Tema 1: Antenas terrestres
-Antenas de televisión terrestre.
1- Circuitos oscilantes.
2- Ondas electromagnéticas.
3- Antenas.
4- Antenas receptoras de televisión.
5- Líneas de transmisión.
6- Montaje de antenas.
7- Medidor de campo.
8- Distribución de frecuencias.
9- Canales de televisión.
1 Antenas de televisión terrestre.
1Circuitos oscilantes.
-Circuitos oscilantes: los electrones se mueven por el circuito desde el terminal negativo del generador al positivo.
2 Ondas electromagnéticas.
-Onda electromagnética: son las ondas radiadas al espacio por la perturbación de carácter electromagnético que es propagada por el aire.
-Frecuencia de resonancia: es aquella frecuencia par la cual la respuesta del circuito es máxima.
Tipos de frecuencia y como se llaman según su intensidad.
-Frecuencias bajas: son aquellas frecuencias que usamos para televisión.
Estas son las que son equivalentes a 102
-Radiofrecuencias: son aquellas utilizadas para emitir emisoras de radio. Estas son equivalentes a 104
-Microondas: son aquellas utilizadas por ejemplo para calentar Ej. El microondas. Estas son equivalentes a 108.
-Rayos x gamma beta alfa: estas son equivalentes a 108
3 Antenas.
La antena es un circuito oscilante abierto que sirve para transmitir o recibir ondas electromagnéticas .Su función es transformar las señales eléctricas en ondas electromagnéticas o viceversa.
Las antenas de en general están constituidas por distintas partes comos son:
Circuito oscilante abierto:
-Dipolo: Es una antena de media longitud de onda (cuando un dipolo se utiliza como antena emisora o receptora se originan a lo largo del mismo ondas estacionarias de tensión y corriente).
-Trasformador: maquina eléctrica que transforma una señal alterna en otra de diferente magnitud pero manteniendo la misma frecuencia.
-Ondas estacionarias: son las perturbaciones oscilatorias que se crea cuando una fuente de ondas avanza en ángulo recto y se encuentra con el frente y se refleja.
-Dipolo en resonancia: cuando la longitud de onda de la señal aplicada al dipolo coincide con su longitud el dipolo en resonancia.
-Resistencia de radiación: se define como una resistencia que disipa en forma de calor la misma potencia radia la antena (esta resistencia equivale a 75 omiso).
4 Características de las antenas
-Decibelios: es la unidad utilizada para expresar la relación entre dos potencias eléctricas o acústicas
.
-Impedancia: se refiere a la impedancia que pone la antena a su propia frecuencia de resonancia.
-Ganancia de potencia: e una magnitud que relaciona la potencia de una antena determinada con la potencia de otra antena patrón. La ganancia se suele expresar en decibelios dependiendo de la ganancia de la antena se obtendrá mas o menos potencia de señal.
-Ganancia de tensión: la referencia para la ganancia de tensión es en micro voltios
-Directividad: es las características que indica la capacidad de la antena de recibir a emitir una señal en una dirección u otra.
-Polarización: es la dirección del campo eléctrico de la onda emitida o recibida y coincide con la posición del dipolo con respecto al suelo.
-banda: son todas las frecuencias comprendidas entre dos líneas de frecuencia.
-Canal: Cada una de las bandas de frecuencia en que puede emitir una estación de televisión
5Antenas receptoras de televisión.
Son las antenas utilizadas para la captación de señales de televisión .Una antena de recepción deberá tener un diagrama de radiación de máxima directividad, con un elevado lóbulo principal
6 Líneas de transmisión.
Son el medio por el que se transmite la energía de la señal de radiofrecuencia desde la antena hasta el receptor. La línea utilizada para unir los diferentes elementos empleados en la captación y distribución de la señal es el cable coaxial
Las líneas de transmisión tiene 3 características :Impedancia , atenuación y coeficiente de reflexión.
La impedancia es la relación entre la tensión aplicada a la línea y la intensidad de la corriente que circula por ella V:I
La atenuación es la perdida de señal que se produce a lo largo del cable o línea para una determinada frecuencia , se expresa en decibelios por metro.
Se define como la relación que existe , en un punto determinado de una línea entre el valor de la tensión de la onda reflejada , y el valor de la tensión de la onda incidente .
7 Montaje de antenas.
Las antenas de TV y radio se colocaran sobre mástiles o torretas dependiendo del tipo de instalación, individual o colectiva, del numero de antenas receptoras, alturas de la vivienda y nivel de la señal captada
Concepto y sus normas de montaje:
La carga del viento, el momento flector, la situación de las antenas del mástil y la toma tierra.
- Carga del viento: es la fuerza que actúa sobre el mástil en el punto de anclaje de la antena debida a la presión que ejerce el viento sobre la misma.
- Momento flector: es el momento producido por la fuerza que ejerce el viento sobre todas las antenas y el mástil en el extremo superior del empotramiento o anclaje del mástil.
- Situación de las antenas en el mástil: se colocaran a lo largo del mástil todas las antenas necesarias para cubrir las diferentes bandas de TV y radio
8 Medidor de campo.
Es un aparato de medida y análisis de señales de TV terrestre y TV satélite medidor de campo consta de un microprocesador que se encarga de automatizar la mayoría de las operaciones y diversos modos de funcionamiento .
Incorpora un monitor que permite observar la recepción de un canal de televisión
El medidor de campo cubre las siguientes bandas 1ª F1 de satélite, televisión terrestre (VHF Y UHF), hiperband , canales S, de televisión por cable.
9 Distribución de frecuencias.
La distribución de las bandas 1 y 3 corresponden a emisiones de televisión en VHF y las bandas 4 y 5 UHF. La banda 2, corresponde a la FM
Cada canal de VHF tiene 7 MHz de ancho, por eso la banda 1 contiene 3 canales.
El ancho de banda de cada canal de UHF es de 8 MHz
-Portadora de video: frecuencia en la que se modula la señal de video. Esta modulación suele ser en modulación de amplitud(AM).
-Portadora de sonido: frecuencia de modulación de la señal de sonido. Esta modulación se realiza en frecuencia modulada (FM).
2. ANTENAS DE RECEPCION DE TV VIA SATELITE
1. LOS SATELITES DE COMUNICACIONES
2. LA ANTENA PARABOLICA
3. UNIDAD EXTERIOR
4. UNIDAD INTERIOR
5. MAGNITUDES DE UNA ESTACION RECEPTORA
6. MONTAJE DE LA ANTENA PARABOLICA
7. CABLES Y CONECTORES
8. OTROS SISTEMAS DE RECEPCION DE TV
9.CONCEPTOS BASICOS SOBRE SEÑALES DIGITALES
1. Los satélites de comunicaciones.
Los satélites son ingenios que son transportados por cohetes y colocados en el espacio a una determinada altitud. Se sitúan en una orbita que circunda el ecuador y que se encuentra a 35.806km de la tierra.
Un satélite es un sistema muy complejo, tienen una estructura modular, formada básicamente por el siguiente conjunto de módulos:
-Modulo de antena
-Modulo de comunicaciones
-Modulo de energía
-Módulos de servicio
-Modulo de propulsión
1.1 Frecuencia de las señales de transmisión por satélites
1.2 Situación de los satélites.
1.3 Potencia radiada por un satélite (PIRE)
1.4 Polarización de las ondas electromagnéticas.
2. La antena parabólica.
Tiene como finalidad captar ondas electromagnéticas de frecuencias muy elevadas, procedentes de largas distancias, normalmente de satélites. Consta de las siguientes partes:
-Disco parabólico o reflector
-Unidad externa
-Soporte del reflector
-Varillas de sujeción
2.1 Tipos de antenas parabólicas
-De foco primario
-Offset
-Cassegrain
2.2 Características de una antena parabólica
-Ganancia
-Ancho de banda
-Directividad
-Relación foco diámetro
-Rendimiento
2.3 Apuntamiento de la antena para la televisión satélite
-Cálculos de los valores de acimut y elevación
-Instrumentos utilizados en el apuntamiento de la antena
-Orientación de una antena móvil o polar
3. Unidad exterior.
Es el dispositivo que se sitúa en el foco del reflector, sujeto por unas varillas en las antenas de foco primario, y a un brazo soporte en las antenas Offset. Consta de dos partes : alimentador o iluminador y conversor.
3.1 Alimentador
Su finalidad es recoger la señal que se refleja en la antena y conducirlas a traveseé de unas guíaondas al conversor.
3.2 Conversor
Es el dispositivo que se encarga de convertir la señal de una frecuencia en la banda Ku, otra frecuencia mas baja, llamada frecuencia intermedia (FI)
4. Unidad interior.
Tiene la misión de recibir la señal de frecuencias intermedia (FI) procedente del conversor. A su salida se tiene una señal de radiofrecuencia (RF) preparada para ser enviada al receptor de TV.
5. Magnitudes de una estación receptora
Son varios los factores que determinan la calidad de la señal de audio y video recibida en el estación rectora.
5.1 Potencia ruido
5.2 Figura de ruido y factor de ruido
5.3 Relación portadora-ruido y señal –ruido
5.4 Factor de merito de la estación receptora
5.5 Densidad de flujo de potencia
6. Montaje de la antena parabólica
Si la antena es de grandes dimensiones, se instalara el mástil sobre una zapata de hormigón en la azotea del edificio o sobre una pared con elementos de fijación . Si la antena es pequeña se puede montar sobre el mástil de la antena terrestre. En caso de realizarse el montaje se colocara en la parte mas próxima al lugar de sujeción del mástil. Para el montaje de la antena , se toman los valores de acimut y elevación que corresponda al lugar de instalación y se comprueba con la brújula y el inclinómetro la posición del satélite que se ve desde el suelo o la terraza.
7. Cables y conectores.
La instalación de cables y conectores son de gran importancia en las instalaciones de TV satélite al trabajar con frecuencias elevadas (FI entre 950-2.159 MHz) y como consecuencia se pueden producir elevadas atenuaciones en la señal y empeorar la relación portadora/ruido (C/N).
En la estación receptora va a ser necesario utilizar cables coaxiales con una atenuación muy baja y una impedancia de 75ohmios.
8. Otros sistemas de recepción TV
8.1 Televisión por cable
Este sistema consiste en la distribución de programas de TV , radio , a través de cable coaxial o fibra óptica , en ciudades, pueblo y universidades.
Actualmente se están utilizando para la transmisión de la señal redes de fibra optica, que permiten mejorar la capacidad , fiabilidad y calidad de la imagen
8.2 Televisión digital
El uso de la técnica digital aporta una gran calidad a la señal de video y audio y consigue una gran nitidez ,tanto en luz como en color. Otra ventaja es que permita recibir un gran numero de canales de televisión diferentes.
9. Conceptos básicos sobre señales digitales
9.1 Señal analógica
Es una señal continua en el tiempo, que puede tomar, entre un máximo y un mínimo de un parámetro determinado, infinito valores posibles.
9.2 Señal digital
Es una señal discontinua en el tiempo, que esta definida por una sucesion de dos valores perfectamente diferenciados, 0 o 1, denominados bits.
La conversión de una señal analógica en digital se realiza mediante un proceso denominado de muestreo-conversión.
CONCEPTOS DEL TEMA 1
Circuitos oscilantes: los electrones se mueven por el circuito, desde el terminal negativo del generador hacia el terminal positivo.
Frecuencia de resonancia: es aquella frecuencia para la cual la respuesta del circuito es máxima.
Ionosfera: capa superior de la atmósfera terrestre, cuyos limites extremos, bastantes imprecisos y variables suelen establecerse a unos 80 y 500 Km.
Transformador: maquina eléctrica que transforma una señal alterna en otra magnitud pero de la misma frecuencia. Dependiendo de si elevan o reducen el valor de la señal pueden ser elevadores o reductores.
Ondas estacionarias: son las perturbaciones oscilatorias que se crean cuando un frente de onda avanza en ángulo recto con el frente y se refleja; su amplitud varia en el espacio entre cero y un valor máximo.
Dipolo de resonancia: cuando la longitud de onda de la señal aplicada al dipolo coinciden con su longitud el dipolo entra en resonancia.
Resistencia de radiación: se define como una resistencia que disipa en forma de calor la misma potencia que radia la antena.
Decibelio: es la unidad utilizada para expresar la relación entre 2 potencias eléctricas o acústicas.
Banda: son todas las frecuencias comprendidas entre 2 limites definidos de frecuencia.
Canal: cada una de las bandas de frecuencias en que pueden emitir una estacion de televisión. Cada canal, según sea de VHF o UHF, tiene un ancho de banda de 7 u 8 MHZ respectivamente.
Antena omnidireccional o isotropica : aquella que radia señal en todas direcciones, en el caso de una antena emisora. Si es receptora, aquella que recibe señal de la misma forma en todas las direcciones.
Antena direccional: que recibe señal solamente de una determinada dirección.
Multicanales: antenas que tienen la cualidad de captar una gran variedad de canales.
Coaxial: se dice de 2 conductores cuyos ejes coinciden.
Radiofrecuencia: cualquiera de las frecuencias de las ondas electromagnéticas empleadas en radiocomunicación.
Imágenes fantasma: imágenes múltiples de menor intensidad que aparecen rodeando a la imagen principal.
Portadora: onda de una determinada frecuencia a la que se le aplica modulación y es utilizada para adaptar una señal de sonido, video y color al medio de transmisión.
CONCEPTOS DE LA TEMA 2
Transpondedor: sistema electrónico en el que se realiza la conversión de frecuencias del enlace ascendente al descendente.
Microondas: ondas electromagnéticas cuyas longitud de onda esta comprendida en el intervalo del milímetro al metro (GHz) y cuya propagación puede realizarse por el interior de tubos metálicos.
Posición orbital: posición de los satélites medidas en grados este y oeste, a partir de 0 grados (greenwich).
Cinturón de clarke: se denomina así a la orbita ecuatorial geoestacionaria, en la que se encuentran situados los satélites. En ella la fuerza de atracción gravitatoria y centrifuga del movimiento de rotación terrestre son iguales.
Acimut: es el ángulo medido en el sentido de las agujas del reloj desde el norte, en dirección a la visual del satélite . Este ángulo es el que determina la brújula. O también, ángulo entre el sur real 180 grados y un satélite determinado en el punto de recepción.
Polarización: posición de una señal con respecto a otras señales dentro de una onda electromagnética que se transmite por el espacio.
Poliéster: fibra sintética de gran estabilidad dimensional frente a los agentes externos.
Antena multisatélite: según el numero de unidades externas se pueden recibir varios satélites situados en diferentes posiciones orbítales.
Latitud: distancia que hay desde el punto de la superficie terrestre al ecuador contadas por los grados de su meridiano.
Longitud: distancia de un lugar respecto al primer meridiano, contada por grados en el ecuador.
Meridiano: cualquiera de los círculos máximos de la esfera terrestre que pasan por los dos polos.
Ruido: son aquellas señales eléctricas indeseadas, debidas a interferencias con otros sistemas y a los equipos utilizados, que se superponen a la señal que se transmite o recibe.
Brazo o motor o actuador : es un dispositivo de orientación automática que proporciona el movimiento y control para que el reflector pueda rastrear el arco de satélites, a través de un brazo telescopico que se extiende y se contrae, según las ordenes que reciba de la unidad de control.
LNA: es un amplificador de elevada ganancia y una figura de ruido baja.
Receptor: equipo de recepción utilizado para sintonizar los canales emitidos desde un satélite.
Ruido de fondo: es el ruido existente en ausencia de señal útil.
DBS(radio difusión directa por satelite): los satélites DBS son de gran potencia que permiten el empleo de instalaciones de recepción y conversión lo mas económico posible para el usuario.
Canal de retorno: sistema por el cual las señales y la información se vuelven a transmitir desde los usuarios hasta la cabecera de la red.
miércoles, 22 de octubre de 2008
Como funciona una antena Yagi-Uda. [editar]
En virtud del principio de reciprocidad, se puede demostrar que la propiedades (impedancia, ganancia, etc.) de una antena cualquiera son las mismas tanto en emisión como en recepción. Como es más fácil de comprender el funcionamiento de una antena Yagi-Uda en transmisión que en recepción, comenzaremos por una antena en transmisión.
Como ya se ha mencionado, una antena Yagi-Uda está formada por un elemento alimentado (conectado al emisor o al receptor) formado por un simple dipolo o un dipolo doblado llamado también "radiador" de manera inapropiada, ya que en la antena Yagi-Uda todos los elementos irradian de manera comparable. Además de ese elemento, la antena tiene uno o varios elementos aislados llamados, injustamente, elementos parásitos. La corriente que circula en el elemento alimentado irradia un campo electromagnético, el cual induce corrientes en los "elementos parásitos" de la antena. Las corrientes inducidas en esos elementos irradian también campos electromagnéticos que a su vez inducen corrientes en los demás. Finalmente la corriente que circula en cada uno de los elementos es el resultado de la interacción entre todos los elementos.
La amplitud y la fase de esa corriente dependen de la posición y de las dimensiones de cada elemento. El campo electromagnético irradiado por la antena en cada dirección será la suma de los campos irradiados por cada uno de los elementos. Esta suma es complicada porque la amplitud y la fase de la corriente que circulan en cada elemento son diferentes. Además, como la distancia a cada elemento depende de la dirección del punto de medida del campo, la suma dependerá de la dirección.
Tomemos el ejemplo más simple: una antena con un elemento alimentado y un solo elemento parásito. Tomaremos como fase de referencia la fase de la corriente que circula en el elemento alimentado. La fase de la corriente que circula en el elemento parásito dependerá de la distancia entre los dos elementos y de la longitud y diámetro de este último. La amplitud también dependerá de lo mismo pero mucho menos y será, de todas maneras, de la misma magnitud que la corriente del elemento alimentado.
Coloquemos el elemento parásito delante del elemento alimentado a una distancia de (donde es la longitud de onda) y ajustemos su longitud para que la corriente tenga un retardo de fase de . En ese caso, el cálculo muestra que la corriente en el elemento parásito es 1,19 veces la corriente en el elemento alimentado. El campo radiado hacia atrás será la suma del campo producido por el elemento alimentado más el campo producido por el elemento parásito. Pero éste último ha sido emitido con un retardo de 144° y como debe recorrer una distancia adicional de sufrirá un retardo adicional de 36°, lo que hace que, hacia atrás, los campos emitidos por los dos elementos estarán en oposición de fase. En cambio, hacia adelante, el campo emitido por el elemento parásito, ganará 36° (en lugar de perderlos) y su retardo de fase no será más que . La suma de los dos campos será máxima.
En el caso particular de este ejemplo, la amplitud E del campo eléctrico de la onda electromagnética radiada hacia adelante en una dirección es donde es el campo producido por el elemento alimentado si estuviese solo. La ganancia es de 8,96 dBi.
Este tipo de elemento parásito, situado delante el elemento alimentado y que refuerza el campo hacia adelante, se llama director. Los elementos situados detrás y que refuerzan el campo hacia adelante se llaman reflectores. Pero no hay que confundirlos con las superficies o rejas reflectoras utilizadas en otros tipos de antenas.
Generalmente se ponen uno o dos reflectores y uno o varios directores. Se calculan las posiciones y las dimensiones de manera que las fases de las corrientes resultantes sean tales que la adición de los campos sea mínima hacia atrás y máxima hacia adelante.
Eléctricamente, el costo de esta directividad es una disminución de la parte resistiva de la impedancia de la antena. Con una misma corriente de alimentación, el campo radiado es más débil. Se compensa este inconveniente remplazando el dipolo alimentado por un dipolo doblado.
Para la antena en recepción, la fase y la amplitud de las corrientes inducidas en los elementos por el campo incidente y los demás elementos hace que la corriente inducida en el elemento alimentado (ahora conectado al receptor) sea máxima para los campos que vienen de delante y mínima para los campos que vienen de detrás.
Diseñar una antena Yagi [editar]
Diagrama X-Y de campo lejano de una Antena Yagi para la banda de radioaficionados de 10m, modelizada por MMANA
A diferencia de la antena dipolo, es sumamente difícil modelizar con ecuaciones matemáticas una antena Yagi. Por lo tanto, existen distintos programas de simulación numérica de antenas que permiten simular distintos diseños que permitirán una primera aproximación.
Un programa de simulación de antenas con versión en español es MMANA.
Véase también: #Construcción y fórmulas
Alimentar una antena Yagi [editar]
Para respetar la adecuación entre la impedancia de la antena y la impedancia de la línea de transmisión se utilizan distintos tipo de alimentación.
Alimentación asimétrica por cable coaxial: adaptación gamma
Alimentación simétrica por cable bifilar: adaptación delta
A veces es necesario interponer un simetrizador o balun para asegurar que la antena Yagi esté correctamente alimentada.
Algunas personas alimentan con cable coaxial a una antena Yagi que espera una alimentación simétrica. Esta manera de alimentar puede funcionar, pero sólo a ciertas frecuencias, y a costa de convertir a la vaina del coaxial en parte del elemento irradiante. Por lo tanto, no es una práctica aconsejable.
Evoluciones de la antena Yagi [editar]
Red de antenas Yagi [editar]
Es un conjunto de antenas Yagi que han sido alineadas apuntando perpendicularmente a un mismo plano.
La razón para agregar varias antenas Yagi en paralelo, es que cada antena suplementaria aporta 3 dB a la señal, o sea, la multiplica por dos en potencia, con un límite teórico de 20dB.
Es por eso que las redes de antenas Yagi se utilizan sobre todo en EME (contactos por reflexión lunar), donde las señales recorren 600 000 km entre emisor y receptor y llegan considerablemente atenuadas; cada decibel de ganancia es sumamente precioso.
Existe una distancia mínima entre antenas para minimizar el efecto de cada antena sobre su vecina.
Las redes de antenas Yagi exigen una interconexión cuidadosa, sobre todo para respetar la impedancia de salida requerida por el transmisor.
Por razones de dimensiones de las antenas, las redes de antenas Yagi se utilizan mucho en VHF y UHF.
Antenas Yagi de elementos ahusados [editar]
Por razones mecánicas convienen elementos gruesos, mientras que por razones eléctricas convienen elementos lo más finos que sea posible.
Un compromiso entre ambos es hacer elementos ahusados, gruesos en el centro y afinándose progresivamente hacia el extremo.
Antenas Yagi de elementos acortados [editar]
Sobre todo en las bandas HF (3-30 MHz), los elementos tienen longitudes del orden de las decenas de metros. Eso hace que una antena Yagi sea poco práctica, sea por razones mecánicas, sea por razones de espacio.
Una antena Yagi para la banda de 80m tiene un ancho mayor que la envergadura de un Airbus A320
Es posible construir antenas Yagi más cortas, reemplazando un segmento de cada elemento (por ejemplo, el tercio central de cada mitad de elemento) por un solenoide o bobina. Eso hace que la antena sea más corta, y por lo tanto mecánicamente viable, a costa de otras virtudes: ancho de banda, ganancia, y otras características. El resultado final es un compromiso.
Propiedades eléctricas [editar]
Tensión y corriente [editar]
Diagrama tridimensional de campo lejano de una Antena Yagi para la banda de radioaficionados de 10m, modelizada por MMANA
Siendo una evolución del dipolo, el punto medio del elemento conductor es un nodo de tensión y un vientre de corriente. Los reflectores y directores, pese a no estar directamente alimentados, también tienen tensiones y corrientes.
Diagrama de emisión [editar]
La antena Yagi puede concebirse como una evolución del dipolo, donde los reflectores reducen la emisión hacia atrás, y donde los directores concentran la emisión hacia adelante.
Dependiendo entre otras cosas de la cantidad de elementos directores, y de la longitud de la antena (boom, en inglés), es posible llegar a ganancias máximas de por ejemplo 15 dB, lo que equivale a multiplicar la señal por 32.
Como la antena Yagi no crea energía, cuanta más ganancia en una dirección, más estrecho será el haz. Para medir esa apertura, la definimos como el ángulo respecto del eje de la Yagi donde la ganancia cae a la mitad, es decir, pierde 3 dB respecto del eje central.
Sumamente importante en las antenas Yagi, cuyo objetivo es el de ser direccional, es el coeficiente de ganancia en las direcciones 0°/180° (adelante/atrás). Cuanto mayor sea ese coeficiente, más inmune es la antena a señales provenientes de otras direcciones.
Polarización [editar]
Cuando la antena Yagi es paralela al plano de la tierra, la componente eléctrica de la onda es paralela al plano de la tierra: se dice que tiene polarización horizontal.
Cuando la antena Yagi es perpendicular al plano de la tierra, la componente eléctrica de la onda es perpendicular al plano de la tierra: se dice que tiene polarización vertical.
En HF, y en VHF en clase de emisión banda lateral única se prefiere la polarización horizontal, y en VHF en clase de emisión frecuencia modulada, la polarización vertical.
Impedancia [editar]
La impedancia de una antena Yagi depende de la configuración de los reflectores y directores (dimensiones de cada elemento, espaciamiento entre elementos). Habitualmente las antenas se diseñan para que la impedancia sea de 50 o 75 Ohms, o sea, la impedancia requerida por los equipos conectados a la antena:
Antenas de recepción de televisión: 75 Ω
Antenas de emisión / recepción (por ejemplo, radioaficionados): 50 Ω
Antenas de Wifi: 50 Ω
Resonancia [editar]
La Yagi es una antena resonante, o sea, tiene una frecuencia en la cual presenta una resistencia óhmica pura
En virtud del principio de reciprocidad, se puede demostrar que la propiedades (impedancia, ganancia, etc.) de una antena cualquiera son las mismas tanto en emisión como en recepción. Como es más fácil de comprender el funcionamiento de una antena Yagi-Uda en transmisión que en recepción, comenzaremos por una antena en transmisión.
Como ya se ha mencionado, una antena Yagi-Uda está formada por un elemento alimentado (conectado al emisor o al receptor) formado por un simple dipolo o un dipolo doblado llamado también "radiador" de manera inapropiada, ya que en la antena Yagi-Uda todos los elementos irradian de manera comparable. Además de ese elemento, la antena tiene uno o varios elementos aislados llamados, injustamente, elementos parásitos. La corriente que circula en el elemento alimentado irradia un campo electromagnético, el cual induce corrientes en los "elementos parásitos" de la antena. Las corrientes inducidas en esos elementos irradian también campos electromagnéticos que a su vez inducen corrientes en los demás. Finalmente la corriente que circula en cada uno de los elementos es el resultado de la interacción entre todos los elementos.
La amplitud y la fase de esa corriente dependen de la posición y de las dimensiones de cada elemento. El campo electromagnético irradiado por la antena en cada dirección será la suma de los campos irradiados por cada uno de los elementos. Esta suma es complicada porque la amplitud y la fase de la corriente que circulan en cada elemento son diferentes. Además, como la distancia a cada elemento depende de la dirección del punto de medida del campo, la suma dependerá de la dirección.
Tomemos el ejemplo más simple: una antena con un elemento alimentado y un solo elemento parásito. Tomaremos como fase de referencia la fase de la corriente que circula en el elemento alimentado. La fase de la corriente que circula en el elemento parásito dependerá de la distancia entre los dos elementos y de la longitud y diámetro de este último. La amplitud también dependerá de lo mismo pero mucho menos y será, de todas maneras, de la misma magnitud que la corriente del elemento alimentado.
Coloquemos el elemento parásito delante del elemento alimentado a una distancia de (donde es la longitud de onda) y ajustemos su longitud para que la corriente tenga un retardo de fase de . En ese caso, el cálculo muestra que la corriente en el elemento parásito es 1,19 veces la corriente en el elemento alimentado. El campo radiado hacia atrás será la suma del campo producido por el elemento alimentado más el campo producido por el elemento parásito. Pero éste último ha sido emitido con un retardo de 144° y como debe recorrer una distancia adicional de sufrirá un retardo adicional de 36°, lo que hace que, hacia atrás, los campos emitidos por los dos elementos estarán en oposición de fase. En cambio, hacia adelante, el campo emitido por el elemento parásito, ganará 36° (en lugar de perderlos) y su retardo de fase no será más que . La suma de los dos campos será máxima.
En el caso particular de este ejemplo, la amplitud E del campo eléctrico de la onda electromagnética radiada hacia adelante en una dirección es donde es el campo producido por el elemento alimentado si estuviese solo. La ganancia es de 8,96 dBi.
Este tipo de elemento parásito, situado delante el elemento alimentado y que refuerza el campo hacia adelante, se llama director. Los elementos situados detrás y que refuerzan el campo hacia adelante se llaman reflectores. Pero no hay que confundirlos con las superficies o rejas reflectoras utilizadas en otros tipos de antenas.
Generalmente se ponen uno o dos reflectores y uno o varios directores. Se calculan las posiciones y las dimensiones de manera que las fases de las corrientes resultantes sean tales que la adición de los campos sea mínima hacia atrás y máxima hacia adelante.
Eléctricamente, el costo de esta directividad es una disminución de la parte resistiva de la impedancia de la antena. Con una misma corriente de alimentación, el campo radiado es más débil. Se compensa este inconveniente remplazando el dipolo alimentado por un dipolo doblado.
Para la antena en recepción, la fase y la amplitud de las corrientes inducidas en los elementos por el campo incidente y los demás elementos hace que la corriente inducida en el elemento alimentado (ahora conectado al receptor) sea máxima para los campos que vienen de delante y mínima para los campos que vienen de detrás.
Diseñar una antena Yagi [editar]
Diagrama X-Y de campo lejano de una Antena Yagi para la banda de radioaficionados de 10m, modelizada por MMANA
A diferencia de la antena dipolo, es sumamente difícil modelizar con ecuaciones matemáticas una antena Yagi. Por lo tanto, existen distintos programas de simulación numérica de antenas que permiten simular distintos diseños que permitirán una primera aproximación.
Un programa de simulación de antenas con versión en español es MMANA.
Véase también: #Construcción y fórmulas
Alimentar una antena Yagi [editar]
Para respetar la adecuación entre la impedancia de la antena y la impedancia de la línea de transmisión se utilizan distintos tipo de alimentación.
Alimentación asimétrica por cable coaxial: adaptación gamma
Alimentación simétrica por cable bifilar: adaptación delta
A veces es necesario interponer un simetrizador o balun para asegurar que la antena Yagi esté correctamente alimentada.
Algunas personas alimentan con cable coaxial a una antena Yagi que espera una alimentación simétrica. Esta manera de alimentar puede funcionar, pero sólo a ciertas frecuencias, y a costa de convertir a la vaina del coaxial en parte del elemento irradiante. Por lo tanto, no es una práctica aconsejable.
Evoluciones de la antena Yagi [editar]
Red de antenas Yagi [editar]
Es un conjunto de antenas Yagi que han sido alineadas apuntando perpendicularmente a un mismo plano.
La razón para agregar varias antenas Yagi en paralelo, es que cada antena suplementaria aporta 3 dB a la señal, o sea, la multiplica por dos en potencia, con un límite teórico de 20dB.
Es por eso que las redes de antenas Yagi se utilizan sobre todo en EME (contactos por reflexión lunar), donde las señales recorren 600 000 km entre emisor y receptor y llegan considerablemente atenuadas; cada decibel de ganancia es sumamente precioso.
Existe una distancia mínima entre antenas para minimizar el efecto de cada antena sobre su vecina.
Las redes de antenas Yagi exigen una interconexión cuidadosa, sobre todo para respetar la impedancia de salida requerida por el transmisor.
Por razones de dimensiones de las antenas, las redes de antenas Yagi se utilizan mucho en VHF y UHF.
Antenas Yagi de elementos ahusados [editar]
Por razones mecánicas convienen elementos gruesos, mientras que por razones eléctricas convienen elementos lo más finos que sea posible.
Un compromiso entre ambos es hacer elementos ahusados, gruesos en el centro y afinándose progresivamente hacia el extremo.
Antenas Yagi de elementos acortados [editar]
Sobre todo en las bandas HF (3-30 MHz), los elementos tienen longitudes del orden de las decenas de metros. Eso hace que una antena Yagi sea poco práctica, sea por razones mecánicas, sea por razones de espacio.
Una antena Yagi para la banda de 80m tiene un ancho mayor que la envergadura de un Airbus A320
Es posible construir antenas Yagi más cortas, reemplazando un segmento de cada elemento (por ejemplo, el tercio central de cada mitad de elemento) por un solenoide o bobina. Eso hace que la antena sea más corta, y por lo tanto mecánicamente viable, a costa de otras virtudes: ancho de banda, ganancia, y otras características. El resultado final es un compromiso.
Propiedades eléctricas [editar]
Tensión y corriente [editar]
Diagrama tridimensional de campo lejano de una Antena Yagi para la banda de radioaficionados de 10m, modelizada por MMANA
Siendo una evolución del dipolo, el punto medio del elemento conductor es un nodo de tensión y un vientre de corriente. Los reflectores y directores, pese a no estar directamente alimentados, también tienen tensiones y corrientes.
Diagrama de emisión [editar]
La antena Yagi puede concebirse como una evolución del dipolo, donde los reflectores reducen la emisión hacia atrás, y donde los directores concentran la emisión hacia adelante.
Dependiendo entre otras cosas de la cantidad de elementos directores, y de la longitud de la antena (boom, en inglés), es posible llegar a ganancias máximas de por ejemplo 15 dB, lo que equivale a multiplicar la señal por 32.
Como la antena Yagi no crea energía, cuanta más ganancia en una dirección, más estrecho será el haz. Para medir esa apertura, la definimos como el ángulo respecto del eje de la Yagi donde la ganancia cae a la mitad, es decir, pierde 3 dB respecto del eje central.
Sumamente importante en las antenas Yagi, cuyo objetivo es el de ser direccional, es el coeficiente de ganancia en las direcciones 0°/180° (adelante/atrás). Cuanto mayor sea ese coeficiente, más inmune es la antena a señales provenientes de otras direcciones.
Polarización [editar]
Cuando la antena Yagi es paralela al plano de la tierra, la componente eléctrica de la onda es paralela al plano de la tierra: se dice que tiene polarización horizontal.
Cuando la antena Yagi es perpendicular al plano de la tierra, la componente eléctrica de la onda es perpendicular al plano de la tierra: se dice que tiene polarización vertical.
En HF, y en VHF en clase de emisión banda lateral única se prefiere la polarización horizontal, y en VHF en clase de emisión frecuencia modulada, la polarización vertical.
Impedancia [editar]
La impedancia de una antena Yagi depende de la configuración de los reflectores y directores (dimensiones de cada elemento, espaciamiento entre elementos). Habitualmente las antenas se diseñan para que la impedancia sea de 50 o 75 Ohms, o sea, la impedancia requerida por los equipos conectados a la antena:
Antenas de recepción de televisión: 75 Ω
Antenas de emisión / recepción (por ejemplo, radioaficionados): 50 Ω
Antenas de Wifi: 50 Ω
Resonancia [editar]
La Yagi es una antena resonante, o sea, tiene una frecuencia en la cual presenta una resistencia óhmica pura
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