TRABAJO DE DIPLOMA. Diseño, Simulación y Construcción de una antena. Yagi-Log periódica. Facultad de Ingeniería Eléctrica

Transcripción

1 Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones TRABAJO DE DIPLOMA Diseño, Simulación y Construcción de una antena Yagi-Log periódica Autor: Leodanys Sosa Brito Tutor: Dr. Roberto Jiménez Hernández Consultante: Ing. Fidel Pérez Pérez Saanttaa Cllaarraa 2008 Año 50 dee llaa Reevollucciión UNIIVERSIIDAD CENTRAL Marrtta Abrreu DE LAS VIILLAS

2 Universidad Central Marta Abreu de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones TRABAJO DE DIPLOMA Diseño, Simulación y Construcción de una antena Yagi-Log periódica Autor: Leodanys Sosa Brito leodanys@uclv.edu.cu Tutor: Dr. Roberto Jiménez Hernández Prof. Titular, Dpto. de Eléctrica Facultad de Ing. Eléctrica. UCLV. jimenez@uclv.edu.cu Consultante: Ing. Fidel Pérez Empresa de Antenas fidel@antenasvc.co.cu Santa Clara 2008 "Año 50 de la Revolución"

3 Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central Marta Abreu de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicado sin autorización de la Universidad. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada. Firma del Autor Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo Firma del Responsable de Información Científico-Técnica

4 i PENSAMIENTO "La alegría de ver y entender es el más perfecto don de la naturaleza." Albert Einstein.

5 DEDICATORIA ii Le dedico este trabajo de diploma a mi hija, quien ha llenado mi corazón de felicidad.

6 iii AGRADECIMIENTOS Deseo agradecerle en especial a mis padres quienes han dedicado toda su vida ha mi formación profesional y de valores, guiándome siempre por el camino correcto; y con ello a mi hermano, mi esposa que me han brindado apoyo para seguir adelante, a todos mis familiares quienes me ayudaron incondicionalmente. A mis amigos que me han dado impulso para seguir adelante, los llevo siempre conmigo. A mis compañeros y profesores que tan importante papel desempeñaron en mi vida de estudiante. Desde mi corazón, a todas aquellas personas que de una forma u otra ayudaron en la construcción de mi futuro.

7 iv TAREA TÉCNICA 1. Búsqueda bibliográfica y estudio de trabajos relacionados con el tema. 2. Análisis de los diseños realizados. 3. Obtención de los parámetros principales a partir del programa de simulación MMANA. 4. Comparación de los diseños, basados en los resultados teóricos. 5. Construcción del diseño seleccionado. 6. Comprobación de los resultados teóricos con las mediciones prácticas. Firma del Autor Firma del Tutor

8 v RESUMEN En el presente trabajo de diploma se brindan los principales parámetros y características de las antenas Yagi-Log periódica, que es un tipo híbrido de antena con una compensación de las ventajas de las antenas Log-periódicas y Uda-Yagi, así como la teoría básica necesaria para la comprensión de los principios de su funcionamiento. Además se describe el proceso de diseño, simulación y construcción de este tipo de antenas tomando como referencia el diseño de una antena Log-periódica básica. Se explica la importancia y necesidad de contar con este prototipo de antena en la Empresa de Antenas de Villa Clara, ya que son antenas que presentan un buen ancho de banda y una ganancia relativamente alta. Por ultimo se brindan los resultados prácticos obtenidos en la medición realizada a la antena, así como recomendaciones para posteriores estudios sobre el tema.

9 vi TABLA DE CONTENIDOS INTRODUCCIÓN...1 CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA SOBRE LA ANTENA YAGI- LOGPERIÓDICA Introducción Antena Uda-Yagi Funcionamiento de la antena Uda-Yagi Métodos de diseño de la antena Uda-Yagi Método de diseño de la NBS Log-periódica de dipolos (LPD) Principios del funcionamiento de la LPD Consideraciones básicas de diseño de la antena LPD CAPÍTULO 2. Diseño y simulación de la antena Yagi-Log periódica Introducción Antena híbrida Yagi-Log periódica Aspectos sobre el diseño de antenas híbrida Yagi-Log periódica Diseño de una antena Log-periódica Procedimiento de diseño y cálculo de los valores Presentación del diseño seleccionado Resultados de la simulación Comportamiento de la ROE Comportamiento de la G y la F/B Comportamiento de la Impedancia de entrada Z in... 26

10 vii Patrón de Radiación Presentación del diseño híbrido Yagi-Log periódica Resultados de la simulación Comportamiento de la ROE Comportamiento de la G y F/B Comportamiento de la Impedancia de entrada Patrón de Radiación CAPÍTULO 3. Análisis de los resultados Introducción Puesta a punto Mediciones prácticas Consideraciones generales Conclusiones Recomendaciones REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Glosario de Acrónimos Anexo I Tablas utilizadas para el diseño Anexo II... Error! Bookmark not defined.

11 INTRODUCCIÓN 1 INTRODUCCIÓN Dentro de los sistemas de telecomunicaciones las antenas ocupan un lugar muy importante, pues sin ellas las estaciones radioeléctricas no podrían funcionar, ya que con su actuación como transductores de energía eléctrica en electromagnética y viceversa, son las interfase entre los subsistemas transmisor y receptor, utilizando el espacio libre como medio de transmisión. Una antena es un sistema conductor metálico capaz de radiar y capturar ondas electromagnéticas. Las antenas son para conectar las líneas de transmisión con el espacio libre, el espacio libre a líneas de transmisión, o ambas cosas. En esencia, una línea de transmisión acopla energía de un transmisor o de un receptor con una antena, que a su vez acopla la energía con la atmósfera terrestre a una línea de transmisión. En el extremo transmisor de un sistema de radiocomunicaciones con el espacio libre, una antena convierte la energía eléctrica que viaja por una línea de transmisión en ondas electromagnéticas que se emiten en el espacio. En el extremo receptor, una antena convierte las ondas electromagnéticas en el espacio en energía eléctrica en una línea de transmisión [12]. A diferencia de otras ramas de la electrónica o de la informática las antenas tienen relativamente poca variación con el paso del tiempo. Estas son prácticamente las mismas desde hace más de cincuenta años y sus variaciones han sido relativamente menores. Caracterizar una antena consiste en determinar sus parámetros radioeléctricos de radiación e impedancia simulando las condiciones de la aplicación en donde ésta funcionaría, para verificar su eficiencia y aporte como elemento constitutivo dentro de un radio enlace. Una de las principales características de una antena es su patrón de radiación, ya que permite

12 INTRODUCCIÓN 2 visualizar como ésta emite o recibe las ondas electromagnéticas en diferentes direcciones espaciales [6]. Los parámetros radioeléctricos de una antena lineal, pueden predecirse a partir de modelos teóricos y de técnicas de diseño o de análisis ya establecidas, incluso en programas de simulación. Sin embargo, dichas técnicas están sujetas a aproximaciones que limitan su aplicabilidad en determinados casos. Debido a la necesidad de tener prototipos de antenas de buen ancho de banda y una ganancia relativamente alta, en la Empresa de Antenas de Villa Clara, nos proponemos en el presente trabajo la tarea de investigar los parámetros de la antena Log periódica, que a pesar de su eficiencia se impone en algunos casos aumentar el rendimiento, para ello se ha encaminado dicho trabajo al estudio del comportamiento de dicha antena con la inclusión de elementos parásitos conformándose de esta manera una antena híbrida Yagi-Log periódica, que es un tipo híbrido de antena con una compensación de las ventajas de las antenas Log-periódicas y las Uda-Yagi. Para ello se diseñará y medirá al menos un prototipo de este tipo de antena. Con este diseño se le brinda a las asignaturas de antenas y líneas de transmisión, información metodológica sobre nuevas variantes de antenas Yagi-Log periódica. Con el fin de poder dar un correcto cumplimiento a los objetivos propuestos para este trabajo, se han planteado un grupo de tareas técnicas y de investigación. Primero búsqueda, análisis bibliográfico y estudio de trabajos relacionados con el tema. Segundo elaborar un material en el que se exponga la teoría básica de antenas que soporta el diseño seleccionado, los resultados teóricos de los parámetros de antena obtenidos mediante los mecanismos computacionales utilizados en la simulación de la misma y la elección de un diseño que le de una solución sencilla, económica y factible al problema planteado. Por ultimo realizaremos la comprobación de los resultados teóricos con las mediciones prácticas. El presente trabajo se ha estructurado en tres capítulos donde se abordan las siguientes temáticas: El capítulo 1 se dedica a la exposición de algunos de los elementos teóricos de las antenas Uda-Yagi y de las antenas Log-periódicas de dipolo, así como de los principales

13 INTRODUCCIÓN 3 parámetros que caracterizan el desempeño de estas antenas, incluyendo el estado del arte, acorde a la recopilación bibliográfica realizada. En el capítulo 2 se presenta el diseño realizado y se obtienen los resultados teóricos de la simulación del diseño. En el capítulo 3 se presentan los resultados de las mediciones prácticas, los cuales se utilizan para la validación de los valores obtenidos de la simulación. La estructura del presente trabajo también cuenta con conclusiones, recomendaciones y referencias bibliográficas. En las conclusiones se realizará un análisis crítico de los resultados obtenidos a partir de los objetivos que se trazaron inicialmente. En las recomendaciones se orientarán acciones dirigidas a enriquecer el material y que permitan la mejora de este proyecto en el futuro. Las referencias bibliográficas constituyen un listado de la bibliografía consultada siguiendo la metodología vigente para este fin.

14 CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA SOBRE LA ANTENA YAGI-LOG PERIODICA 4 CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA SOBRE LA ANTENA YAGI-LOGPERIÓDICA 1.1 Introducción Las antenas son elementos imprescindibles en un sistema de radiocomunicaciones, ya que con su actuación como transductores de energía eléctrica en electromagnética y a la inversa, son las interfaces entre los subsistemas transceptores, utilizando el espacio libre como medio de transmisión. También pueden ser concebidas como un dispositivo encargado de convertir; ondas electromagnéticas conducidas por una línea de transmisión o guía de ondas, en ondas que pueden propagarse libremente en el espacio. De acuerdo con la definición de la IEEE la antena es la parte de un sistema de transmisión o recepción destinada a radiar o recibir ondas electromagnéticas [13]. En general, las antenas actúan como transmisoras o receptoras indistintamente. Caracterizar una antena consiste en determinar sus parámetros radioeléctricos direccionales y de impedancia, simulando las condiciones de la aplicación en donde esta funcionará, para verificar su comportamiento y su aporte como elemento constitutivo dentro de un radio enlace. La realización de este capítulo tiene como objetivo inicial la exposición de algunos de los elementos de la teoría de las antenas Uda-Yagi y de las antenas Log-Periódicas de dipolo, así como de los principales parámetros que caracterizan el desempeño de éstas antenas. Presentándose los dos tipos de antenas que se desean optimizar y combinar en este trabajo, las antenas Uda-Yagi y Log-periódica, para formar la antena Yagi-Log periódica, Este

15 CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA SOBRE LA ANTENA YAGI-LOG PERIODICA 5 capítulo incluirá el estado del arte con respecto a estos tipos de antenas, o sea, lo reportado por diferentes autores en el mundo sobre la teoría y el diseño de estas antenas 1.2 Antena Uda-Yagi La antena Uda-Yagi es una antena direccional creada por el Dr. Shintaro Uda de la Universidad Imperial de Tohoku y su ayudante, el Dr. Hidetsugu Yahi (de ahí el nombre Uda-Yagi). Esta invención de quitar la tierra a las ya convencionales antenas (groundbreaking), produjo que mediante una estructura simple de dipolo, combinado con elementos parásitos, conocidos como reflector y directores, logró construir una antena de muy alto rendimiento. La invención del Dr. Uda (patentada por Yagi en 1926) no fue usado en Japón en un principio. Sin embargo fue aceptada en Europa y Norteamérica, en donde se incorporó a la producción comercial, de los sistemas de difusión, TV y otros. Las antenas Uda-Yagi, o simplemente Yagi, son conjuntos de dipolos lineales, como muestra la figura 1.1, en el que el denominado elemento activo, es directamente energizado por una línea de transmisión, y los otros elementos actúan como radiadores parásitos, cuyas corrientes son inducidas por acoplamiento mutuo [4]. Elemento activo Figura 1.1 Configuración de una antena Uda-Yagi.

16 CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA SOBRE LA ANTENA YAGI-LOG PERIODICA 6 A los elementos parásitos, situados delante del elemento alimentado y que refuerzan el campo hacia adelante, se les llama directores. A los elementos situados detrás y que también refuerzan el campo hacia adelante se les llama reflectores. En ocasiones se utilizan como reflectores en lugar de elementos lineales, superficies o planos reflectores que pueden adoptar diversas formas. Para la configuración de dos elementos, el elemento parásito es utilizado generalmente como reflector. El elemento activo no es más que un dipolo simple o doblado. Las antenas Uda-Yagi son muy utilizadas en aplicaciones de HF, VHF y UHF, por ser de bajo costo, fáciles de construir y presentar características de radiación razonables en la mayoría de los casos prácticos. Ellas son caracterizadas por presentar elevada directividad, pudiendo llegar hasta 20 dbi, con baja impedancia de entrada y ancho de banda estrecho, propiedades muy relacionadas a la disposición y dimensiones de los dipolos. El efecto de más de un elemento reflector en las propiedades radiantes de la antena es despreciable. Sin embargo, el crecimiento de elementos directores, nos conduce a resultados considerablemente mejores. Naturalmente, existe un límite físico a partir del cual la inclusión de nuevos directores no aporta mejoras en términos de desempeño. El tamaño y separación del elemento reflector posee relativamente poca influencia en la ganancia, afectando así la magnitud del lóbulo trasero y la impedancia de entrada [7]. Las dimensiones del elemento activo están asociadas a la magnitud del lóbulo trasero y a la impedancia de entrada, y producen poco sobre la ganancia. El tamaño del elemento activo, en general, es escogido de forma que sea resonante y la impedancia esencialmente real. Las dimensiones y separación entre los elementos directores son los factores más sensibles para el proyecto de una antena Uda-Yagi, pues afectan la ganancia, la magnitud del lóbulo trasero y la impedancia de entrada. Los elementos en la dirección del lóbulo principal, los directores, tienden a ser menores en longitud que el elemento activo, El elemento reflector acostumbra a ser ligeramente mayor en longitud que el elemento activo. Las distancias entre los elementos no son

17 CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA SOBRE LA ANTENA YAGI-LOG PERIODICA 7 necesariamente uniformes, mientras que la separación entre el reflector y el elemento activo frecuentemente se toma menor que la separación entre el elemento activo y el primer elemento director [7] Funcionamiento de la antena Uda-Yagi En virtud del principio de reciprocidad, se puede demostrar que los parámetros de una antena cualquiera son las mismas tanto en emisión como en recepción. Se explicará el funcionamiento de una antena Uda-Yagi en transmisión. Como ya se ha mencionado, una antena Uda-Yagi está formada por un elemento alimentado (conectado al emisor o al receptor) formado por un simple dipolo o un dipolo doblado llamado también radiador. Además de este elemento, la antena tiene uno o varios elementos aislado llamados, elementos parásitos. La corriente que circula en elemento alimentado irradia un campo electromagnético, el cual induce corriente 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 [1] [9] Métodos de diseño de la antena Uda-Yagi El diseño de una antena Uda-Yagi prácticamente se resume en calcular las posiciones y las dimensiones de sus elementos de manera que las fases de las corrientes resultantes sean tales que la adición fasorial 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, un T Match o un Match.

18 CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA SOBRE LA ANTENA YAGI-LOG PERIODICA 8 Existen básicamente dos métodos de diseño de este tipo de antena que ofrecen resultados aceptables. El primero es el método de la femi [6]. Este tiene la ventaja de que permite interiorizar el mecanismo de operación de la antena Uda-Yagi. El segundo es un método tabular conocido como método de la NBS [1], que nos da la posibilidad de llegar a soluciones de ingeniería de una forma relativamente rápida y confiable, por basarse en mediciones experimentales, no brindando resultados en cuanto a la característica de impedancia. Además, las dimensiones constructivas de la antena en longitudes de onda están restringidas a valore expresados en una tabla. Debido a la amplia bibliografía con la que se cuenta en relación a los métodos antes mencionados, serán brevemente abordados en el presente trabajo Método de diseño de la NBS El método del Nacional Bureau of Standard de Estados Unidos provee un procedimiento para determinar los parámetros geométricos de la antena Uda-Yagi para una ganancia directiva determinada (sobre un dipolo de media longitud de onda). El documento original sobre el cual se basa este procedimiento es: Meter P Viezbiike, Yagi Antenna Design, NBS Technical Note 688, December El núcleo del método de diseño se incluye en los siguientes datos: 1. Tabla 10.6 del libro de texto [Antenna Theory Analysis and Design Tomo 2] que representa los parámetros de antenas optimizadas para seis longitudes diferentes y para 2 a/λ = La figura del libro de texto [Antenna Theory Analysis and Design Tomo 2] que representa las longitudes no compensadas de longitudes de director y reflector para 0,001 2 a/ 0, La figura del libro de texto [Antenna Theory Analysis and Design Tomo 2] que suministra el incremento de longitud compensada para todos los elementos parásitos (directores y reflector) como una función del diámetro del boom (0,001 2 a boom / 0,04).

19 CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA SOBRE LA ANTENA YAGI-LOG PERIODICA 9 4. La información de entrada necesaria es: Frecuencia central Ganancia directiva Diámetro del boom. Por todo lo antes expuesto, las antenas Uda-Yagi han sido objeto de un extenso análisis y experimentación en los últimos cincuenta años. 1.3 Log-periódica de dipolos (LPD) La Log-periódica, es una clase de antena de la familia independientes de la frecuencia ; es direccional, con características relativamente constantes alrededor de un vasto rango de frecuencias, surgió del trabajo inicial de V.H. Rumsey, J.D. Dyson, R.H DuHamel y D.E. Isbell en la Universidad de Illinois, en Una antena Log-periódica es aquella que posee una geometría tal que sus características de impedancia y radiación varían periódicamente con el logaritmo de la frecuencia [7]. La LPD trabaja en su región activa, que es la porción en la cual esta emitiendo o recibiendo radiación eficientemente. La región cambia con la frecuencia. Esta puede ser usada con elementos parásitos para alcanzar una mejor característica direccional dentro de un rango de frecuencias aceptable [10]. La estructura física de una antena Log-periódica es repetitiva, y eso causa un comportamiento repetitivo de sus características eléctricas. En otras palabras, el diseño de una antena Log-periódica consiste en una figura geométrica básica que se repite, pero con distintos tamaños. Esta antena es estructuralmente muy similar al conjunto con elementos parásito de la antena Uda-Yagi. Estos conjuntos con elementos parásitos se construyen para la banda alta de VHF y frecuencias superiores. No obstante la LPD tiene una estructura especial y

20 CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA SOBRE LA ANTENA YAGI-LOG PERIODICA 10 técnicas o consideraciones de diseño que la distinguen de la Uda-Yagi La configuración más común es mostrada en la figura 1.3, y consiste en un conjunto de dipolos colocados lado por lado, conectados por una línea de transmisión. Figura 1.3 Configuración de una antena Log-periódica. La estructura consiste en un número de elementos lineales (dipolos simples o doblados), el mayor de ellos tiene una longitud aproximada de λ/2 a la frecuencia de diseño más baja, el elemento más corto es de aproximadamente λ/2 a la frecuencia de operación más alta. El alimentador de la antena, conecta el punto central de cada elemento en la serie utilizando la forma de alimentación cruzada, para evitar interferencias entre la onda electromagnética que recibe o irradia un elemento y el siguiente o el anterior [12]. Mientras que en la antena Uda-Yagi solamente se energiza un dipolo y el resto de los elementos son de carácter parásito, todos los elementos de la antena Log-Periódica tienen que estar alimentados. El arreglo de elementos y la forma de alimentación hacen que la antena tenga una Ganancia y un coeficiente de radiación trasera (F/B) relativamente constante para el rango de frecuencias de diseño, así como su Zin, simplificando la adaptación a la línea de transmisión. Las antenas Log-periódicas pueden tener relaciones de ancho de banda de 10:1 o mayores. La relación de ancho de banda es el cociente de la frecuencia máxima entre la mínima de

21 CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA SOBRE LA ANTENA YAGI-LOG PERIODICA 11 operación satisfactoria de una antena. Se usa en las antenas de banda ancha la relación de ancho de banda con más frecuencia que la mención del porcentaje de ancho de banda entre la frecuencia central [15]. Las antenas Log-periódicas no sólo tienen un tipo de estructura, sino variadas formas estructurales, algunos de los cuales son bastante poco usuales. Las LPD pueden ser unidireccionales o bidireccionales y tener una ganancia directiva de baja a moderada. También se pueden alcanzar altas ganancias usándolas como elementos de una red más complicada [12] Principios del funcionamiento de la LPD Con el objetivo de describir el principio de funcionamiento de la LPD, es útil considerar separadamente tres regiones de importancia en la antena, como se muestran en la figura 1.9. Figura 1.9. Regiones de funcionamiento de la LPD.

22 CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA SOBRE LA ANTENA YAGI-LOG PERIODICA 12 La región de transmisión (región 1 de la figura 1.9), en la que los elementos de la antena son cortos respecto a la frecuencia resonante deseada (es decir l<< λ/2), se presenta una impedancia capacitiva relativamente elevada. La amplitud de la corriente en el elemento es pequeña. La separación entre elementos es pequeña en longitudes de onda, y la inversión de fase producida por la transposición de la línea significa que los elementos adyacentes, están desfasados casi 180º; precisamente, cada corriente adelanta a la del elemento precedente un ángulo aproximadamente igual a α = (π -βd) siendo d, la separación entre elementos y β=2 π / λ =w/v, la constante de fase a lo largo de la línea. A causa del defasaje y poca separación de los elementos, la radiación de esta región será muy pequeña en el sentido del retroceso que es el sentido a la izquierda de la figura 1.9. En la región activa, también representada en la figura 1.9, las longitudes de los elementos son del orden de la longitud de onda resonante (l ligeramente inferior a λ /2), así la impedancia del elemento es casi resistiva pura. La corriente de un elemento es grande y, casi en fase con el voltaje básico, la corriente está ligeramente en adelanto un poco por debajo de la resonancia y ligeramente atrasada un poco por encima de dicha resonancia. La separación entre elementos es ahora suficientemente grande y la fase de la corriente en un elemento dado esta en adelanto sobre el elemento precedente en un ángulo α = (π β d) que se aproxima a π /2 radianes, o sea 90º. Esta combinación de condiciones producirá una fuerte radiación en el sentido del retroceso. La región 3 de la figura 1.9, representa la región reflectora, en la que la longitud de los elementos es mayor que la longitud resonante (l λ/2), así la impedancia de estos elementos se hace inductiva y cada corriente va en retraso respecto al voltaje básico. El voltaje básico dado por la línea de transmisión es de esta forma bastante pequeño, ya que en una LPD diseñada apropiadamente casi toda la energía transmitida a lo largo de la línea ha sido ya sustraída y radiada por la región activa. La separación entre elementos puede ser mayor aquí que λ /4, pero, el defasaje por unidad de longitud de línea en esta región es pequeño, de modo que el defasaje entre elementos (incluyendo la inversión de fase debida a la transposición) es tal que todo el resto de la radiación tiene aún el sentido del retroceso. Como la impedancia característica de la línea de transmisión se hace reactiva en esta

23 CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA SOBRE LA ANTENA YAGI-LOG PERIODICA 13 región, toda pequeña radiación procedente de la región activa no es aceptada en esta reflejándola hacia el generador [1] [7] [15]. Según lo anterior, se puede decir que en esencia la LPD se comporta como una Uda-Yagi, en la que el elemento activo esta representado por la región activa, y los elementos parásitos, es decir el reflector y los directores están representados por las regiones: reflectora y de transmisión respectivamente Consideraciones básicas de diseño de la antena LPD Las dimensiones de una antena LPD son determinadas por el factor de escala τ, por el factor de forma σ y el ángulo α. Cada una de estas variables puede ser definida por las dos restantes. La figura 1.6, muestra el diagrama esquemático de una LPD, en el cual se definen los siguientes parámetros de diseños: El ángulo. Las longitudes de los dipolos Ln. La ubicación de los elementos con respecto al vértice del triangulo, Rn. El espaciamiento entre dipolos σ. La constante de diseño τ. Figura 1.6 Diagrama esquemático de una LPD.

24 CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA SOBRE LA ANTENA YAGI-LOG PERIODICA 14 El ángulo α define el contorno de la antena y permite que cada dimensión sea tratada como un radio. Las dimensiones estructurales básicas son las longitudes de los elementos (L), la distancia (R) de cada elemento al vértice del ángulo α y la distancia entre elementos (D). Una constante de diseño, τ, define las relaciones existentes entre el elemento n y el siguiente, el elemento n +1 de la manera que se muestra: El valor de τ es siempre menor que 1, aunque diseños efectivos requieran valores lo más cercano posible a 1. La variable τ define la relación entre elementos sucesivos de la antena. El espaciamiento inicial define el ángulo α del arreglo. Así tenemos dos formas de determinarlo, la constante de espaciamiento relativa: Donde: Dn: es la distancia entre dos elementos cualesquiera. Ln: es la longitud o distancia del mayor de dichos elementos. También podemos encontrar una forma de determinar α si conocemos los valores de τ y σ. Para cualquier valor de τ, se puede determinar el valor óptimo de σ: De la combinación de τ y su correspondiente valor óptimo para σ se obtiene el diseño de más rendimiento que la LPD puede alcanzar. Para valores de τ desde 0.8 hasta 0.98 el valor óptimo de σ varía desde hasta 0.187, en incrementos de para cambios de τ de Pero utilizando el valor óptimo de σ, usualmente se obtiene un arreglo de dimensiones que están más allá de lo que es capaz de soportar el mástil de montaje.

25 CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA SOBRE LA ANTENA YAGI-LOG PERIODICA 15 Consecuentemente se emplean relaciones de compromiso entre τ y σ que ofrecen diseños de menos calidad pero muy aceptables. Para un rango de frecuencias dado, el incremento de τ significa un incremento de la ganancia y del número de elementos requeridos. Normalmente se utilizan valores para esta variable entre 0.88 y 0.95 y valores para σ del orden de 0.1 a 0.12 y hasta Los factores τ y σ determinan el numero de elementos a ser utilizados, diagrama de radiación, ganancia e impedancia de una antena Log-periódica. Las antenas LPD optimizadas se encuentran ricamente exploradas en la literatura [1] [7]. Las técnicas de diseño Standard usualmente fijan el elemento posterior de la antena (o sea el elemento dedicado a la frecuencia más baja que es el de mayor tamaño) para una frecuencia de un 7 % menos que la menor frecuencia que contempla el diseño y utiliza la expresión (Lfeet = 468/f MHz) para el dipolo correspondiente a esta frecuencia (de un 5% menos de longitud de onda que la que le correspondería en el espacio libre, donde Lfeet = /f (MHz). La frecuencia superior es ordinariamente fijada a 1.3 veces la frecuencia superior del diseño [13]. Con las anteriores estipulaciones estructurales, la impedancia de entrada de la antena varía en forma repetitiva cuando se grafica en función de la frecuencia, y cuando se grafica en función del logaritmo de la frecuencia, varía en forma periódica; de aquí el nombre Logperiódica. En la figura 1.7 se ve una gráfica característica de la impedancia de entrada. Aunque esa impedancia varía en forma periódica, no necesariamente son senoisodales las variaciones. También la distribución, directividad, ganancia de potencia y ancho de banda sufren una variación similar con la frecuencia. Figura 1.7 Impedancia de entrada Log-periódica en función de la frecuencia.

26 CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA SOBRE LA ANTENA YAGI-LOG PERIODICA 16 La magnitud de un período logarítmico de frecuencia depende de la relación de diseño y si hay dos máximos sucesivos en las frecuencias f1y f2, se relacionan mediante la formula: Por consiguiente, las propiedades de una antena Log-periódica a la frecuencia f tendrán propiedades idénticas a la frecuencia τf, τ 2 f, τ 3 f, etcétera. Las antenas Log-periódicas, como las de rombo, se usan principalmente en comunicaciones HF y VHF, como se ha mencionando anteriormente. Sin embargo, las antenas LPD no tienen un resistor de terminación y en consecuencia son más eficientes. Con mucha frecuencia, las antenas de TV anunciadas como de alta ganancia o de alto rendimiento son Log-periódicas [12].

27 CAPÍTULO 2 DISEÑO Y SIMULACIÓ DE LA ANTENA YAGI-LOG PERIÓDICA 17 CAPÍTULO 2. Diseño y simulación de la antena Yagi-Log periódica 2.1 Introducción La Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) inicialmente asignó doce canales para la difusión para la TV comercial. Estos canales se encuentran en la banda VHF muy alta frecuencia. Luego con el auge alcanzado por la TV se demostró que doce canales no eran suficientes por lo que en 1952, la FCC asignó setenta canales adicionales superiores a la banda de VHF y los llamo ultra alta frecuencia UHF, estos son los canales del 14 al 83, que posteriormente se tomaron solo hasta el 69. Las señales de UHF, debido a sus características físicas de transmisión son menos eficientes en su conversión de ondas electromagnéticas a señales eléctricas utilizadas por el receptor de TV, y están sujetas a más pérdidas debido a las condiciones de propagación que las señales de VHF, por lo que la recepción de UHF, requiere más atención en el diseño e instalación de la antena. Con el objetivo de lograr una buena estabilidad en los parámetros de transmisión en dicha banda, trabajaremos en el diseño de una antena Log-periódica pues es una antena de banda ancha que mantiene una ganancia e impedancia aproximadamente constante. A pesar de la eficiencia de dicha antena se impone en algunos casos aumentar el rendimiento Por lo antes mencionado se procede en este capítulo a combinar el aumento del ancho banda proporcionado por la presencia de múltiples elementos activos con la mejora de la directividad de los patrones de radiación resultante de los efectos producidos por elementos directores es decir se desea proyectar una antena híbrida, que incorpore características de las estructuras Log-periódico y Uda-Yagi.

28 CAPÍTULO 2 DISEÑO Y SIMULACIÓ DE LA ANTENA YAGI-LOG PERIÓDICA Antena híbrida Yagi-Log periódica Dada la importancia y la necesidad del diseño e implementación de este tipo de antenas es necesario definir una antena híbrida Yagi-Log periódica como aquella que es capaz de lograr una buena estabilidad en los parámetros de transmisión, así como buen ancho de banda y una ganancia relativamente alta; esto manteniendo sus parámetros y características dentro de los criterios de diseño establecidos. La figura 2.1 ilustra la geometría de una antena Yagi-Log periódica con un total de N elementos activos y un elemento director. Podrían ser utilizados, varios directores, según las características del diseño que se desee realizar. Figura 2.1 Geometría de una antena Yagi-Log periódica Aspectos sobre el diseño de antenas híbrida Yagi-Log periódica Por el estudio realizado de trabajos relacionados con el tema y por la revisión bibliográfica realizada, se comprueba que las antenas híbridas Yagi-Log periódica se basan en el principio de funcionamiento de la LPD clásica ya expuesto (la que en esencia responde como lo hace una Uda-Yagi con elementos parásitos), por lo que consiste en una serie de dipolos resonantes que operan a diversas frecuencias formando un amplio ancho de banda.

29 CAPÍTULO 2 DISEÑO Y SIMULACIÓ DE LA ANTENA YAGI-LOG PERIÓDICA 19 Basándose en lo antes expuesto, se comenzará diseñando una antena Log-periódica clásica observando el comportamiento de sus principales características radioeléctricas, con el objetivo de mejorar su desempeño con la inclusión de elementos directores. 2.3 Diseño de una antena Log-periódica Como se mencionó en el capítulo anterior el diseño de una antena Log-periódica se basa en tres variables fundamentales: factor de escala τ, factor de forma σ y el ángulo α. Las variables τ y σ se escogen en la figura del libro de texto [Antenna Theory Analysis and Design Tomo 2] según la ganancia deseada en el diseño. El ángulo α define el contorno de la antena y permite que cada dimensión sea tratada como un radio, este se define en la siguiente ecuación: = arctan [(1 - )/ (4 )] (2.1) Mientras que el ancho de banda del sistema determina las longitudes del elemento más corto y el elemento más largo de la estructura. El ancho de la región activa depende del diseño específico. Ancho de banda de la región activa se define: B ar = 1,1 + 7,7(1 - ) 2 cot (2.2) En la práctica, un ancho de banda ligeramente mayor B s es usualmente diseñado con relación al requerido. Los dos están relacionados por: B s = B B ar = B [1, 1 + 7, 7(1 - ) 2 cot ] (2.3) Donde: B s es el ancho de banda del diseño. B es el ancho de banda deseado. B ar es el ancho de banda de la región activa.

30 CAPÍTULO 2 DISEÑO Y SIMULACIÓ DE LA ANTENA YAGI-LOG PERIÓDICA 20 La longitud total de la estructura L a partir de la longitud del elemento más corto y de la longitud del elemento más largo viene expresada por: L = max /4 (1 1/B s ) cot (2.4) Donde: max = 2l max = c/f min El número de elementos está determinado por la expresión: N = 1 + ln (B s )/ ln (1/ ) (2.5) El espaciamiento centro a centro s del alimentador de los dipolos puede determinarse: s = d cosh (Z 0 /120) (2.6) Esta puede lograrse especificando la impedancia de entrada. Para llevar a cabo esto, definimos una impedancia característica promedio dada por la expresión: Z a = 120[ln (l n /d n ) 2,25] (2.7) Donde: l n /d n es la razón longitud a diámetro del elemento n-simo del conjunto. Seguidamente dividimos: Z a /R in (2.8) Luego obtenemos a: = / ( ) 1/2 (2.9)

31 CAPÍTULO 2 DISEÑO Y SIMULACIÓ DE LA ANTENA YAGI-LOG PERIÓDICA 21 Con estos valores ya obtenidos nos dirigimos a la figura del libro de texto [Antenna Theory Analysis and Design Tomo 2] y se encuentra el valor resultante de la relación Z 0 /R in, se despeja Z 0 y se sustituye en la expresión (2.6). Las ecuaciones anteriores se encuentran argumentadas en el libro de texto [Antenna Theory Analysis and Design Tomo 2] y en las Conferencias de Antena Procedimiento de diseño y cálculo de los valores Par la realización del diseño se específica: Ganancia directiva deseada. Impedancia de entrada. Diámetro de los elementos de la línea de alimentación. Frecuencia máxima y mínima del ancho banda deseado. Seguiremos los siguientes pasos para el cálculo: Dada la ganancia directiva en [dbi], determinar τ y σ en la figura Determinamos usando (2.1). Se determinan B ar y B s usando (2.2) y (2.3) respectivamente. Determinar L y N usando (2.4) y (2.5) respectivamente. Se determina Z a usando (2.7). Obteniendo el valor de desde (2.9) y el valor de la relación (2.8) se determina Z 0 en la figura Se determina s usando (2.6). El diámetro de alimentación d es obtenido basándose en los elementos constructivos existentes en la fábrica de Antenas de Villa Clara, específicamente en las características del boom ya que este puede ser cuadrado o circular. Debido a que el boom existente en la fábrica de antena es cuadrado, el diámetro se calcula como se muestra en la figura 2.2.

32 CAPÍTULO 2 DISEÑO Y SIMULACIÓ DE LA ANTENA YAGI-LOG PERIÓDICA 22 d = 2 * A eq donde A eq = 0.42 * a. Figura 2.2 En el presente trabajo se desea diseñar una antena que presente una ganancia directiva entre 9 y 11 [dbi], una resistencia de entrada de 75 [Ω], para la banda de UHF la que presenta una frecuencia mínima de 470 MHz y una frecuencia máxima de 806 MHz y con un diámetro de alimentación de Obteniéndose como posible diseño una antena con valores de τ = 0.97; σ = 0.18; L = 2.40 m y N = 27; como se puede observar, es un diseño con un gran número de elementos, por lo que se decide realizar diferentes variantes para reducir el número de elementos y tamaño de la antena, con el objetivo de obtener un diseño que cumpla con los parámetros deseados, utilizando la menor cantidad de material posible, produciendo así, una antena menos costosa. Al diseñar con valores de τ menores se comprueba que el número de elementos y la longitud entre ellos se reduce, provocando la disminución de la ganancia y en algunos casos el aumento de la ROE. Por lo que se fue probando hasta obtener la realización de un diseño que cumpliera con las características deseadas, en el que se lograra un compromiso entre la ganancia, la ROE y la F/B. A continuación se realizan los cálculos para una antena que presenta una τ = 0.93; σ = 0.17 en la que se obtiene: Longitud total de la estructura L = m. Numero de elementos N = 14. Como se observa se reduce el número de elementos y la longitud de la estructura, logrando reducir el costo de fabricación y complejidad de construcción de la misma.

33 CAPÍTULO 2 DISEÑO Y SIMULACIÓ DE LA ANTENA YAGI-LOG PERIÓDICA 23 En las tablas 2.1 y 2.2 se muestran las longitudes y las distancias entre los dipolos de la antena seleccionada. Elementos l 1 l 2 l 3 l 4 l 5 l 6 l 7 Fórmula l 1 * τ l 2 * τ l 3 * τ l 4 * τ l 5 * τ L 6 * τ Longitud [m] Elementos l 8 l 9 l 10 l 11 l 12 l 13 l 14 Fórmula l 7 * τ l 8 * τ l 9 * τ l 10 * τ l 11 * τ l 12 * τ l 13 * τ Longitud [m] Tabla 2.1. Longitudes de los dipolos Distancia R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 R 6 R 7 Fórmula L-(R 1* τ) L-(R 2* τ) L-(R 3* τ) L-(R 4* τ) L-(R 5* τ) L-(R 6* τ) L-(R 7* τ) Distancia [m] Distancia R 8 R 9 R 10 R 11 R 12 R 13 Fórmula L-(R 8* τ) L-(R 9* τ) L-(R 10* τ) L-(R 11* τ) L-(R 12* τ) L-(R 13* τ) Distancia [m] Tabla 2.2. Distancia entre los dipolos.

34 CAPÍTULO 2 DISEÑO Y SIMULACIÓ DE LA ANTENA YAGI-LOG PERIÓDICA Presentación del diseño seleccionado A continuación se presenta el diseño de la antena Log-periódica, en la que sus 14 elementos son dipolos simples, es decir todos sus elementos son activos. Esta antena se alimenta directamente de la línea por su dipolo más pequeño, como se observa en la figura 2.3, con este diseño se logra reducir el número de elementos y la longitud entre estos, cumpliendo con las características de diseño deseadas. Figura 2.3 Antena Log-periódica básica Resultados de la simulación Dentro de los resultados que ofrece el MMANA en la simulación de antenas, se encuentran la ROE, la ganancia, la F/B, el patrón de radiación y el comportamiento de la impedancia del punto de alimentación, en los cuales se basará la comprobación de la antena diseñada Comportamiento de la ROE En el diseño óptimo de una antena se espera que la Razón de Onda Estacionaria (ROE) tome valores entre 1 y 2, dado que esta, determina la cantidad de energía que no es convertida por la antena en ondas electromagnéticas, sino que permanecen en la línea como ondas estacionarias [14]. Sobre todo en antenas transmisoras, donde la potencia

35 CAPÍTULO 2 DISEÑO Y SIMULACIÓ DE LA ANTENA YAGI-LOG PERIÓDICA 25 reflejada hacia el transmisor trae consigo grandes inconvenientes como lo puede ser su calentamiento. En la figura 2.4 se muestra el comportamiento de la ROE para la antena Log-periódica, en el que los valores de la ROE varían entre 1.8 y 2.4, siendo valores permisibles según los criterios de diseños establecidos. Figura 2.4 Comportamiento de la ROE vs. Frecuencia Comportamiento de la G y la F/B Dos parámetros importantes a la hora de valorar el desempeño de una antena lo son la ganancia directiva (G d ), que no es más que la relación de la densidad de potencia radiada en una dirección en particular con la densidad de potencia radiada al mismo punto por una antena de referencia [2], mientras mayor sea la G d de una antena mejor recibirá y trasmitirá las señales de TV. La F/B que es una particularidad de las antenas directivas. Su valor indica hasta que punto el lóbulo principal de radiación es más importante que el lóbulo posterior. Mientras mayor

36 CAPÍTULO 2 DISEÑO Y SIMULACIÓ DE LA ANTENA YAGI-LOG PERIÓDICA 26 sea el lóbulo principal la antena será más direccional. El comportamiento de dichos parámetros, ante distintos rangos de frecuencia, se muestra en la figura 2.5, en la cual se observa como varía la ganancia entre 8.75 y 9.45 dbi y la F/B entre 22 y 26 db. Figura 2.5 Comportamiento de la G y F/B vs. Frecuencia Comportamiento de la Impedancia de entrada Z in El punto de conexión de la antena a la línea de transmisión, presenta propiedades eléctricas que pueden caracterizarse mediante una impedancia; conocida como impedancia del punto de alimentación o impedancia de entrada (Zin) como también se le conoce, que es, en general, una combinación de resistencias y reactancias [3]. En la figura 2.6 se observa gráficamente dicho comportamiento en el que la parte real varía entre 175 y 115 Ω y la parte imaginaria -60 y 25 Ω.

37 CAPÍTULO 2 DISEÑO Y SIMULACIÓ DE LA ANTENA YAGI-LOG PERIÓDICA 27 Figura 2.6 Comportamiento de la Z in Patrón de Radiación El patrón de radiación, no es más que un diagrama polar que representa las intensidades de los campos o las densidades de potencia en varias posiciones angulares en relación con la antena [3]. En la figura 2.7, se muestra el patrón de radiación, como se puede observar es un patrón que presenta direccionalidad en el sentido positivo del eje x. Figura 2.7 Patrón de radiación.

38 CAPÍTULO 2 DISEÑO Y SIMULACIÓ DE LA ANTENA YAGI-LOG PERIÓDICA Presentación del diseño híbrido Yagi-Log periódica En la figura 2.8, se presenta el diseño de una antena híbrida Yagi-Log periódica. Para la realización de este diseño se toma como base el diseño expuesto anteriormente, al cual se le agregan elementos parásitos, con el objetivo de aumentar la ganancia (buscando un valor próximo a los 11 dbi), esta antena presenta 14 elementos activos (dipolos simples) y 3 elementos parásitos (directores). Figura 2.8 Antena Yagi-Log periódica. Para la obtención de este diseño se analiza el comportamiento de la antena Log-periódica con la incorporación de 1 a 3 directores, observándose la variación de los principales parámetros de la antena en cada una de estas variantes. La longitud y separación entre los elementos directores son obtenidas basándose en los criterios de diseño de las antenas Uda- Yagi, en el que se plantea, que el primer elemento director posee una longitud 4% menor que la del elemento activo, así mismo el segundo tendrá una longitud igual al 3% menor que la del primero y el tercero será 3% menor que el segundo [9]. Antes de proceder al cálculo de las longitudes de los directores, se hace necesario mencionar que en la antena Log-periódica, los elementos activos de menor longitud operan para las frecuencias altas y los de mayor longitud para las frecuencias bajas, (expuesto en el capítulo anterior), y como la antena diseñada será probada para la frecuencia central en

39 CAPÍTULO 2 DISEÑO Y SIMULACIÓ DE LA ANTENA YAGI-LOG PERIÓDICA 29 la banda de UHF (600 MHz), se impone la necesidad de calcular las dimensiones de los directores tomando como referencia un dipolo central, por lo que se fue probando con diferentes dipolos y observando el comportamiento de los distintos diseños. Se debe aclarar que aunque la obtención de las dimensiones de los directores se basa en el criterio de diseño de las antenas Yagi, no podemos ajustarnos estrictamente a dicho criterio, debido a que el diseño realizado es una antena híbrida, por lo que las dimensiones de los elementos parásitos calculadas, van variando según el comportamiento de la antena. A continuación se presenta la tabla 2.3, en la que se muestran las dimensiones de los directores seleccionados, con las que se obtuvo un diseño en el que se mejoran todos los parámetros de la antena Log-periódica básica. Elementos Longitud [m] Director Director Director Tabla 2.3 Longitud de los directores. La separación entre los directores, así como la del primer director del último elemento activo es de 0.2λ, puesto que con esta separación se obtuvo un aumento en la ganancia llegando hasta los 11 dbi, manteniendo buenos resultados en la simulación en cuanto al comportamiento de la ROE y la F/B, en comparación con una separación de 0.1λ, la que presentaba una ROE con mayor estabilidad, pero la ganancia presentaba una máxima de dbi y la F/B un pico inferior a los 20 db.

40 CAPÍTULO 2 DISEÑO Y SIMULACIÓ DE LA ANTENA YAGI-LOG PERIÓDICA Resultados de la simulación Comportamiento de la ROE A continuación se presenta la figura 2.9, en la que se observa el comportamiento de la ROE para la antena híbrida Yagi-Log periódica, donde los valores de la ROE varían entre 2.2 y Lográndose así una de las principales características de las antenas transmisoras. Como se puede ver el comportamiento de la ROE en este diseño tiene una mayor estabilidad en todo el ancho banda, mejorando el comportamiento de esta característica con respecto al diseño anterior. Figura 2.9 Comportamiento de la ROE de la antena Yagi-Log periódica Comportamiento de la G y F/B La figura 2.10, muestra el comportamiento de la G y la F/B para el ancho de banda deseado. Como se observa, en este diseño el comportamiento de los parámetros antes mencionados mejoran con respecto al diseño Log-periódico básico, en cual la F/B variaba entre los 22 y 26 db, y la ganancia llegaba hasta 9.45 dbi y en este diseño híbrido se logra una variación de la F/B entre los 20 y 27 db, la que disminuye hasta los 20 db debido al

41 CAPÍTULO 2 DISEÑO Y SIMULACIÓ DE LA ANTENA YAGI-LOG PERIÓDICA 31 aumento de la ganancia la que alcanza valores entre los 9.62 y 11 dbi, cumpliendo así con uno de los objetivos propuesto del presente trabajo. Figura 2.10 Comportamiento de la G y F/B vs Frecuencia Comportamiento de la Impedancia de entrada En la figura 2.11, se muestra el comportamiento Z in en que la parte real varía entre los 167 y 87Ω, y la parte imaginaria entre los -27 y 35Ω, mejorando dicho comportamiento con respecto al diseño anterior, debido a que idealmente se desea una resistencia lo más próximo posible a la R in en este caso a los 75Ω y una capacitancia cercana a 0, logrando así una antena resistiva.

42 CAPÍTULO 2 DISEÑO Y SIMULACIÓ DE LA ANTENA YAGI-LOG PERIÓDICA 32 Figura 2.11 Comportamiento de la Z in Patrón de Radiación La figura 2.12, presenta el Patrón de Radiación de la antena Yagi-Log periódica, el que, al igual que el del diseño anterior presenta direccionalidad en el sentido positivo del eje x, obteniendo en este mayor directividad, debido a la inclusión de los elementos directores. Figura 2.12 Patrón de Radiación.

43 CAPÍTULO 2 DISEÑO Y SIMULACIÓ DE LA ANTENA YAGI-LOG PERIÓDICA 33 A modo de conclusión se puede mencionar que en el presente capítulo se exponen los pasos a seguir para el diseño de una antena Yagi-Log periódica, partiendo del diseño de una Log-periódica básica, a la que con el objetivo de mejorar su comportamiento en la banda de UHF, específicamente el aumento de la ganancia y la directivita de la misma, se le incorporan elementos directores formando así la antena Yagi-Log periódica. Observando el comportamiento de la misma, mediante las gráficas expuesta en dicho capítulo. En las que se pueden ver como se logran mejorar el comportamiento de los parámetros antes mencionados, logrando así el objetivo propuesto del diseño de la antena Yagi-Log periódica. También se puede argumentar que si se desea un mayor incremento de la ganancia se puede tomar un valor de τ próximo a 1, es decir, entre 0.95 y 0.98 lo que trae como consecuencia el aumento del numero de elementos y la longitud de la antena, provocando complejidad y gasto de material a la hora de la construcción de la antena.

44 CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS 34 CAPÍTULO 3. Análisis de los resultados 3.1 Introducción Escoger una antena para la transmisión o recepción de señales de TV, puede convertirse en una tarea con cierto grado de dificultad si se tiene en cuenta la gran variedad de diseños disponibles en el mercado actualmente. No obstante los aspectos a tener en cuenta a la hora de escoger una antena para TV siempre son los mismos. Entre estos aspectos encontramos los parámetros y características abordados en el presente trabajo que se tomaron en cuenta en el análisis de los resultados de la simulación de la antena Yagi-Log periódica del capítulo anterior. También pueden ser tomados en consideración otros detalles como son: sus características constructivas de acuerdo el lugar de emplazamiento, el cable utilizado para su alimentación, etc. Por lo antes mencionado, se procede en el presente capítulo a la exposición de los resultados de las mediciones prácticas realizadas del diseño seleccionado con el objetivo de validar los resultados obtenidos en la simulación.

45 CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Puesta a punto La etapa de puesta a punto de una antena, presupone varios pasos y es quizás la más importante en el proceso de obtención del producto final, o sea, una antena que ofrezca buenas prestaciones. Esta etapa incluye la fabricación física de un prototipo que permita corroborar los resultados teóricos obtenidos en la etapa experimental, a partir de la simulación. La necesidad de la puesta a punto radica entonces en que no siempre la simulación ofrece los mejores resultados prácticos siendo necesario el ajuste fino, que correctamente realizado llevará una antena a lograr los valores de los parámetros deseados de la simulación. Dentro de las mediciones prácticas que se le pueden realizar a una antena se encuentra la medición de la ROE, con la que se puede verificar su valor teórico. Una antena terminada y ajustada para mínima ROE., se orientará para máxima ganancia con la ayuda de un medidor de intensidad de campo. Así, un método simple y realmente efectivo es medir la intensidad de campo. Esta medición se realiza con un Medidor de Intensidad de Campo. Para realizar una medición primero se escoge la banda en la que está el canal de TV con el interruptor VHF/UHF, luego se fija el canal mediante sus dos selectores, dependiendo de la banda donde se encuentre el mismo, la antena debe haber sido acoplada al medidor por la toma de antena. Una vez realizado este procedimiento la aguja indicará el valor de la intensidad del campo que capta el instrumento en el canal seleccionado, el valor se da en db (µv/m). El medidor tiene dos escalas, una para VHF y otra para UHF, de no ser suficiente el valor de plena escala se pueden utilizar los atenuadores implementados en el instrumento, entonces la medición final sería la suma de lo que muestra la aguja y el valor de la atenuación seleccionada. Si se seleccionan más de uno a la vez, se utiliza en la suma el total de db s atenuados. Antes de proceder a la medición práctica, se hace necesario mencionar que usualmente es más conveniente realizar las mediciones, con la antena en modo de recepción, dado que con el modo de transmisión se necesitaría un generador de potencia para poder trasmitir. Como

46 CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS 36 la antena de prueba es recíproca, las características del modo de recepción son idénticas a las transmitidas por la antena. Para lograr un buen resultado se debe tener en cuenta que la medición se realice a una distancia suficientemente grande, es decir, hay que tener en cuenta la distancia a la región de campo lejano (r 2D 2 / ) donde D es la máxima dimensión lineal de la antena. Otro aspecto que se debe tener presente es la altura a la que es colocada la antena a la hora de la medición, la que debe ser relativamente alta, con el objetivo de evitar las reflexiones indeseadas desde la tierra, así como disminuir el número de obstáculo alrededor de la antena a medir. Lo ideal para la medición, es seleccionar un campo abierto para la realización de la misma o un borde de edificio como sitio de medida. 3.3 Mediciones prácticas Debido a que las mediciones realizadas fueron hechas a las frecuencias en las que se transmiten los canales de Santa Clara, se ofrecen los datos de estos transmisores en la tabla 3.1. Ch Pt (kw) Frecuencia (Mhz). Tipo de Antena Patrón de Radiación G(dBi) Dipolo- Panel Omnidireccional Dipolo- Panel Omnidireccional Dipolo Panel Omnidireccional 3 Tabla 3.1. Datos de los transmisores para los canales de Santa Clara. Las mediciones realizadas a la antena propuesta, siguiendo el procedimiento descrito en el epígrafe 3.2, se tabulan a continuación en la tabla 3.2. Los valores correspondientes a cada canal corresponden a la intensidad de campo expresados en db(µv/m).

47 CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS 37 Lugar de la medición Empresa de Antenas Ch 14 Ch 20 Ch Tabla 3.2. Valores de intensidad de campo. Para realizar un análisis comparativo entre los resultados de las mediciones prácticas de la antena, se necesita primeramente tener un punto de referencia en cuanto a valores deseados de la magnitud medida para la aplicación dada en la TV. Estos valores ofrecidos por Radio Cuba, y que corresponden a una recepción de la señal con calidad, se dan a continuación en la tabla 3.6. Banda I III IV V db(µv/m) Tabla 3.3. Valor de intensidad de campo mínimo relativo a cada banda. Las designaciones I, III, IV y V de las bandas de radiodifusión provienen de la Conferencia Europea de Radiodifusión por ondas métricas y decimétricas, Estocolmo, 1961, así como de la Conferencia Africana de Radiodifusión por ondas métricas y decimétricas, Ginebra, Las gamas de frecuencias designadas en esas fechas eran las siguientes (tabla 3.4): Banda I Banda III Banda IV Banda V MHz MHz MHz MHz Tabla 3.4. Gamas de frecuencias designadas a cada banda.

48 CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS 38 De acuerdo a las bandas en las que se dividió el espectro radioeléctrico para ofrecer valores de intensidad de campo mínimo, el canal 14 y el 20 se encuentran en la banda IV, para esta banda el valor de campo mínimo es de 65 db(µv/m), por último el canal 57 está en la banda V, y su valor de campo mínimo será de 70 db(µv/m). Una vez establecidos los valores de campo mínimo para cada canal, puede afirmarse del estudio de la tabla 3.2, que la mediciones prácticas realizada a la antena, en los canales 14 y 20 es muy buena, puesto que en los dos casos la magnitud de campo se encuentra entre 89 y 92 db(µv/m) respectivamente de un valor de 65 db que puede tomar como mínimo. En el canal 57, el valor de intensidad de campo medido en la antena es 60 db(µv/m) de los 70 db(µv/m) que debiera tener como mínimo, a pesar de que el comportamiento de la ganancia para la antena en dicho canal es mayor que la de los caneles 14 y 20. Este comportamiento se debe a que el canal 57 en la ciudad de Santa Clara tiene la peculiaridad de ser transmitido sólo con 300 W de potencia, con una ganancia de 3 dbi, mientras que los caneles 14 y 20 son trnsmitidos con 20 KW, con una ganancia del transmisor de 16.5 dbi. Esto influye en el hecho de que el valor de intensidad de campo medido en la antena para este canal no sea el óptimo. 3.4 Consideraciones generales En la realización del presente trabajo se ha puesto de manifiesto que el diseño de una antena Yagi-Log periódica es un proceso con cierto grado de dificultad, la cuál presenta buena estabilidad en sus principales parámetros como lo son: la ganancia, la ROE y la F/B. La ganancia es mayor mientras mayor sea el número de elementos de la antena esto hasta un límite, lo que provoca la disminución de la F/B. Es una antena que presenta buen ancho de banda ganando en directividad con la inclusión de elementos parásitos. Cumpliéndose así los objetivos propuestos en el trabajo, ya que los resultados teóricos obtenidos en la simulación son validados en el presente capítulo.

49 Conclusiones y Recomendaciones Conclusiones Con la realización del presente trabajo se arribaron a las siguientes conclusiones: La implementación de una antena Yagi-Log periódica es un proceso viable que mejora el comportamiento de las principales características de la antena, con respecto a una antena Log-periódica básica. El análisis comparativo de los parámetros de antenas como la longitud y separación de los elementos e incremento del número de elementos, permite seleccionar un mejor diseño en función de sus principales características como lo es: la ganancia, la ROE y la F/B. Se garantiza el diseño, la simulación y puesta a punto de antenas Yahi-Log periódica, eficaces y lo más económicas posible con la utilización de recursos que se encuentran al alcance de las instituciones encargadas de su producción, evitando el gasto innecesario por la compra de equipamientos más complejos. Recomendaciones Se recomienda de manera general, que: Los especialistas e investigadores realicen estudios más profundos y otros análisis comparativos, que en función de la disponibilidad de los recursos, logren ajustar el diseño para su mejor utilización. Continuar realizando nuevos diseños teniendo en cuenta los resultados prácticos alcanzados y la confrontación con otros métodos y herramientas. El presente trabajo sirva como fuente de estudio e información para estudiantes de esta facultad, ya que presenta información reciente sobre teoría y diseño de antenas Yagi-Log periódica.

50 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 40 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] BALANIS, C. A. (1996) Antennas Theory, Analysis and Design, New York, Wiley. [2] Berdiñas C. (2007) Antenas. Disponible en: [3] GHEZZI, M. R. (2006) "Antenas", [En línea]. Disponible en: [4] IN PRACTICE, R. R. (1998) "Folded Dipoler for VHF/UHF yagis" [En línea].disponible en: [5] Johnson, R. C. Antenna Engineering Handbook, 3 a ed., McGraw-Hill, Nueva York, [6] Jordan. Edward. C. (1978) Ondas Electromagnéticas y Sistemas Radiantes. 2 da ed. Madrid.edit. Paraninfo. [7] Júnior, A. G. M. (2005). "Algoritmos Genéticos Aplicados y Síntesis de Antena". Disponible en: [8] KRAUS, J. D. (1988) Antennas, New York, McGraw-Hill. [9] León, D. S. (1969) "Antenas de Televisión", 3 a ed. Madrid, edit. Paraninfo. [10] Ornetta, V. C. (2005). "Diseño y Fabricación de una Antena Log-Periódica MHz." Disponible en: [11] Tafur, M. L. (2007)."Introducción a las antenas." Disponible en: [12] Velasco, M. M. (2005). Sistemas de detección perimetral por fibra óptica y radiofrecuencia. Disponible en:

51 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 41 [13] W. L. Stutzman, G. A. Thiele (1998). Antenna Theory and Design, John Wiley & Sons. [14] XE3RN, W. (2006) "Diseño de Antenas"[En línea]. Disponible en: [15] ANTENA LOG- PERIODICA DE DIPOLOS. Disponible en: [16] About TV and FM Antennas. Disponible en: [17] Electrónica (2000) Antenas de televisión. Disponible en: [18] Erecting a TV Antenna. Disponible en: [19] Montevideolibre (2007) Antenas y diagramas (patrones de radiación). Disponible en: [20] Antenas direccionales. Disponible en:

52 GLOSARIO DE ACRONIMOS Glosario de Acrónimos B B ar B s D n (F/B) FCC Ancho de banda deseado. Ancho de banda de la región activa. Ancho de banda del diseño. Distancia entre los elementos. Front to back rate (razón front to back o frente/espalda). Federal Communications Commission (Comisión Federal de Comunicaciones). F min Frecuencia mínima. G Ganancia de la antena. G d Ganancia directiva. HF LPD High frequency band (banda de altas frecuencias). Log-periódica de dipolos. L n Longitud de los dipolos. NBS National Bureau of Standards. R in Resistencia de entrada. R n Ubicación de los elementos. ROE TV UHF Razón de onda estacionaria. Televisión. Ultra High Frequency (ultra altas frecuencias).

53 GLOSARIO DE ACRONIMOS 43 VHF vs Very High Frequency (muy altas frecuencias). Versus (contra). Za Impedancia característica promedio. Zin Impedancia de entrada o del punto de alimentación de la antena. λ τ σ Longitud de onda. Factor de escala. Factor de forma.

54 ANEXO Anexo I Tablas utilizadas para el diseño Figura del libro de texto [Antenna Theory Analysis and Design Tomo 2].

55 ANEXO 45 Tabla 10.6 del libro de texto [Antenna Theory Analysis and Design Tomo 2].

56 ANEXO 46 Figura del libro de texto [Antenna Theory Analysis and Design Tomo 2]. Figura del libro de texto [Antenna Theory Analysis and Design Tomo 2].

57 ANEXO 47 Anexo II Forma de conexión a los booms. Presentación final de la antena