Diseño de Antena Tipo Yagi

Definición.

La antena Yagi o antena Yagi-Uda es una antena direccional inventada por Shintaro Uda de la Universidad Imperial de Tohoku y, en menor parte, de Hidetsugu Yagi (de ahí al nombre Yagi-Uda). Esta invención dio avanzada a las antenas convencionales, produjo que mediante una estructura simple de dipolo, combinada con elementos parásitos conocidos como reflector y directores, se pudiera construir una antena de muy alto rendimiento.

Uso de una antena Yagi en orientación por radio.

La invención del Dr. Uda (patentada en 1926) no fue usada en Japón en un principio, ya que el diseño original de la antena tenía como objetivo la transmisión inalámbrica de energía. Sin embargo fue aceptada en Europa y Norteamérica, en donde se incorporó a la producción comercial, de los sistemas de difusión, TV y otros.

Construcción.

En la primera imagen de la derecha se muestra los diferentes elementos que forman esta antena:

• Un conductor que actúa como radiador.
• Un elemento que actúa como captador (Balun​).

Los elementos parásitos son aquellos que no son activos, no se conectan a la línea de transmisión y reciben la energía a través de la inducción mutua. Se clasifican en reflectores y directores

Diseño.

En esencia, una antena es un sistema conductor metálico capaz de radiar y recibir ondas electromagnéticas, y una guía de onda es un tubo metálico conductor por medio del cual se propaga energía electromagnética de alta frecuencia, por lo general entre una antena y un transmisor, un receptor, o ambos. Una antena se utiliza como la interface entre un transmisor y el espacio libre o el espacio libre y el receptor. Una guía de onda, así como una línea de transmisión, se utiliza solo para interconectar eficientemente una antena con el transceptor. Una antena acopla energía de la salida de un transmisor a la atmósfera de la Tierra o de la atmósfera de la Tierra a un receptor. Una antena es un dispositivo recíproco pasivo; pasivo en cuanto a que en realidad no puede amplificar una señal, por lo menos no en el sentido real de la palabra (sin embargo, una antena puede tener ganancia), y recíproco en cuanto a que las características de transmisión y recepción son idénticas, excepto donde las corrientes de alimentación al elemento de trasmisión.

La antena Yagi es la más utilizada en recepción de TV. Está formada por un dipolo (elemento activo) y varios elementos pasivos. Su estructura básica y dimensiones son las siguientes: 

El elemento excitado es un dipolo que tiene una longitud de λ/2

El reflector tiene una longitud un poco mayor (en un 5%)

Los directores son ligeramente más cortos (en un 5%)

La separación entre los elementos es de 0.15λ a 0.25λ, aunque depende del fabricante

Medidas para el diseño de antenas de 3 elementos

• ·         Reflector (150/Frecuencia)
• ·         Dipolo (143/Frecuencia)
• ·         Director1 (138/Frecuencia)
• ·         Director2 (134/Frecuencia)
• ·         Separación entre Reflector y Dipolo (45/Frecuencia)
• ·         Separación entre Dipolo y Director1 (45/Frecuencia)
• ·         Separación entre Director1 y Director2 (45/Frecuencia)

Medidas para el diseño de antenas de 4 elementos

• ·         Reflector (150/Frecuencia)
• ·         Dipolo (143/Frecuencia)
• ·         Director1 (138/Frecuencia)
• ·         Director2 (130/Frecuencia)
• ·         Director3 (120/Frecuencia)
•       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)

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 (120/Frecuencia)
•       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 y Director4 (60/Frecuencia)

Tabla de canales de TV, FM y sus frecuencias

Canales Frecuencia en MHz

VHF	desde	hasta
2	54	60
3	60	66
4	66	72
5	76	82
6	82	88
FM	88	108
7	174	180
8	180	186
9	186	192
10	192	198
11	198	204
12	204	210
13	210	216

UHF	desde	hasta	UHF	desde	hasta	UHF	desde	hasta
14	470	476	37	608	614	60	746	752
15	476	482	38	614	620	61	752	758
16	482	488	39	620	626	62	758	764
17	488	494	40	626	632	63	764	770
18	494	500	41	632	638	64	770	776
19	500	506	42	638	644	65	776	782
20.	506	512	43	644	650	66	782	788
21	512	518	44	650	656	67	788	794
22	518	524	45	656	662	68	794	800
23	524	530	46	662	668	69	800	806
24	530	536	47	668	674	70	806	812
25	536	542	48	674	680	71	812	818
26	542	548	49	680	686	72	818	824
27	548	554	50	686	692	73	824	830
28	554	560	51	692	698	74	830	836
29	560	566	52	698	704	75	836	842
30	566	572	53	704	710	76	842	848
31	572	578	54	710	716	77	848	854
32	578	584	55	716	722	78	854	860
33	584	590	56	722	728	79	860	866
34	590	596	57	728	734	80	866	872
35	596	602	58	734	740	81	872	878
36	602	608	59	740	746	82	878	884
83	884	890

 Perdida de señal

Otro factor que hay que tener en cuenta al seleccionar e instalar una antena es el de la pérdida de la señal. Una antena debe instalarse tan lejos como sea posible de los objetos metálicos, chimeneas, paredes, y de la rama de los árboles que absorben las ondas de radio, reduciendo la intensidad de la señal que llega a la antena. Una antena floja o que se balancee puede causar desvanecimiento de la señal.

Las torres de comunicación como telefónicas, transmisores y repetidores de radios, televisión u otras que se encuentren intermedias entre la antena y el transmisor o repetidor deseado.

Las estructuras metálicas que actuaran como un "escudo" frente a las señales como puentes o edificios cuya estructura contiene un alto contenido de metales.

También aumentará la pérdida de señal si hay mucha resistencia en el circuito de antena, para reducir la resistencia, todas las uniones y conexiones deben soldarse cuidadosamente y siempre que sea posible, la antena y la línea de transmisión debe de estar formado por ambos conductores sin uniones. Al igual que el aislamiento de la antena del mástil proporciona una protección para las señales de modo que no escapen a tierra. 

Relación Señal – Ruido

Una consideración importante relativa a la instalación de una antena es el ruido. El ruido consiste en ondas de radio de muchas frecuencias que pueden ser producidas por aparatos electrónicos o por perturbaciones eléctricas naturales. Los aparatos que frecuentemente producen ruidos son ascensores, heladeras, los sistemas de ignición de los automóviles, equipos electrodomésticos como aspiradoras, lavadoras, ventiladores, computadoras, luces fluorescentes, Televisores, hornos microondas, termostatos. Etc.

Las Industrias como las centrales eléctricas, azucareras u otras que empleen equipos eléctricos de gran taño, alto consumo eléctrico y que generen ruidos. Las líneas de conducción de energía eléctrica. Otros equipos son los de electromedicinas tales como rayos X. y de diatermia.

Reducir al máximo las interferencias

Colocar la antena en ángulo recto con las líneas de distribución de energía eléctrica.
Aumentar la altura de la antena tanto como las consideraciones de orden práctico lo permitan, elevando así la intensidad de la señal.

Usar una buena conexión a tierra si el receptor no requiere, una toma de tierra en malas condiciones puede captar ruido, esta deberá ser tan corta como sea posible y alejada de dispositivos productores de ruido. Una buena conducción a tierra debe estar hecha de cable con aislamiento de goma, con el mayor diámetro posible.

Línea de alimentación

Para la selección de la línea de alimentación, se debe tener en cuenta el tipo de dipolo utilizado por la antena, para el caso de un dipolos no simétrico se utiliza una línea no simétrica (cable Coaxial), donde el revestimiento del coaxial se une a la superficie conductora tierra y el conductor interno al dipolo.

El tipo de línea de alimentación de una antena simétrica se escoge según su gama de trabajo. La alimentación más natural del dipolo simétrico se realiza por línea simétrica.

En caso del régimen de trabajo, las corrientes (tensiones) en los puntos correspondientes de los conductores de la línea son iguales en amplitud y contrarias en fase. Un dipolo simétrico con línea simétrica de igual impedancia trae como resultado que los brazos del dipolo se exciten cofásicamente y las amplitudes de las corrientes en ellos sean iguales, brindando una buena recepción de la señal.

Sin embargo se recomienda el uso del cable coaxial ya que el cable simétrico no presenta blindaje siendo susceptible a las interferencias. Otra desventaja del cable simétrico está relacionada con el largo del conductor este debe estar lo más tensa posible entre la antena y el receptor de lo contrario afectara la calidad de la señal.

Al conectar directamente el cable coaxial a un dipolo simétrico, el coaxial que no es simétrico tiende a excitar los brazos del dipolo con corrientes que son desiguales en amplitud y fase, lo que distorsiona el diagrama direccional, además una de estas corrientes produce las perdidas en el revestimiento del cable, perdiéndose también la energía del campo originado.

La unión del cable coaxial al dipolo simétrico deberá realizarse solo por igualadores (ecualizadores) conocidos comúnmente como Balun ya sea creado utilizando una pequeña sección del cable coaxial “Codo U” determinada por la formula (0.5 ∙ velocidad del cable coaxial / frecuencia) o empleando los acopladores de impedancia de los televisores, estos últimos encontrándose para el caso de los TV analógicos en el interior siguiendo la entrada de antena, por lo general, una pequeña placa con un bobina con núcleo de ferrita, mostrando el valor de entrada 300Ω y salida 75Ω. Para el caso de televisores modernos aparece dentro del conector macho que se conecta a la entrada de antena.