y realizar una construcción sencilla. Tú puedes elegir el material que creas conveniente, sea metálico o aislante; el resultado será el mismo.
En la próxima entrega estaremos viendo las dimensiones de los elementos, la distancia de separación entre cada uno de ellos y te explicaremos como se ajusta este tipo de antenas. Por supuesto que haremos ensayos de comparación con respecto a una sencilla antena de un cuarto de onda, es decir, respecto a una antena “considerada” sin ganancia. Si la ansiedad te supera, podemos dialogar como siempre, en el Foro de Electrónica de NeoTeo donde intentaremos resolver todas las dudas que puedas tener en mente. No te vayas, lo mejor está por llegar. -
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¿Y tú, qué opinas?
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#1Demian domingo, 29 de abril de 2012, 09:20
Excelente info, así como existen "diseños" para generar una ganancia en la transimisión, deben existir aquellos que generen una ganancia en la recepción.
Me gustaría -si se puede- que después de lo que viene sobre este tema nos escribas respecto a ese caso, el diseño de una antena que permita una ganancia -pasiva y/o activa-, para un sistema ya sea de audio y/o video -como la TV-.
He visto en Youtube algunos diseños de antenas hechas con tubos de PVC y con pedazos de cable y/o alambre que dicen incrementa la calidad de imágen en los sistemas de TV, tanto tradicional como digital.
Me gustaría más información al respecto.
Gracias por llenarme de dudas! ñ... Leer más -
#2
faiste domingo, 29 de abril de 2012, 15:26Esperando al próximo articulo jajajajaja me has dejado con las ganas, que desespero tan horrible me ha entrado jejejeje
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#3
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#4Duda domingo, 29 de abril de 2012, 16:52
Señor Mario Sacco, tengo una gran duda ya que no he encontrado respuesta, existe alguna forma de realizar mantenimiento a una antena grilla? de 5GHz o cualquier otro tipo de antena como estas yagi? no entiendo porque no se le hace mantenimiento a una antena las dejan que se corroan.
En mi caso dispongo de una antena de 5GHz y no he encontrado en la literatura forma de realizarle mantenimiento, no se si es bueno pulirla y despues ponerle una capa de pintura marina anticorrosiva, hasta el momento simplemente la he dejado asi sin hacer ninguno de estos procedimientos por temor por ejemplo si la pulo le daño sus propiedades de radiación.
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#5
Mario domingo, 29 de abril de 2012, 17:57#1
Las características de una antena son iguales tanto para transmisión como para recepción. Si logras más alcance en transmisión, lograrás recibir estaciones más distantes y con mejor caudal de señal. Es decir, lo mismo que ganas en Tx, lo ganas en Rx.
En este caso no haremos una antena activa. Solo será una antena Yagi.
#3
La antena puede ser útil para cualquier frequencia. Sólo tienes que tomar una calculadora, realizar la división 142,5/F(Mhz) para el irradiante y nada más. Luego agregas 5% al reflector y quitas 5% a los directores.
Con esos datos ya puedes fabricar la antena que quieras para la frecuencia que quieras y con la ganancia que quieras.<... Leer más -
#6sebastian domingo, 29 de abril de 2012, 18:44
Interesante aporte mario!
Yo eh diseñado una similar pero con mas elementos apuntada al derivador de TV por cable que tengo a 2m de mi ventana... y ahora tengo canales de tv gratis!
Diseñe varios modelos y el mejor fue el de antena helicoidal, funciona de maravilla(junto a un amplificador de antena).
Saludos!
PD: Gracias por seguir compartiendo su experiencia! -
#7
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#8Andres domingo, 29 de abril de 2012, 22:06
Hola Mario, gracias por tan excelente articulo, he salido de muchas dudas pero tambien me han despertado otras.
Yo he usado 4nec2 para modelar una que otra antena yagi para la frecuencia 2437 (si la de wifi) mi consulta es con respecto al dipolo doblado que se coloca como irradiador, me han dicho que tiene un ancho de banda mejor y es posible adaptar mejor la impedancia que seria de 50ohm sin necesidad de algun balun o gamma. ¿ Es tan cierto esto?.¿ Como podria construir un dipolo doblado para esta frecuencia?
Con este programa y algunos parametros se puede optimizar las antena pero me he dado cuenta que ajustando milimetricamente algunos valores la antena gana mucho roe. ¿Es tan ... Leer más -
#9
editronikx lunes, 30 de abril de 2012, 02:36saludos
justo mi talón de aquiles, sobre antenas debo decir que no se nada, solo burdas ideas y muchos conceptos jamas aplicados al campo real, yo tenia un amigo que diseñaba antenas y el me hablaba de antenas polarizadas vertical u orizontalmente, de ganancia, potencia aparente y reflejada, me hablaba de nombres como antenas jota, media onda etc, pero de esto nunca le entendi nada, hasta tenia algunos equipos para calibrarlas.
realmente espero con ansias mas entregas de este tema, y ojala no solo sea de antenas yagui y Mario nos enseñe en un futuro mas antenas y en lo posible nos deje algunas consultas como para ampliar mas lo que nos a explicado en su articulo, esto ... Leer más -
#10
Mario lunes, 30 de abril de 2012, 05:43
#8
Hola Andres!
El dipolo plegado tiene una impedancia característica de 300 Ohms, por lo tanto, al utilizar coaxial, estás obligado a usar un balun. 300 Ohms es el cable plano, tipo cinta y se lo conoce como línea balanceada (balanced). El coaxial es una línea de transmisión desbalanceada (unbalanced) De la unión de estas palabras se origina el nombre del adaptados de impedancias "bal"anced - "un"balanced = balun. No te escapas de él.
No tienen más ancho de banda, sino que los ruidos las afectan menos. Son más "silenciosas" en lo que a ruido lógico de banda se refiere.
Cómo podrías construir uno para 2,4Ghz? Igual que fabricas un irradiante liso, pero doblado (plegado) ... Leer más -
#11
Mario lunes, 30 de abril de 2012, 05:48
#9
Hola editronikx!
Me alegra que te guste el tema antenas. Antes ya hemos hablado de algunas. El dipolo de media onda y la antena vertical de un cuarto de onda, por ejemplo. De a poco vamos incursionando en la radio. Hay mucha más electrónica para aprovechar y en NeoTeo tratamos de darle el gusto a todos los que podamos. Los gustos son muy variados y tratamos de no aburrir con un mismo tema siempre.
Poco a poco iremos viendo más antenas y temas de radio.
Saludos!
Mario -
#12
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#15luis martes, 01 de mayo de 2012, 05:27
Se que esto no tiene nada ke ver con el aporte pero enrealidad necesito un poco de apoyo:
Mario Saco soy un seguidor de tus aportes desde ya hace rato en neoteo y kisiera que me diaras un cosejo,,sobre como armar un projecto k me interesa.
Planeo controlar dos ventiladores de 12v en serie de los que se usan en los cpu's,, con un transistor como interruptor tipo npn como interruptor con un potenciometro para modular la intencidad de la energia,, mi duda es como tendria k quedar la fuente de 12v o de 24...si alguien me pudiera sacar de la duda o aportarme algun diagrama selos agradeceria -
#16
electron222 martes, 01 de mayo de 2012, 19:49Genial, excelente ^___^
No se donde lei que esta entena al comienzo fue diseñada como arma por su gran ganancia y direcionalidad x_X -
#17
Mario martes, 01 de mayo de 2012, 21:50
#15
Hola Luis!
A esos temas debieras plantearlos en el foro. Ya hay hilos abiertos sobre como controlar la velocidad de los motores para CPU por PWM. Entra al foro y utiliza el buscador.
#16
La historia es que los japoneses ni se interesaron por la antena del Dr. Yagi, ya que sus preocupaciones por aquellos días eran otras. Resultó ser que las tropas americanas las usaron y perfeccionaron (a estas antenas) en contra de los mismos japoneses durante la segunda guerra mundial. Esto coincidió con la proliferación de equipos de VHF, que permitían diseños de antenas más pequeñas y muy eficientes para las comunicaciones. A partir de allí saltaron a la popularidad en... Leer más -
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