Antena Yagi – Uda
Una moderna antena de televisión Yagi UHF de alta ganancia con 17 directores y un reflector (hecho de cuatro varillas) con forma de reflector de esquina. 
Dibujo de la antena de televisión VHF Yagi – Uda de 1954, utilizada para canales analógicos 2–4, 54–72 MHz (canales de EE. UU.). Tiene cinco elementos: tres directores ( a la izquierda), un reflector ( a la derecha) y un elemento accionado que es un dipolo plegado ( varilla doble) para que coincida con la línea de alimentación de dos cables de 300 Ω. La dirección del haz (dirección de mayor sensibilidad) está hacia la izquierda. Una antena Yagi-Uda o simplemente una antena Yagi, es una antena direccional que consta de dos o más elementos de antena resonantes paralelos en un conjunto de fuego final ; estos elementos suelen ser varillas metálicas que actúan como dipolos de media onda. Las antenas Yagi-Uda consisten en un solo elemento accionado conectado a un transmisor y / o receptor de radio a través de una línea de transmisión, y " elementos parásitos " adicionales sin conexión eléctrica, que generalmente incluyen un llamado reflector y cualquier número de directores. Fue inventado en 1926 por Shintaro Uda de la Universidad Imperial de Tohoku, Japón, con un papel menor desempeñado por su colega Hidetsugu Yagi.
Los elementos reflectores (por lo general, solo se usa uno) son un poco más largos que el dipolo impulsado y se colocan detrás del elemento impulsado, en dirección opuesta a la transmisión prevista. Los directores, por otro lado, son un poco más bajos y se colocan frente al elemento impulsado en la dirección prevista. Estos elementos parásitos son típicamente elementos dipolo cortocircuitados desajustados, es decir, en lugar de una rotura en el punto de alimentación (como el elemento impulsado) se usa una varilla sólida. Reciben y vuelven a irradiar las ondas de radio del elemento impulsado, pero en una fase diferente determinada por sus longitudes exactas. Su efecto es modificar el patrón de radiación del elemento impulsado. Las ondas de los múltiples elementos se superponen e interfieren para mejorar la radiación en una sola dirección, aumentando la ganancia de la antena en esa dirección.
También llamada antena de haz y matriz parásita, la Yagi se usa ampliamente como antena de alta ganancia en las bandas de HF, VHF y UHF. Tiene una ganancia de moderada a alta dependiendo del número de elementos presentes, llegando a veces hasta 20 dBi, en un patrón de haz unidireccional. Como conjunto de fuego final, puede alcanzar una relación de adelante hacia atrás de hasta 20 dB. Conserva la polarización común a sus elementos, generalmente polarización lineal (sus elementos son dipolos de media onda). Es relativamente ligero, económico y sencillo de construir. El ancho de banda de una antena Yagi, el rango de frecuencia sobre el que mantiene su ganancia e impedancia del punto de alimentación, es estrecho, solo un pequeño porcentaje de la frecuencia central, disminuyendo para los modelos con mayor ganancia, lo que la hace ideal para aplicaciones de frecuencia fija. El uso más grande y más conocido es como antenas de televisión terrestre en tejados, pero también se utiliza para enlaces de comunicación fijos punto a punto, en antenas de radar y para comunicaciones de onda corta de larga distancia por estaciones de radiodifusión de onda corta y radioaficionados.
- 1 Orígenes
- 2 Descripción
- 3 Teoría de funcionamiento
- 4 Análisis
- 5 Diseño
- 6 Historia
- 7 Véase también
- 8 notas
- 9 referencias
- 10 enlaces externos
Orígenes
Cuarteto de matrices Yagi de dos dipolos (Hirschgeweih) del radar de banda VHF alemán FuG 220 en el morro de un avión de combate nocturno Bf 110 de finales de la Segunda Guerra Mundial. La antena fue inventada en 1926 por Shintaro Uda de la Universidad Imperial de Tohoku, Japón, con un papel menor desempeñado por su colega Hidetsugu Yagi.
Sin embargo, el nombre "Yagi" se ha vuelto más familiar con el nombre de Uda que a menudo se omite. Esto parece deberse a que Yagi presentó una patente sobre la idea en Japón sin el nombre de Uda en ella, y luego transfirió la patente a Marconi Company en el Reino Unido.
Las antenas Yagi se utilizaron ampliamente por primera vez durante la Segunda Guerra Mundial en sistemas de radar por los japoneses, alemanes, británicos y estadounidenses. Después de la guerra vieron un gran desarrollo como antenas de televisión domésticas.
Descripción
Antena Yagi-Uda con reflector ( izquierda), elemento impulsado por media onda ( centro) y director ( derecha). Los espaciamientos exactos y las longitudes de los elementos varían un poco según los diseños específicos. | Parte de una serie sobre |
| Antenas |
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| Tipos comunes |
| Componentes |
| Sistemas |
| Seguridad y regulación |
| Regiones / fuentes de radiación |
| Caracteristicas |
| Técnicas |
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La antena Yagi-Uda consta de una serie de elementos de varilla delgada paralelos en una línea, generalmente de media onda de largo, generalmente apoyados en una barra transversal perpendicular o "boom" a lo largo de sus centros. Hay un solo elemento accionado en el centro (que consta de dos varillas cada una conectada a un lado de la línea de transmisión), y un número variable de elementos parásitos, un solo reflector en un lado y opcionalmente uno o más directores en el otro lado. Los elementos parásitos no están conectados eléctricamente al transceptor y sirven como radiadores pasivos, volviendo a irradiar las ondas de radio para modificar el patrón de radiación. Los espacios típicos entre elementos varían de aproximadamente 1 ⁄ 10 a 1 ⁄ 4 de una longitud de onda, dependiendo del diseño específico. Los directores son un poco más cortos que el elemento impulsado, mientras que los reflectores son un poco más largos. El patrón de radiación es unidireccional, con el lóbulo principal a lo largo del eje perpendicular a los elementos en el plano de los elementos, fuera del extremo con los directores.
Convenientemente, los elementos parásitos dipolo tienen un nodo (punto de voltaje de RF cero) en su centro, por lo que se pueden unir a un soporte metálico conductor en ese punto sin necesidad de aislamiento, sin perturbar su funcionamiento eléctrico. Por lo general, están atornillados o soldados al brazo de soporte central de la antena. El elemento impulsado se alimenta en el centro, por lo que sus dos mitades deben aislarse donde la pluma las soporta.
La ganancia aumenta con el número de elementos parásitos utilizados. Solo se utiliza un reflector ya que la mejora de la ganancia con reflectores adicionales es insignificante, pero los Yagis se han construido con hasta 30–40 directores.
El ancho de banda de una antena es, según una definición, el ancho de la banda de frecuencias que tiene una ganancia dentro de los 3 dB (la mitad de la potencia) de su ganancia máxima. La matriz Yagi-Uda en su forma básica tiene un ancho de banda muy estrecho, 2-3 por ciento de la frecuencia central. Existe una compensación entre la ganancia y el ancho de banda, y el ancho de banda se reduce a medida que se utilizan más elementos. Para aplicaciones que requieren anchos de banda más amplios, como la televisión terrestre, las antenas Yagi-Uda suelen tener reflectores trigonales y conductores de mayor diámetro para cubrir las partes relevantes de las bandas de VHF y UHF. También se puede lograr un ancho de banda más amplio mediante el uso de "trampas", como se describe a continuación.
Las antenas Yagi – Uda utilizadas para radioaficionados a veces están diseñadas para operar en múltiples bandas. Estos elaborados diseños crean interrupciones eléctricas a lo largo de cada elemento (ambos lados) en cuyo punto se inserta un circuito LC ( inductor y condensador ) paralelo. Esta llamada trampa tiene el efecto de truncar el elemento en la banda de frecuencia más alta, haciéndolo aproximadamente de media longitud de onda. En la frecuencia más baja, todo el elemento (incluida la inductancia restante debido a la trampa) está cerca de la resonancia de media onda, implementando una antena Yagi-Uda diferente. Usando un segundo conjunto de trampas, una antena "tribanda" puede resonar en tres bandas diferentes. Dados los costos asociados de erigir un sistema de antena y rotador sobre una torre, la combinación de antenas para tres bandas de aficionados en una unidad es una solución muy práctica. Sin embargo, el uso de trampas no está exento de desventajas, ya que reducen el ancho de banda de la antena en las bandas individuales y reducen la eficiencia eléctrica de la antena y someten la antena a consideraciones mecánicas adicionales (carga de viento, entrada de agua e insectos).
Teoría de operación
Una antena portátil Yagi-Uda para uso a 144 MHz (2 m), con segmentos de cinta métrica amarilla para los brazos de los elementos impulsados y parásitos. Considere un Yagi-Uda que consta de un reflector, un elemento impulsado y un solo director como se muestra aquí. El elemento impulsado es típicamente un dipolo de 1 ⁄ 2 λ o dipolo plegado y es el único miembro de la estructura que está directamente excitado (conectado eléctricamente a la línea de alimentación ). Todos los demás elementos se consideran parásitos. Es decir, vuelven a irradiar energía que reciben del elemento impulsado. También interactúan entre sí, pero este acoplamiento mutuo se descuida en la siguiente explicación simplificada, que se aplica a las condiciones de campo lejano.
Una forma de pensar sobre el funcionamiento de dicha antena es considerar un elemento parásito como un elemento dipolo normal de diámetro finito alimentado en su centro, con un cortocircuito en su punto de alimentación. La parte principal de la corriente en una antena receptora cargada se distribuye como en una antena impulsada por el centro. Es proporcional a la longitud efectiva de la antena y está en fase con el campo eléctrico incidente si el dipolo pasivo se excita exactamente en su frecuencia de resonancia. Ahora imaginamos la corriente como la fuente de una onda de energía en el puerto (en cortocircuito) de la antena. Como es bien sabido en la teoría de las líneas de transmisión, un cortocircuito refleja el voltaje incidente 180 grados fuera de fase. Así que también se podría modelar el funcionamiento del elemento parásito como la superposición de un elemento dipolo que recibe potencia y la envía por una línea de transmisión a una carga combinada, y un transmisor envía la misma cantidad de potencia por la línea de transmisión hacia la antena. elemento. Si la onda de voltaje transmitida estuviera 180 grados fuera de fase con la onda recibida en ese punto, la superposición de las dos ondas de voltaje daría un voltaje cero, equivalente a acortar el dipolo en el punto de alimentación (convirtiéndolo en un elemento sólido, como es). Sin embargo, la corriente de la onda hacia atrás está en fase con la corriente de la onda incidente. Esta corriente impulsa la reradiación del elemento dipolo (pasivo). A cierta distancia, el campo eléctrico reradiado se describe mediante el componente de campo lejano del campo de radiación de una antena dipolo. Su fase incluye el retardo de propagación (relacionado con la corriente) y un desfase de fase retardado adicional de 90 grados. Por tanto, se puede pensar que el campo reradiado tiene una fase de retraso de 90 grados con respecto al campo incidente.
Los elementos parásitos involucrados en las antenas Yagi-Uda no son exactamente resonantes, pero son algo más cortos (o más largos) que 1 ⁄ 2 λ, por lo que la fase de la corriente del elemento se modifica con respecto a su excitación del elemento impulsado. El llamado elemento reflector, que es más largo que 1 ⁄ 2 λ, tiene una reactancia inductiva, lo que significa que la fase de su corriente se retrasa con respecto a la fase del voltaje en circuito abierto que sería inducida por el campo recibido. Por tanto, el retardo de fase es superior a 90 grados y, si el elemento reflector se hace lo suficientemente largo, se puede imaginar que el retardo de fase se aproxima a 180 grados, de modo que la onda incidente y la onda reemitida por el reflector interfieren destructivamente en la dirección de avance ( es decir, mirando desde el elemento impulsado hacia el elemento pasivo). El elemento director, por otro lado, al ser más corto que 1 ⁄ 2 λ, tiene una reactancia capacitiva con la fase de voltaje atrasada con respecto a la de la corriente. El retardo de fase es por tanto menor de 90 grados y, si el elemento director se hace suficientemente corto, se puede imaginar que el retardo de fase se aproxima a cero y la onda incidente y la onda reemitida por el reflector interfieren constructivamente en la dirección de avance.
La interferencia también ocurre en la dirección hacia atrás. Esta interferencia está influenciada por la distancia entre el elemento impulsado y el pasivo, porque los retardos de propagación de la onda incidente (del elemento impulsado al elemento pasivo) y de la onda reradiada (del elemento pasivo de regreso al elemento impulsado) han a tener en cuenta. Para ilustrar el efecto, asumimos un retardo de fase de cero y 180 grados para la reemisión del director y el reflector, respectivamente, y asumimos una distancia de un cuarto de longitud de onda entre el elemento impulsado y el pasivo. En estas condiciones, la onda reemitida por el director interfiere destructivamente con la onda emitida por el elemento impulsado en la dirección hacia atrás (alejándose del elemento pasivo), y la onda reemitida por el reflector interfiere de manera constructiva.
En realidad, el retardo de fase de los elementos dipolares pasivos no alcanza los valores extremos de cero y 180 grados. Así, los elementos reciben las longitudes y espaciamientos correctos para que las ondas de radio irradiadas por el elemento impulsado y las reradiadas por los elementos parásitos lleguen todas al frente de la antena en fase, por lo que se superponen y suman, aumentando la señal. fuerza en la dirección de avance. En otras palabras, la cresta de la onda delantera del elemento reflector alcanza el elemento impulsado justo cuando la cresta de la onda se emite desde ese elemento. Estas ondas alcanzan el primer elemento director justo cuando la cresta de la onda se emite desde ese elemento, y así sucesivamente. Las ondas en la dirección inversa interfieren destructivamente, cancelando, por lo que la fuerza de la señal irradiada en la dirección inversa es pequeña. Por lo tanto, la antena irradia un haz unidireccional de ondas de radio desde el frente (extremo del director) de la antena.
Análisis
Si bien la explicación cualitativa anterior es útil para comprender cómo los elementos parásitos pueden mejorar la radiación de los elementos impulsados en una dirección a expensas de la otra, la suposición de un cambio de fase adicional de 90 grados (adelantado o retrasado) de la onda reemitida no es válida.. Normalmente, el cambio de fase en el elemento pasivo es mucho menor. Además, para aumentar el efecto de los radiadores pasivos, deben colocarse cerca del elemento impulsado, de modo que puedan recoger y reemitir una parte significativa de la radiación primaria.
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Cómo funciona la antena. Las ondas de radio de cada elemento se emiten con un retardo de fase, de modo que las ondas individuales emitidas en la dirección de avance (hacia arriba) están en fase, mientras que las ondas en la dirección de retroceso están desfasadas. Por lo tanto, las ondas de avance se suman ( interferencia constructiva ) aumentando la potencia en esa dirección, mientras que las ondas de retroceso se cancelan parcialmente entre sí ( interferencia destructiva ), reduciendo así la potencia emitida en esa dirección.
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Ilustración de la ganancia directa de una matriz Yagi-Uda de dos elementos utilizando solo un elemento impulsado (izquierda) y un director (derecha). La onda (verde) del elemento impulsado excita una corriente en el director pasivo que vuelve a irradiar una onda (azul) que tiene un cambio de fase particular (vea la explicación en el texto, tenga en cuenta que las dimensiones no están a escala con los números en el texto). La adición de estas ondas (abajo) aumenta en la dirección de avance, pero conduce a una cancelación parcial en la dirección de retroceso.
En el diagrama adjunto se ilustra un modelo más realista de una matriz Yagi-Uda que utiliza solo un elemento impulsado y un director. La onda generada por el elemento impulsado (verde) se propaga tanto en dirección de avance como de retroceso (así como en otras direcciones, no mostradas). El director recibe esa onda ligeramente retrasada en el tiempo (lo que equivale a un retraso de fase de aproximadamente 45 ° que será importante para los cálculos de dirección inversa más adelante). Debido a la menor longitud del director, la corriente generada en el director avanza en fase (unos 20 °) con respecto al campo incidente y emite un campo electromagnético, que retrasa (en condiciones de campo lejano) esta corriente en 90 °. El efecto neto es una onda emitida por el director (azul) que tiene un retraso de aproximadamente 70 ° (20 ° - 90 °) con respecto a la del elemento impulsado (verde), en este diseño en particular. Estas ondas se combinan para producir la onda delantera neta (abajo, derecha) con una amplitud algo mayor que las ondas individuales.
En la dirección inversa, por otro lado, el retardo adicional de la onda del director (azul) debido al espacio entre los dos elementos (aproximadamente 45 ° de retardo de fase atravesado dos veces) hace que sea de aproximadamente 160 ° (70 ° + 2 × 45 °) fuera de fase con la onda del elemento impulsado (verde). El efecto neto de estas dos olas, cuando se agregan (abajo, izquierda), es la cancelación parcial. La combinación de la posición del director y una duración más corta ha obtenido así una respuesta unidireccional en lugar de bidireccional del elemento impulsado (dipolo de media onda) solo.
Impedancia mutua entre dipolos paralelos no escalonados en función del espaciamiento. Las curvas Re e Im son las partes resistiva y reactiva de la impedancia mutua. Tenga en cuenta que a un espacio cero obtenemos la autoimpedancia de un dipolo de media onda, 73 + j43 Ω. 
Cuando un radiador pasivo se coloca cerca (menos de un cuarto de distancia de longitud de onda) al dipolo impulsado, interactúa con el campo cercano, en el que la relación fase-distancia no se rige por el retardo de propagación, como sería el caso en el campo lejano. Por tanto, la relación de amplitud y fase entre el elemento accionado y el pasivo no puede entenderse con un modelo de recogida y reemisión sucesivas de una onda que se ha desconectado por completo del elemento radiante primario. En cambio, los dos elementos de antena forman un sistema acoplado, en el que, por ejemplo, la autoimpedancia (o resistencia a la radiación ) del elemento accionado está fuertemente influenciada por el elemento pasivo. Un análisis completo de tal sistema requiere calcular las impedancias mutuas entre los elementos dipolares, lo que implícitamente tiene en cuenta el retardo de propagación debido al espaciado finito entre los elementos y los efectos de acoplamiento de campo cercano. Modelamos el elemento número j como si tuviera un punto de alimentación en el centro con un voltaje V j y una corriente I j fluyendo hacia él. Solo considerando dos de estos elementos, podemos escribir el voltaje en cada punto de alimentación en términos de las corrientes usando las impedancias mutuas Z ij:
Z 11 y Z 22 son simplemente las impedancias de los puntos impulsores ordinarios de un dipolo, por lo tanto, 73 + j43 ohmios para un elemento de media onda (o puramente resistivo para uno ligeramente más corto, como generalmente se desea para el elemento impulsado). Debido a las diferencias en las longitudes de los elementos, Z 11 y Z 22 tienen un componente reactivo sustancialmente diferente. Debido a la reciprocidad sabemos que Z 21 = Z 12. Ahora el cálculo difícil está en determinar esa impedancia mutua Z 21 que requiere una solución numérica. Esto se ha calculado para dos elementos dipolo de media onda exactos en varios espaciamientos en el gráfico adjunto.
La solución del sistema es la siguiente. Deje que el elemento accionado se designe 1 de modo que V 1 e I 1 sean el voltaje y la corriente suministrados por el transmisor. El elemento parásito se designa como 2, y dado que está cortocircuitado en su "punto de alimentación", podemos escribir que V 2 = 0. Usando las relaciones anteriores, entonces, podemos resolver I 2 en términos de I 1:
y entonces
- .
.Esta es la corriente inducida en el elemento parásito debido a la corriente I 1 en el elemento accionado. También podemos resolver el voltaje V 1 en el punto de alimentación del elemento impulsado usando la ecuación anterior: