Paper Final Proyecto Antenas 103 1 MHz (2)

Radiación y Guías de Onda: Diseño y construcción de una antena tipo Yagi-Uda para una frecuencia de 105.5MHz

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA ANTENA TIPO YAGI-UDA PARA LA FRECUENCIA DE 105.5 MHZ

Erick Adrián Córdova Pé[email protected]

Israel Andrés Rodríguez [email protected]

RESUMEN: Nuestro proyecto consiste en diseñar e implementar una antena tipo Yagi-Uda con acople de Gamma-match, para la frecuencia de 105.5MHz cuya frecuencia es una frecuencia libre, por lo cual diseñamos e implementamos un circuito para trasmitir. Al desarrollo de este proyecto se lo divide en tres etapas: Primera etapa 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.La segunda parte radica en el ajuste de nuestra antena con respecto al cable, y al acople Gamma-match, a la antena.Y por último la tercera parte se trata del diseño e implementación del circuito trasmisor para lo cual se hace un análisis matemático para ajustarla a la frecuencia detallada.

Palabras clave: antena Yagi-Uda, Gamma-match, shunt.

I INTRODUCCIÓN

Una de las temáticas más importantes en la actualidad son las comunicaciones, el poderse comunicar a cualquier parte del mundo, sin restricción alguna. Sabiendo esta problemática nuestro trabajo es demostrar paso a paso la construcción, elaboración, diseño y acoplamiento de un tipo de antenas, como es la Yagi-Uda, la misma que nos permitirá receptar la señal que trasmitiremos por un circuito trasmisor.

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 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]

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]

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]

II OBJETIVOS

A. OBJETIVO GENERAL

Diseñar e implementar una antena para transmitir la señal de un radio transmisor a una frecuencia especifica.

B. OBJETIVO ESPECÍFICO

Diseñar y construir una antena tipo Yagi-Uda la cual es ideal para la recepción de mono-canales en las frecuencias de FM.

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III FUNDAMENTOS TEÓRICOS

A. 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:

Diagrama de radiación Ancho de banda Directividad Ganancia Impedancia de entrada Anchura de hazPolarización

B. CONECTORES DE TIPO PL

Para el siguiente trabajo hemos utilizado los conectores tipo PL, machos y hembras:

Figura 1. Conector PL Hembra de empotrado

Figura 2. Conector PL Macho

C. CABLE COAXIAL

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. Datos Técnicos del RG8-U

DATOS TÉCNICOS DEL RG8-U

Conductor

Number of Coax1

Total Number of Conductors 1

RG Type8/U

AWG13

Stranding 7x21

Conductor Diameter .085 in

Conductor Material BC – Bare Copper

Características Eléctricas

Nom. Characteristic Impedance52Ω

Nom. Inductance.079 μH/ft

Nom. Capacitance Conductor to Shield

28.5 pF/ft.

Nominal Velocity of Propagation

66%

Nominal Delay 1.54 ns/ftNom. Conductor DC Resistance @ 20 Deg. C

1.9Ω /1000 ft

Nominal Outer Shield DC Resistance @ 20 Deg.C

1.2 Ω/1000 ft.

Tabla 1. Datos técnicos de cable RG8

D. Gamma 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]

1. Acople con Gamma match

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]

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Figura 3. Diagrama del acople gamma match

2. SHUNT

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]

Figura 4. Shunt que une la pieza de aluminio y el Gamma-match.

Además en la parte superior de la Figura 5, 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++ºº 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 6. [7]

Figura 5. Gamma-Match

IV. Cálculos para la construcción de la antena yagi-uda gama match con 2 directores.

Los cálculos obtenidos y realizados son a partir de la frecuencia que deseamos obtener que es de 105.5MHz. lamda

λ=CF

C = 3 X 108

λ= 3∗108

105.5∗106

λ=2.84m

Reflectorλ2=150f

=2.84m2

=1.42mDipolo0.95∗λ2

=0.95∗2.842

=1,349m=139.08f

1er Director0.9∗λ2

=0.9∗2.842

=1,278m=134.82f

Directores0.900∗λ2

=0.9∗2.842

=1,278m=134.82f

Separación:Dipolo – Reflector:

3

Reflector Dipolo Directores


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0.18∗λ=0.18∗(2.84 )=0.512m=54f

Dipolo – 1er. Director: 0.09∗λ=0.09∗(2.84 )=0.25m=27

f

Directores consecutivos: 0.18∗λ=0.18∗(2.84 )=0.512m=54

f

Características del Cable CoaxialRG-8 de 50Ω

λ2

λ2=1.42=1.42m

Figura 6. Modelo de la antena yagi-Uda con dos directores.

A. Calculo del acople gamma match

La longitud l del Gamma-Match, es del 10% de la longitud de onda, expresada en las siguientes ecuaciones:

λ= 3×108

105.5×106=2.9098m

L=10 x λ

L=0.1 x 2.84m

L=28.4

Figura 8. Cálculos de dimensionamiento del Gamma match

B. 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]

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]

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Figura 9. Acoplamiento con los Conectores PL macho

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 cable 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]

Figura 10. Soldadura del PL macho

V. Diseño e implementación 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 11. Modelo de la antena hecha en Feko.

VI. Desarrollo de la antena

A. MATERIALES

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:

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

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7.2 PROCEDIMIENTO

1) Calcular las dimensiones de las diferentes piezas de la antena (reflector, dipolo, directores, gamma-match, shunt)

2) 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)

3) 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.

4) 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.

5) 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.

6) Después empotramos el conector PL hembra en el boom, de manera que la entrada del PL hembra quede en posición paralela al gamma-match 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 gamma-match 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 vista.

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 gamma-match se quede estático.

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.

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 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 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 20. Valor del ROE obtenido.

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Figura 21. Relación de onda estacionaria obtenida (de 1.3)

1. CONCLUSIONES

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 simetrizador.

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).

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.

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.

2. 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

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.

3. REFERENCIAS

[1] Antenas, búsqueda 9 de Enero 2012.Disponible en:<http://es.wikipedia.com/antenas.html

[2] BALUN, búsqueda 16 de Enero 2012. Disponible en: <http://es.wikipedia.com/balun.htm>

[3] Cable coaxial RG58, búsqueda 17 de Enero 2012. Disponible en: http://www.farnell.com/datasheets/95 123.pdf

[4] Cable coaxial RG8-U, búsqueda17 de Enero 2010.http://usuarios.multimania.es/unionradioba/montarpl.htm

[5] Conectores PL, búsqueda 16 de Enero 2012. Disponible en <:http://usuarios.multimania.es/unionradioba/montarpl.htm>

[6] [5] LAS ANTENAS, Brault R. y Piat R., Paranifo, Segunda Edición (1993). [En línea

disponible en]: <

http://ingenieria.usco.edu.co/formacion/Microdise%C3%B1os/Electronica/Lineas_Antenas.doc>

[7] Revista en Corto Circuito (Numeral #18), Pagina 23_ Gamma-match. [En línea disponible en]: <http://blogs.utpl.edu.ec/cortocircuito> [Consulta del 28 de Julio del 2012]

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