UNIVERSIDADE FEDERAL DO ACRE – UFAC UFAC CENTO DE CIÊNCIA EXATAS E TECNOLÓGICAS – CCET CCET BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
Vítor Onofre de Sousa
Construção de uma antena Yagi-Uda de 5 Elementos
Rio Branco/Ac 2016
Vítor Onofre de Sousa
Construção de uma antena Yagi-Uda de 5 Elementos
Relatório apresentado como requisito parcial para a obtenção de aprovação na disciplina Ondas e Antenas, do curso de Engenharia Elétrica, da Universidade Federal do Acre. Orientador: Prof. Dr. Róger Fredy Larico Chavez
Rio Branco/Ac 2016 2
Sumário
1.
INTRODUÇÃO ............................................................................................................. 4
2.
MOTIVAÇÃO ............................................................................................................... 5
3.
OBJETIVO .................................................................................................................... 5
4.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...................................................................................... 5
5.
JUSTIFICATIVA .......................................................................................................... 5
6.
RESULTADOS ESPERADOS ..................................................................................... 6
7.
MARCO TEÓRICO ..................................................................................................... 6
8.
PLANO DE TRABALHO E DESENVOLVIMENTO .............................................. 7 8.1.
Aquisição de dados ................................................................................................ 8
8.2.
Requerimentos do sistema e relação de materiais ............................................ 10
8.3.
Aplicações ............................................................................................................. 10
8.4.
Considerações ...................................................................................................... 11
9.
CONSTRUÇÃO .......................................................................................................... 11
10.
ORÇAMENTO ........................................................................................................ 14
11.
CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS ................................................. 14
12.
BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................... 15
ANEXO ................................................................................................................................. 16
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1. INTRODUÇÃO As antenas Yagi Uda são muito utilizadas em sistemas de telecomunicações, devido as suas características peculiares: grande diretividade e ganho considerável. São antenas diretivas de condutores lineares, constituída de um array de uma dipolo de meia onda com elementos parasitas (um refletor e um ou mais diretores). Para que uma antena cumpra sua função corretamente, deve ter um determinado tamanho, forma e estar construída com materiais especiais. Deve-se ter em mente que o modo como os componentes são estruturados, bem como a variação do seu tamanhos e posições alteram as características da antena. Neste relatório serão abordados o projeto e construção de uma antena do tipo Yagi de 5 elementos que funciona na banda de 186-216 MHz destinada aos canais televisivos 9-13, tendo-se como frequência central 200 MHz.
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2. MOTIVAÇÃO Visando apresentar um método didático de fabricação de uma antena tipo Yagi Uda de forma artesanal e com um baixo custo, este trabalho se propõe a embasar o estudo e procedimento de construção desta antena destinada à faixa 198-204 MHz (canal 11), tendo em vista os benefícios que a antena Yagi possui em termos de eficiência e custo, bem como a facilidade de construção da mesma, sendo esta utilizada em uma gama de aplicações, como captação de ondas de rádio, radares e até mesmo Wi-Fi [1].
3. OBJETIVO O Objetivo deste trabalho é realizar um estudo de materiais e métodos para a construção de uma antena Yagi Uda de 5 elementos, sendo estes: um irradiante (ativo), um refletor (passivo) e três diretores (passivos).
4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Tem-se como objetivos específicos:
Construção de uma antena do tipo Yagi Uda de 5 elementos que seja capaz de captar sinais de rádio na faixa de 198-204 MHz;
Captar o canal 11;
5. JUSTIFICATIVA Devido às suas características, boa diretividade e ganho, as antenas Yagi são utilizadas numa série de aplicações, sendo de grande eficiência na maioria dos sistemas de rádio amadores. A construção caseira deste tipo de antena se justifica devido à facilidade e baixo custo que a mesma requer. Ela consiste em apenas um elemento ativo, o irradiante, e ademais de elementos passivos, o refletor e os diretores, que são chamados elementos parasitas. Estes elementos, geralmente consistem em tubos de alumínio, muito utilizado devido sua boa resistência e baixo peso. O alumínio é um elemento consideravelmente caro, porém, pode ser facilmente substituído por elementos mais baratos como fios cobre reutilizados, tornando o projeto da antena ainda menos oneroso e ainda assim eficiente. 5
6. RESULTADOS ESPERADOS Espera-se ao fim deste trabalho alcançar os seguintes resultados:
Realização do projeto com o menor custo possível;
Além do canal 11 espera-se captar os canais 9-13;
7. MARCO TEÓRICO A antena Yagi é também conhecida por Yagi-Uda. Essa última denominação deve-se ao seu inventor Shintaru Uda e ao inglês Hidetsugu Yagi quem a primeiramente explicou com deduções teóricas. Sua arquitetura consiste basicamente de uma antena dipolo de meia onda como elemento irradiador e vários elementos parasitas como o refletor e os diretores. A corrente excitada no elemento diretor ou refletor é re-irradiada resultando em uma superposição do campo elétrico no elemento ativo, o que tende a provocar um aumento de ganho. Dessa forma, o número de elementos que devem constituir uma Yagi depende, portanto, da aplicação a qual for dada à antena. A Figura 1 ilustra uma antena Yagi de três elementos.
Fig. 1. Antena Yagi-Uda VHF de três elementos: Refletor, Irradiador e um Diretor.
As características deste tipo de antena dependem da sua geometria. O único elemento ativo é o irradiante, este sempre leva o cabo coaxial e nada mais é do que uma antena dipolo de meia onda. O elemento parasita quando maior é o refletor. Quando o elemento parasita é menor que o irradiante ele é o diretor. Pode ter vários diretores, mas quase sempre um único refletor. Como uma seta, a antena sempre irradia na direção do elemento menor, sendo que 6
quanto maior o número de diretores, maior será o ganho da antena. Geralmente o refletor é de 5% a 10% maior que o irradiante, já o comprimento dos demais elementos e o espaçamento entre eles são determinados empiricamente. As antenas Yagi são do tipo lineares e podem ser implementadas nas faixas de VHF e UHF, opera segundo a orientação mecânica dos seus elementos em polarização linear horizontal ou linear vertical. Mediante a incorporação de uma segunda antena mecanicamente a 90 graus e alimentada em quadratura de fase (defasada em 90 graus elétricos) com a primeira, a antena Yagi pode ser implementada para operação em polarização circular. A figura a seguir resume algumas características desse tipo de antena.
Fig. 2 Especificações Yagi Uda.
8. PLANO DE TRABALHO E DESENVOLVIMENTO A obtenção dos parâmetros ideais para a construção da antena Yagi requer um complexo e árduo trabalho de experimentação, o que é inviável de se fazer sem o auxílio de equipamentos específicos de análise para verificação do desempenho e irradiação ótima da antena, portanto, este trabalho se baseia nos dados obtidos e processados de um projeto de fabricação de uma antena Yagi Uda de 5 elementos para a frequência de 187 MHz presente na bibliografia [2];
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8.1. Aquisição de dados O primeiro passo para se construir uma antena Yagi Uda é se definir uma finalidade, isso é, uma faixa de operação. Para este projeto a frequência central escolhida foi de 200 MHz, referente ao canal 11 de acordo com a tabela A presente em anexo. Sabemos que o elemento irradiante é uma antena dipolo de meia onda, portanto precisamos antes de mais nada dimensionar este elemento. O comprimento de onda ʎ é dado por:
ʎ=
Onde é a velocidade da luz, que é de aproximadamente 300×10 / e f é a frequência em Hertz. Como a frequência escolhida foi de 187 MHz, segue que:
300×10 / ʎ= ≅ 1,5 200 × 10 Portanto, para a dipolo de meia onda temos:
ʎ 1,6 = = = 0,75 2 2 Logo, o elemento irradiante da antena Yagi deverá ter 0,75m ou mais precisamente, dois seguimentos com comprimento de 1⁄4 de onda ou 0,375m. Ademais, os comprimentos e o posicionamento dos elementos da antena constam na tabela seguinte.
Elemento
Longitude
Espaçamento ao elemento seguinte
Refletor
80 cm
30 cm
Irradiante
75 cm
20 cm
Diretor 1
70 cm
25 cm
Diretor 2
65 cm
25 cm
Diretor 3
65 cm Tabela 1. Comprimento 8
A figura 3 ilustra como deverá ficar a antena dados os parâmetros obtidos.
Fig 3. Projeção da antena construída.
Para uma antena com o mesmo número de elementos e mesmas dimensões que as deste projeto (dados contidos em [2]) foram realizados os testes de ganho e diretividade utilizando um analisador de espectro, ligando-se a antena a um gerador, e apontando-a para o analisador de espectro sendo esta rotacionada para verificar a magnitude em decibel que se obtinha no espectro. Os resultados dos testes constam na tabela B do anexo. Os parâmetros obtidos a partir da aquisição dos dados constam a seguir e devem servir como uma estimativa teórica, sendo a validação dos dados realizada depois que a antena for fabricada. A seguir apresentam-se os cálculos de ganho da antena:
Nível de potência no receptor: -20,8dBm Potência no receptor PRX: 8.2Watts Nível de potência no transmissor: 10dBm
Potência no transmissor: 16mW
Densidade de Potência de uma antena Isotrópica: Pa=Pr /(4r2) = 16mW / (4(4m)2) = 79.58W/m2
Densidade potencia receptor: PaRX = PRX / Ae = 15,59W / m2
Portanto tem-se que :
Ganho antena: Pa / PaRX = 5.1
Ganho em dB: 7,08dBi 9
O diagrama de irradiação da antena Yagi é mostrado na figura 4.
Fig. 4. Diagrama de irradiação para uma Yagi de 5 elementos.
8.2. Requerimentos do sistema e relação de materiais Para a confecção da antena Yagi Uda se fizeram necessários os seguintes materiais:
5 Tubos de alumínio de ½ polegada;
1,3m de cano de 25mm;
Balun de TV: Adaptador para cabo coaxial.
Cabo coaxial;
Abraçadeiras;
Furadeira;
Serra;
Parafusos;
8.3. Aplicações As antenas Yagi Uda são muito utilizadas em uma série de aplicações devido à facilidade de construção da mesma e o seu ganho razoável. Possuem diversas aplicações, podendo ser utilizadas desde captação de ondas de rádio amador e até mesmo de Wi-Fi. Contudo, o uso mais comum para as antenas Yagi é na radiofusão televisiva, e é para esta aplicação que este
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projeto se dedica: utilização da antena em ambiente doméstico para captação de canais analógicos.
8.4. Considerações A construção de uma boa antena é feita mediante muita experimentação. Necessitase de um equipamento analisador de espectro para se estimar o lóbulo de radiação da antena, bem como seu ganho. Sem esta ferramenta, reproduziu-se um modelo de antena com determinados parâmetros pré-definidos, porém, o projeto pode sofrer pequenas alterações mediante a verificação dos resultados alcançados em testes.
9. CONSTRUÇÃO A implementação da antena Yagi Uda é bem simples. Vale relembrar que a antena nada mais é do que uma dipolo de meia onda que possui elementos parasitas posicionados paralelamente a ela. Para uma compreensão mais clara, sistematizou-se a construção da antena como se segue:
1º passo: Serrar os tubos de alumínio nos tamanhos indicados na tabela 1.
2º passo: Furar o cano que será o suporte dos elementos da antena, para acoplamento dos mesmos.
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3º passo: Fixar os elementos parasitas (refletor e diretores) no suporte.
4º passo: Serrar o tubo de alumínio de 75 cm em dois, para a fabricação da dipolo de meia onda, e fixa-la no suporte.
Para a fixação das duas partes da dipolo, utilizou-se um suporte de uma antena velha.
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5º passo: conectar o balun de
75Ω
- 300 Ω na dipolo, juntamente como o cabo coaxial.
A figura 5 mostra o resultado final da construção da antena Yagi Uda.
Figura 5. Antena Yagi Uda de 5 elementos concluída.
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10. ORÇAMENTO A construção da Yagi pode ser realizada de forma simples e com baixo custo. O orçamento resumido consta a seguir.
Material
Custo
3,5 m de tubos de alumínio ½ polegadas
R$ 17,50
1,3 m de cano 25mm
R$ 4,55
5 abraçadeiras de nylon
R$ 1,00
TOTAL
R$ 23,55
Os demais equipamentos como o adaptador do cabo coaxial e o suporte plástico para acoplamento da antena dipolo de meia onda foram reutilizados. Vale ressaltar que os tubos de alumínio poderiam ser substituídos por outros materiais condutores, como fios de cobre, materiais facilmente encontrados para reutilização, tornando o projeto ainda mais barato.
11. CONCLUSÕES E CONSIDERAÇÕES FINAIS A construção da antena Yagi Uda não demandou muito trabalho e o custo, ainda que baixo pode facilmente ser reduzido com a utilização de materiais reutilizados. Os únicos testes realizados, foi diretamente na TV, e a antena apresentou-se funcional, captando não apenas o canal 11 como alguns canais superiores. Além das aplicabilidades da antena Yagi no uso doméstico, vale ressaltar a importância do aprendizado obtido no processo de desenvolvimento da mesma, onde foi possível constatar a teoria, bem como validar na prática os resultados estudados.
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12. BIBLIOGRAFIA [1] CHAVEZ, Roger. Apostila: Propagação de Ondas e Antenas. Acre. 2016. [2] Fabricação de Antenas. Disponível em: http://html.rincondelvago.com/fabricacion-deantenas.html [3] KRAUS, John D. Antennas. New York: McGraw Hill, 1950. 553 p. [4] BALANIS, Constantine A. Antenna Theory: Analisis and Design. New York: John Wiley and Sons, 1997. [5] VIEZBICKE, P. P., 1976, Yagi Antenna Design, National Bureau of Standards Technical Note 688, Estados Unidos.
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ANEXO Tabela A. Canais Aéreos de VHF e UHF.
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Tabela B. Resultado dos experimentos com o analisador de espectro para a Yagi Uda de 5 elementos.
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