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 ; [1] Estos elementos suelen ser barras de metal que actúan como dipolos de media onda . [2] Las antenas Yagi – Uda consisten en un solo elemento accionado conectado a un transmisor de radio y / o receptor 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 . [2] [3] [4] Fue inventado en 1926 por Shintaro Uda de la Universidad Imperial de Tohoku , Japón , [5] con un papel menor desempeñado por su colega Hidetsugu Yagi . [5] [6]
Los elementos reflectores (generalmente solo se usa uno) son ligeramente 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. [4] Estos elementos parásitos son típicamente elementos dipolo cortocircuitados desajustados, es decir, en lugar de una ruptura 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 [4] y conjunto parásito , la Yagi se utiliza mucho como antena de alta ganancia en las bandas de HF , VHF y UHF . [3] [4] Tiene una ganancia de moderada a alta dependiendo del número de elementos presentes, llegando a veces hasta 20 dBi , [3] en un patrón de haz unidireccional. [3] Como conjunto de disparo 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). [3] Es relativamente ligero, económico y sencillo de construir. [3] El ancho de banda de una antena Yagi, el rango de frecuencia sobre el cual 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, [3] [4] lo que lo convierte en ideal para aplicaciones de frecuencia fija. El uso más grande y conocido es como antenas de televisión terrestre en los tejados , [3] pero también se utiliza para enlaces de comunicación fijos punto a punto, [2] en antenas de radar, [4] y para comunicaciones de onda corta de larga distancia por onda corta. estaciones de radiodifusión y radioaficionados . [2]
Orígenes
La antena fue inventada en 1926 por Shintaro Uda de la Universidad Imperial de Tohoku , Japón , [5] con un papel menor desempeñado por su colega Hidetsugu Yagi . [6] [7]
Sin embargo, el nombre "Yagi" se ha vuelto más familiar con el nombre de Uda que a menudo se omite. Esto parece haber sido debido a que Yagi presentó una patente sobre la idea en Japón sin el nombre de Uda en ella, [5] y luego transfirió la patente a Marconi Company en el Reino Unido. [8]
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. [7] Después de la guerra vieron un gran desarrollo como antenas de televisión domésticas .
Descripción
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. [2] 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. [2] [3] [4] Los elementos parásitos no están conectados eléctricamente al transceptor y sirven como radiadores pasivos , que vuelven a irradiar las ondas de radio para modificar el patrón de radiación . [2] Los espaciamientos típicos entre elementos varían de aproximadamente 1 ⁄ 10 a 1 ⁄ 4 de longitud de onda, según el diseño específico. Los directores son un poco más cortos que el elemento impulsado, mientras que los reflectores son un poco más largos. [4] 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. [3]
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. [4] Por lo general, están atornillados o soldados al brazo de soporte central de la antena. [4] El elemento impulsado se alimenta en el centro, por lo que sus dos mitades deben aislarse donde el brazo las soporta.
La ganancia aumenta con el número de elementos parásitos utilizados. [4] Solo se usa 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. [3]
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. [4] 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. [4] 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 porciones relevantes de las bandas VHF y UHF. [9] 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
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 1 ⁄ 2 λ dipoloodipoloplegadoy es el único miembro de la estructura que está directamente excitado (conectado eléctricamente a lalínea de alimentación). Todos los demás elementos se consideranparásitos. Es decir, vuelven a irradiar el poder que reciben del elemento impulsado (también interactúan entre sí).
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. Como es bien sabido en la teoría de las líneas de transmisión , un cortocircuito refleja toda la potencia incidente 180 grados desfasada. Por lo tanto, 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 ). Por tanto, un elemento parásito de media onda irradia una onda desfasada 180 ° con respecto a la onda incidente.
El hecho de que el elemento parásito involucrado no es exactamente resonante pero es algo más corto (o más largo) que 1 ⁄ 2 λ modifica la fase de la corriente del elemento con respecto a su excitación del elemento impulsado. El llamadoelemento reflector , siendo más largo que 1 ⁄ 2 λ , tiene una reactancia inductiva, loque significa que la fase de su corriente se retrasa con respecto a la fase del voltaje de circuito abierto que sería inducida por el campo recibido. Elelemento director , por otro lado, es más corto que 1 ⁄ 2 λ , tiene una reactancia capacitiva con la fase de voltaje a la zaga de la de la corriente. [10]
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 intensidad de la señal 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 intensidad 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, las suposiciones utilizadas son bastante inexactas. Dado que el llamado reflector, el elemento parásito más largo, tiene una corriente cuya fase se retrasa con respecto a la del elemento impulsado, se esperaría que la directividad estuviera en la dirección del reflector, opuesta al patrón direccional real de la antena Yagi-Uda. . De hecho, ese sería el caso si construyéramos una matriz en fase con elementos bastante espaciados, todos impulsados por voltajes en fase, como postulamos.
Sin embargo, estos elementos no son impulsados como tales, sino que reciben su energía del campo creado por el elemento impulsado, por lo que encontraremos que casi lo contrario es cierto. Por ahora, considere que el elemento parásito también tiene una longitud λ / 2. De nuevo, mirando el elemento parásito como un dipolo que se ha cortocircuitado en el punto de alimentación, podemos ver que si el elemento parásito respondiera al elemento impulsado con un voltaje del punto de alimentación de circuito abierto en fase con el aplicado al elemento impulsado (que asumiremos por ahora), entonces la onda reflejada del cortocircuito induciría una corriente desfasada 180 ° con la corriente en el elemento impulsado. Esto tendería a cancelar la radiación del elemento impulsado. Sin embargo, debido a la reactancia causada por la diferencia de longitud, el desfase de la corriente en el reflector, sumado a este desfase de 180 °, da como resultado un avance de fase y viceversa para el director. Por lo tanto, la directividad de la matriz está en la dirección hacia el director.
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.
Ilustración de la ganancia directa de una matriz Yagi-Uda de dos elementos utilizando solo un elemento conducido (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 (ver explicación en el texto). La adición de estas ondas (abajo) aumenta en la dirección de avance, pero conduce a la cancelación en la dirección de retroceso.
Se debe tener en cuenta un retardo de fase adicional debido a la distancia finita entre los elementos que retrasa aún más la fase de las corrientes tanto en los directores como en los reflectores. El caso de una matriz Yagi-Uda que utiliza solo un elemento conducido y un director se ilustra en el diagrama adjunto teniendo en cuenta todos estos efectos. 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 (que asciende a un retraso de fase de aproximadamente 35 ° que será importante para los cálculos de dirección inversa más adelante), y genera una corriente que estaría fuera de fase con el elemento impulsado (por lo tanto, 180 grados adicionales). ° cambio de fase), pero que avanza aún más en fase (unos 70 °) debido a la duración más corta del director. En la dirección de avance, el efecto neto es una onda emitida por el director (azul) que tiene un retraso de 110 ° (180 ° -70 °) 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 ligeramente 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 35 ° de retardo de fase atravesado dos veces) hace que sea de aproximadamente 180 ° (110 ° + 2 × 35 °) fuera de fase con la onda del elemento impulsado (verde). El efecto neto de estas dos olas, cuando se agregan (abajo, izquierda), es una cancelación casi completa. 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.
Un análisis completo de tal sistema requiere calcular las impedancias mutuas entre los elementos dipolares [11], lo que implícitamente tiene en cuenta el retardo de propagación debido al espaciado finito entre los elementos. 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 entonces 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:
donde hemos sustituido Z 12 = Z 21 . La relación de voltaje a corriente en este punto es la impedancia del punto de activación Z dp del Yagi de 2 elementos:
Con solo el elemento impulsado presente, la impedancia del punto de activación habría sido simplemente Z 11 , pero ahora ha sido modificada por la presencia del elemento parásito. Y ahora, conocer la fase (y amplitud) de I 2 en relación con I 1 como se calculó anteriormente nos permite determinar el patrón de radiación (ganancia en función de la dirección) debido a las corrientes que fluyen en estos dos elementos. La solución de dicha antena con más de dos elementos procede a lo largo de las mismas líneas, estableciendo cada V j = 0 para todos menos el elemento impulsado, y resolviendo las corrientes en cada elemento (y el voltaje V 1 en el punto de alimentación). [12]
Diseño
No existen fórmulas simples para diseñar antenas Yagi-Uda debido a las complejas relaciones entre parámetros físicos como
- longitud y espaciado del elemento
- diámetro del elemento
- características de rendimiento: ganancia e impedancia de entrada
Sin embargo, utilizando los tipos anteriores de análisis iterativo, se puede calcular el rendimiento de un conjunto dado de parámetros y ajustarlos para optimizar la ganancia (tal vez sujeto a algunas restricciones). Dado que con una antena Yagi – Uda de n elementos, hay 2 n - 1 parámetros para ajustar (las longitudes de los elementos y los espaciamientos relativos), este método de análisis iterativo no es sencillo. Las impedancias mutuas trazadas anteriormente solo se aplican a elementos de longitud λ / 2 , por lo que es posible que sea necesario volver a calcularlos para obtener una buena precisión.
La distribución de corriente a lo largo de un elemento de antena real está dada solo aproximadamente por el supuesto habitual de una onda estacionaria clásica, que requiere una solución de la ecuación integral de Hallen teniendo en cuenta los otros conductores. Un análisis tan completo y exacto, considerando todas las interacciones mencionadas, es bastante abrumador, y las aproximaciones son inevitables en el camino para encontrar una antena utilizable. En consecuencia, estas antenas son a menudo diseños empíricos que utilizan un elemento de prueba y error , a menudo comenzando con un diseño existente modificado de acuerdo con la corazonada. El resultado puede comprobarse mediante medición directa o mediante simulación por ordenador.
Una referencia bien conocida empleada en este último enfoque es un informe publicado por la Oficina Nacional de Estándares de los Estados Unidos (NBS) (ahora el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST)) que proporciona seis diseños básicos derivados de mediciones realizadas a 400 MHz. y procedimientos para adaptar estos diseños a otras frecuencias. [13] Estos diseños, y los derivados de ellos, a veces se denominan "NBS yagis".
Ajustando la distancia entre los directores adyacentes es posible reducir el lóbulo posterior del patrón de radiación.
Historia
La antena Yagi-Uda fue inventada en 1926 por Shintaro Uda de la Universidad Imperial de Tohoku , [5] Sendai , Japón , con la colaboración de Hidetsugu Yagi , también de la Universidad Imperial de Tohoku. [6] Yagi y Uda publicaron su primer informe sobre la antena direccional del proyector de ondas. Yagi demostró una prueba de concepto , pero los problemas de ingeniería resultaron ser más onerosos que los sistemas convencionales. [14]
Yagi publicó la primera referencia en inglés sobre la antena en un artículo de encuesta de 1928 sobre la investigación de ondas cortas en Japón y llegó a asociarse con su nombre. Sin embargo, Yagi siempre reconoció la principal contribución de Uda al diseño, y el nombre propio de la antena es, como se indicó anteriormente, antena (o conjunto) Yagi-Uda.
El Yagi se utilizó ampliamente por primera vez durante la Segunda Guerra Mundial para equipos de radar aerotransportados , debido a su simplicidad y direccionalidad. [14] [15] A pesar de haber sido inventado en Japón, muchos ingenieros de radar japoneses desconocían el diseño hasta muy tarde en la guerra, en parte debido a la rivalidad entre el Ejército y la Armada. Las autoridades militares japonesas se dieron cuenta por primera vez de esta tecnología después de la Batalla de Singapur cuando capturaron las notas de un técnico de radar británico que mencionaba "antena yagi". Los oficiales de inteligencia japoneses ni siquiera reconocieron que Yagi era un nombre japonés en este contexto. Cuando se le preguntó, el técnico dijo que se trataba de una antena que lleva el nombre de un profesor japonés. [16] [N 1]
Se puede ver una matriz polarizada horizontalmente debajo del borde de ataque del avión de la Armada de los Estados Unidos con base en el portaaviones Grumman TBF Avenger y del hidroavión de patrulla de largo alcance Consolidated PBY Catalina . Se pueden ver matrices polarizadas verticalmente en las mejillas del P-61 y en los conos de la nariz de muchos aviones de la Segunda Guerra Mundial, en particular los ejemplos equipados con radar de Lichtenstein del caza-bombardero alemán Junkers Ju 88 R-1 , y el británico Bristol Beaufighter night -caza y hidroavión Short Sunderland . De hecho, este último tenía tantos elementos de antena dispuestos en su espalda, además de su formidable armamento defensivo con torretas en el morro y la cola, y encima del casco, los aviadores alemanes lo apodaron fliegendes Stachelschwein , o "Puercoespín Volador". [17] La antena de radar de banda VHF de IA de Morgenstern alemana experimental de 1943-1944 utilizó una estructura "doble Yagi" de sus pares de antenas Yagi en ángulo de 90 ° formados a partir de seis elementos dipolo discretos, lo que hace posible encajar la matriz dentro de un cúpula cónica de madera contrachapada cubierta de goma en la nariz de un avión, con las puntas extremas de los elementos de la antena de Morgenstern que sobresalen de la superficie de la cúpula, con un NJG 4 Ju 88 G-6 del vuelo del personal del ala usándolo al final de la guerra para su Lichtenstein Radar AI SN-2. [18]
Después de la Segunda Guerra Mundial, el advenimiento de la radiodifusión televisiva motivó una amplia adaptación del diseño Yagi-Uda para la recepción de televisión en tejados en la banda VHF (y más tarde para la televisión UHF ) y también como antena de radio FM en áreas marginales. Un inconveniente importante fue el ancho de banda intrínsecamente estrecho de Yagi, que finalmente se resolvió mediante la adopción de la matriz de dipolos logarítmicos periódicos de banda muy ancha (LPDA). Sin embargo, la mayor ganancia de la Yagi en comparación con la LPDA hace que aún sea necesaria para la mejor recepción marginal , y se han desarrollado diseños Yagi muy complicados y combinaciones con otras tecnologías de antena para permitir su funcionamiento en las amplias bandas de televisión .
La antena Yagi-Uda fue nombrada un hito IEEE en 1995. [19]
Ver también
- Antena (radio)
- Matriz de antenas
- Código numérico electromagnético
- Buscador de dirección de radio
- Radiogoniometría
Notas
- ^ Esta historia es análoga a la historia de los oficiales de inteligencia estadounidenses que interrogan a científicos de cohetes alemanes y descubren que Robert Goddard fue el verdadero pionero de la tecnología de cohetes a pesar de que no era muy conocido en los Estados Unidos en ese momento.
Referencias
- Citas
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enlaces externos
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- 'Emisor Yagi – Uda utilizado para radares de baja frecuencia AESA (matriz activa escaneada electrónicamente)' patents.google.com
- Antena Yagi-Uda . Información simple sobre diseño básico, proyecto y medida de la antena Yagi – Uda. 2008
- Antenas Yagi-Uda www.antenna-theory.com
- Calculadora de antena Yagi y diseños de computadora 2020 "