ANTENAS. Diseño Diseño y construcción de una antena tipo tipo Yagi-Uda para una frecuencia de 103.1MHz
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA ANTENA TIPO YAGI-UDA PARA UNA FRECUENCIA DE 103.1 MHZ Alexander Alexander Patricio Sócola Sócola
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Ronald Hernán Torres
[email protected]
Alexander Alexander Santos Orellana Orellana
[email protected]
RESUMEN: Nuestro trabajo consiste en diseñar y
todo tipo de antenas, según las necesidades que se requieran. Ya sean estas para recepción o transmisión de señal de televisión, wireless, Internet, telefónicas, etc.
elaborar una antena tipo Yagi-Uda con acople de Gamma-match, la cual ha sido elaborada en dos etapas: Primero es la elaboración de la antena de acuerdo a nuestra frecuencia específica y con los cálculos respectivos de tal manera que esta irradie de acuerdo a nuestras características. Y la segunda parte en cambio consiste en el acoplamiento y simetrizar de nuestra antena con respecto al cable con que trabajemos; por lo que se realizara el respectivo análisis matemático de para su dimensionamiento posteriormente se procederá a hacer la simulación en FEKO, y por último se la implementara físicamente para corroborar los resultados esperados.
La antena Yagi-Uda es un arreglo lineal de dipolos en paralelo, uno de los cuales es alimentado directamente por una línea de transmisión, mientras que los otros actúan como radiadores parásitos. Son antenas con una alta directividad, debido a que tienen la capacidad de concentrar la potencia radiada en una sola dirección. La ganancia de una una antena Yagi-Uda de tres elementos (reflector-dipolo-director) normalmente es de 6 DB, pero optimizando las distancia de separación de los elementos de puede llegar hasta 8 DB. [1]
Palabras clave: antena Yagi-Uda, Gamma-match,
Elemento activo Es el corazón de la antena. Determina la polarización y la frecuencia central de la antena. La longitud recomendada para el dipolo es de 0.5landa. Puede ser un dipolo doblado resonante, con objeto de aumentar el ancho de banda. [1]
shunt.
ABSTRACT:
Our job is to design and develop a Yagi-Uda antenna with coupling Gamma-match, which was prepared in two steps: First is the development of the antenna according to our specific frequency and with such calculations so that radiates according to our features. And the second part is instead symmetrize the coupling of our antenna to the cable with which we work, so they perform the respective mathematical analysis for sizing then proceed to do the simulation in FEKO, and finally the physically implemented to corroborate the results.
El reflector Normalmente es más largo que el dipolo, para reforzar la energía radiada hacia la parte delantera. Este tiene una reactancia inductiva, dado que no se ha encontrado mejora al aumentar los reflectores se utiliza solamente uno. La longitud del reflector es 0.6 landa. [1]
Los directores: Usualmente son entre 10 y 20% más pequeños que el dipolo, se utilizan para direccionar la radiación hacia delante. Tienen reactancia capacitiva. [1]
1. INTRODUCCIÓN Una de las necesidades más importantes que posee el mundo actual es el poderse comunicar a todas partes sin limitación alguna, dándonos cuenta de esto, el objetivo de nuestro trabajo es indicar paso a paso la construcción, elaboración, diseño y acoplamiento de
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ANTENAS. Diseño y construcción de una antena tipo Yagi-Uda para una frecuencia de 103.1MHz
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2. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar una antena para transmitir la señal de un radio transmisor a una frecuencia especifica.
2.2 OBJETIVO ESPECÍFICO
Figura 2. Conector PL Macho
Diseñar y construir una antena tipo Yagi-Uda la cual es ideal para la recepción de monocanales en las frecuencias de FM.
3.3 CABLE COAXIAL 3.3.1 RG-58
3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
El cable coaxial es un cable utilizado para transportar señales eléctricas de alta frecuencia que posee dos conductores concéntricos, uno central, llamado vivo, encargado de llevar la información, y uno exterior, de aspecto tubular, llamado malla o blindaje, que sirve como referencia de tierra y retorno de las corrientes. Entre ambos se encuentra una capa aislante llamada dieléctrico, de cuyas características dependerá principalmente la calidad del cable. Todo el conjunto suele estar protegido por una cubierta aislante. La mayoría de los cables coaxiales tienen una impedancia característica especificada [2].
3.1 ANTENAS Dispositivos diseñados con el objetivo de emitir o recibir ondas electromagnéticas hacia el espacio libre. Cuando hablamos de antenas nos referimos por igual de antenas para emitir que para recibir. La antena propiamente tiene las mismas características para ambas tareas. Así que la misma precisión que tiene para enviar en una determinada dirección es la que tiene para recibir en esa dirección. [6] Parámetros de una Antena:
La característica principal de la familia RG-58 es el núcleo central de cobre y q posee una impedancia de 50Ω. [2]
Diagrama de radiación Ancho de banda Directividad Ganancia Impedancia de entrada Anchura de haz Polarización
3.2 CONECTORES DE TIPO PL Para el siguiente trabajo hemos utilizado los conectores tipo PL, machos y hembras:
Figura 3. Cable Coaxial RG-58
3.3.2 RG8 Este tipo de cable coaxial se lo considera uno de los mejores para la transmisión ya que posee menos pérdidas cuando las ondas se transmiten por él.
3.3.2.1 Datos Técnicos del RG8-U CONDUCTOR:
Figura 1. Conector PL Hembra de empotrado
Number of Coax Total Number of Conductors RG Type
2
1 1 8/U
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. AWG Stranding Conductor Diameter Conductor Material
Copper
3.4.2 SHUNT
13 7x21 0.085 in. BC - Bare
El shunt es la pieza de aluminio que une el elemento excitado (antena) y el Gamma-Match. Para poder realizar el acople se variará la distancia de separación del shunt con el fin de saber cuál es su mejor ubicación en función del ROE. [7]
3.2.2.2 CARACTERISTICAS ELECTRICAS 52 Ω Nom. Characteristic Impedance Nom. Inductance 0 .079 μH/ft 28.5 pF/ft Nom. Capacitance Conductor to Shield 66 % Nominal Velocity of Propagation 1.54 ns/ft Nominal Delay Nom. Conductor DC Resistance@ 20 Deg.C 1.9 Ω/1000 ft Nominal Outer Shield DC Resistance @ 20Deg.C 1.2 Ω/1000 ft.
Figura 5. Shunt que une la pieza de aluminio y el Gamma-
3.4 GAMMA MATCH
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. Este acoplador de impedancia es el más utilizado por su eficiencia y facilidad de construcción, el mismo se lo construye con los mismos materiales de la antena. [7]
Para poder realizar el análisis del acoplador se variara el tamaño del shunt con el fin de saber cuál es su mejor tamaño en fun-ción del ROE. En la parte inferior de la siguiente figura (Figura 6) se puede ver los shunts de diferentes tamaños utilizados. [7]
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. [7]
3.4.1 ACOPLE CON GAMMAMATCH La antena gamma match es una antena ½ longitud de onda, adicional con la impedancia que empareja arreglos más flexibles, deslizándose por el acople (tubo) de la gamma match. Este tipo de la antena ha sido usada para transmitir FM con resultados excelentes en el ajuste de una impedancia apropiada. [7]
Figura 6. Shunt de 3-4-5-6 cm y aislante Además en la parte superior de la Figura 6, se puede ver el aislante, que sirve sólo para ayudar a sostener y mantener fijo el Gamma-Match; este debe ser de la misma longitud del shunt. [7] 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. Todo el sistema del Gamma-Match se lo puede apreciar en la Figura 7. [7]
Figura 4. Diagrama del acople gammamatch
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Figura 7. Gamma-Match
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4. DIMENSIONES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE LA ANTENA YAGI-UDA GAMAMATCH CON 2 DIRECTORES
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Frecuencia: 103.1 MHz
RG-58 de 50Ω = f = 0.66
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Reflector
Dipolo
Directores
Figura 8.
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Modelo de la antena yagi-Uda con dos directores.
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4.1 CALCULO DEL ACOPLE GAMMAMATCH La longitud l del Gamma-Match, es del 10% de la longitud de onda, expresada en las siguientes ecuaciones:
Figura 10. Acoplamiento con los Conectores PL macho
Figura 9. Cálculos de dimensionamiento del Gammamatch
4.3 ACOPLE A LA ANTENA CON LOS CONECTORES PL
Se "pela" uno de los extremos del cable coaxial unos 2 cm aproximadamente cortando el aislante exterior, la malla y el aislante central, procurando dejar intacto el conductor central (vivo). [5]
Se introduce el cable a través del acoplador externo, es importante no olvidar esto, ya que si no lo hacemos y nos acordamos cuando el PL está ya soldado nos veremos en la situación de deshacer todo el trabajo realizado. [5] A continuación se introduce el extremo del c able en el interior del conector PL sin forzarlo en exceso y procurando que no se deshaga la malla. [5] Una vez efectuada la operación anterior se suelda el conductor central procurando no realizar una "soldadura fría", para ello se debe calentar convenientemente la punta del PLcon el soldador y aplicar después suficiente estaño. [5] Finalmente se suelda la malla a través de los orificios con la finalidad de mejorar la conductividad y dar solidez al Montaje. [5]
A continuación se "pela" otros 2 cm cortando solamente el aislante exterior, procurando no dañar la malla ni el aislante central. [5] El siguiente paso consiste en estañar el conductor central y la malla; esta operación es importante realizarla con limpieza, ya que si aplicamos demasiado estaño puede resultar difícil introducir el extremo del cable en el interior del conector PL. [5]
Figura 11. Soldadura del PL macho
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5. SIMULACION Para la simulación se ha utilizado software FEKO suite 5.2 uno de los mejores pero también de los de mayor precio, permitiendo simular un sin número de estructuras de antenas y de igual forma evaluar la distribución de campo de estructuras donde se situará la antena. Permite evaluar un sin número de parámetros, en si es un programa muy completo para estos fines, y por lo tanto para nuestro modelo de antena. Tomando en cuenta los cálculos realizados en el informe, se ha procedido a realizar las siguientes simulaciones de la antena Yagi-Uda con el objetivo de cumplir las expectativas de su diseño. Cabe recalcar que se trabajara en la frecuencia de 103.1 MHz, además se considera que mientras más directores tenga nuestro modelo de antena, más será la ganancia de la misma, en este caso por cuestiones de espacio se ha creído conveniente establecer que nuestra antena contará con dos directores, con los cuales se tendrá una ganancia de entre 9 y 10 dB.
Figura 13. Ganancia de la antena Yagi-Uda En la figura 13 podemos ver la ganancia en decibeles con la que va a contar nuestra antena Yagiuda, la cual va a estar alrededor de unos 7.38 dB.
6. DISEÑO E IMPLEMENTACION DE LA ANTENA EN FEKO Se ha procedido diseñar todos los segmentos de la antena ya mejorados, desde el reflector, el dipolo hasta los directores. En lo que implica el diseño del dipolo según los cálculos como se tiene una medida de 1.45 m sería la longitud ideal, pero hay que multiplicar este valor por el 95% para obtener el valor real para la práctica, lo que explica el por qué lo hicimos anteriormente.
Figura 12. Modelo de la antena hecha en Feko. Figura 14. Grafica polar de la ganancia de la componente total
Como podemos observar (figura 10), esta figura representa el modelo de nuestra antena Yagi-Uda en 3D, la cual va a estar formada por un reflector, un dipolo simple con acople en este caso de gammamatch, y por ultimo también va estar formada por dos directores.
La potencia de radiación, por lo general, es la más importante de los tres campos que existen en la antena, motivo de su importancia nos hemos basado en el software de simulación Feko para obtener así el campo lejano en la componente total (ver figura 14 ).
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. Una vez hecho todos los cálculos, implementado y comprobando cada uno de los resultados obtenidos en los software de simulación ya antes mencionados, podemos seguir o proceder con el siguiente paso el cual consiste es la construcción de la antena Yagi-Uda con acople de Gamma-match con 2 directores para la frecuencia de 103.1 MHz. Para la construcción se utilizaran los siguientes materiales:
Figura 15. Componente total del campo lejano horizontal.
En la figura anterior (figura 15) con ayuda del software de simulación Feko, pudimos obtener y visualizar el diagrama polar del campo eléctrico de nuestra antena, la cual cuenta con una buena ganancia en polarización horizontal.
Cable coaxial RG-58 de baja perdida. 1 conector PL hembra 2 conector PL macho 1 tubo redondo de aluminio (3/8) 1 tubo cuadrado de aluminio (5 x 5) 1 cautín de 60 W Estaño pasta de soldar Amarras Tornillos Taladro Tapones Lima Cierra para hierro flexo metro
7.2 PROCEDIMIENTO 1)
2)
3)
Figura 16. Representación del campo lejano de la ganancia. 4) En la figura 16 podemos observar la gráfica correspondiente a la ganancia de la antena del diagrama de campo lejano. 5)
7. DESARROLLO DE LA ANTENA 7.1 MATERIALES
6)
7
Calcular las dimensiones de las diferentes piezas de la antena (reflector, dipolo, directores, gamma-match, shunt) Una vez cortadas las piezas según los cálculos obtenidos procedemos a cortar el boom el cual va a ser la parte central de la antena, es decir, el que permite la unión de todos los componentes (reflector, dipolo, directores) Perforar el boom y colocar cada uno de los elementos de la antena, tratar de hacer que los elementos queden lo más centrados y rectos posibles. Una vez colocados los elementos de la antena, agujerarlos por el centro, para de esta manera tener una mayor aseguración de los elementos al boom. Cortar la medida calculada del cable coaxial a utilizar en este caso el RG-58, luego de haber hecho esto colocamos los conectores PL al cable coaxial con el procedimiento descrito al inicio de este documento. Después empotramos el conector PL hembra en el boom, de manera que la entrada del PL
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. hembra quede en posición paralela al gammamatch de la antena. 7) Cortar el cable RG-8 de acuerdo a la medida del gamma-match, después pelamos la punta del cable RG-8 hasta el alambre conductor de cobre. 8) Con ayuda del shunt colocamos el gammamatch en posición paralela al director. 9) Introducimos el cable coaxial RG-8 en el interior del tubo del gamma-match de manera que solo dejamos la punta pelada que quede a la vis ta. 10) Soldamos la punta que queda a la vista del cable coaxial RG-8 a la entrada del extremo del conector PL hembra anteriormente empotrado. 11) Aseguramos el shunt para que el gammamatch se quede estático.
Figura 18. Analizador SWR Se procede como en las simulaciones, se agrega elemento por elemento; con la ayuda del SWR Analyzer se mide los tres parámetros: ROE, impedancia (Rs) y reactancia (Xs). En función del ROE se encuentra la mejor distancia de separación de cada uno de estos elementos.
A continuación se muestra nuestro modelo de antena una vez terminado, como se puede ver cuenta con 4 elementos; 1 reflector, 1 dipolo, y 2 directores respectivamente.
A continuación se muestran algunos valores del ROE obtenido de nuestro modelo de antena.
Figura 19. Valor del ROE medido de la antena Yagi de 4 elementos .
Figura 17. Antena Yagi con 4 elementos
7.3 MEDICIONES Para las pruebas de campo se utiliza el SWR ANALYZER, el cual permite obtener el valor del ROE en función de la frecuencia.
Figura 20. Valor del ROE obtenido. 8
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. empleados en el acople gamma-match, ya que, si las longitudes especificadas con cálculos son diferentes a las dimensiones reales en la práctica, no se obtendrá un valor de ROE dentro del rango aceptable.
10. REFERENCIAS [1]
Antenas, búsqueda 11 de Enero 2012.Disponible en:
[2] BALUN, búsqueda 16 de Enero 2012. Disponible
Figura 21. Relación de onda estacionaria obtenida (de 1.3)
[3] Cable coaxial RG58, búsqueda 17 de Enero 2012. Disponible en: http://www.farnell.com/datasheets/95 123.pdf
8. CONCLUSIONES
en:
[4] Cable coaxial RG8-U, búsqueda
Para la realización de nuestra antena hemos utilizado el acople por simetría con cambio de impedancias ya que nos pareció más factible debido a que este nos brinda un adaptador como a la vez un s imetrizador.
17 de Enero 2010. http://usuarios.multimania.es/unionra dioba/montarpl.htm
[5] Conectores PL, búsqueda 16 de Enero
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).
2012. Disponible en <:http://usuarios.multimania.es/unionradioba/m ontarpl.htm>
[6] [5] LAS ANTENAS, Brault R. y Piat R., Paranifo, Segunda Edición (1993). [En línea disponible en]: < http://ingenieria.usco.edu.co/formacion/Microdis e%C3%B1os/Electronica/Lineas_Antenas.doc>
Se debe tener mucho cuidado con los datos que obtienen para la construcción de la antena, ya que si no se hacen de acuerdo a las especificaciones de los datos se puede tener problemas cuando se mida el SWR, el coeficiente de ondas estacionarias.
[7] Revista en Corto Circuito (Numeral #18), Pagina 23_ Gamma-match. [En línea disponible en]: [Consulta del 28 de Julio del 2012]
A mayor frecuencia la longitud del dipolo es menor y a menor frecuencia la longitud del dipolo es mayor, en nuestro caso como se trató de una frecuencia un poco alta (103.1 MHz), el diámetro de nuestra antena no salió de un diámetro muy grande. El colocar elementos parásitos a la antena en este caso un director, da mayor estabilidad y un mejor nivel de ondas estacionarias (ROE) a la antena.
9. RECOMENDACIONES Como principal y única recomendación tenemos que se debe tener mucha precisión al momento de cortar y soldar los cables en la antena, más específicamente en lo que respecta al momento de cortar los materiales
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