Una antena Yagi-Uda , o simplemente antena Yagi , es una antena direccional que consta de dos o más elementos de antena resonantes paralelos en una matriz de disparo final ; [1] estos elementos son con mayor frecuencia varillas (o discos) de metal que actúan como dipolos de media onda . [2] Las antenas Yagi-Uda consisten en un solo elemento accionado conectado a un transmisor o receptor de radio (o ambos) a través de una línea de transmisión , y radiadores pasivos adicionales sin conexión eléctrica, que generalmente incluyen un llamado reflector y cualquier número de directores . [2] [3] [4] Fue inventada en 1926 por Shintaro Uda de la Universidad Imperial de Tohoku , Japón , [5] con un papel menor desempeñado por su jefe Hidetsugu Yagi . [5] [6]
Los elementos reflectores (normalmente se utiliza solo uno) son ligeramente más largos que el dipolo excitado y se colocan detrás del elemento excitado, en dirección opuesta a la de la transmisión prevista. Los directores, por otro lado, son un poco más cortos y se colocan delante del elemento excitado en la dirección prevista. [4] Estos elementos parásitos son típicamente elementos dipolares cortocircuitados desajustados, es decir, en lugar de una rotura en el punto de alimentación (como el elemento excitado) se utiliza una varilla sólida. Reciben y reirradian las ondas de radio del elemento excitado pero en una fase diferente determinada por sus longitudes exactas. Su efecto es modificar el patrón de radiación del elemento excitado . Las ondas de los múltiples elementos se superponen e interfieren para mejorar la radiación en una sola dirección, aumentando la ganancia de la antena en esa dirección.
También llamada antena de haz [4] y matriz parásita , la Yagi se usa ampliamente como antena direccional en las bandas de HF , VHF y UHF . [3] [4] Tiene una ganancia moderada a alta de hasta 20 dBi , [3] dependiendo del número de elementos utilizados, y una relación adelante-atrás de hasta 20 dB. Irradia ondas de radio polarizadas linealmente [3] y generalmente se monta para polarización horizontal o vertical. Es relativamente liviana, económica y simple de construir. [3] El ancho de banda de una antena Yagi, el rango de frecuencia sobre el cual mantiene su ganancia e impedancia del punto de alimentación , es estrecho, solo un pequeño porcentaje de la frecuencia central, disminuyendo para modelos con mayor ganancia, [3] [4] haciéndola ideal para aplicaciones de frecuencia fija. El uso más grande y más conocido es como antenas de televisión terrestre en tejados , [3] pero también se utiliza para enlaces de comunicación fija punto a punto, [2] radar, [4] y comunicación de onda corta a larga distancia por estaciones de radiodifusión y radioaficionados . [2]
La antena fue inventada por Shintaro Uda de la Universidad Imperial de Tohoku , Japón , [5] en 1926, con un papel menor desempeñado por Hidetsugu Yagi . [6] [7]
Sin embargo, el nombre Yagi se ha vuelto más familiar, mientras que el nombre de Uda, quien aplicó la idea en la práctica o estableció la concepción a través de experimentos, a menudo se omite. Esto parece haberse debido al hecho de que Yagi basó su trabajo en el anuncio previo de Uda [5] y desarrolló el principio del fenómeno de absorción que Yagi había anunciado anteriormente. [8] Yagi presentó una solicitud de patente en Japón sobre la nueva idea, sin el nombre de Uda en ella, y luego transfirió la patente a la Compañía Marconi en el Reino Unido. [9] Por cierto, en los EE. UU., la patente fue transferida a RCA Corporation . [10]
Las antenas Yagi se utilizaron ampliamente por primera vez durante la Segunda Guerra Mundial en sistemas de radar de Japón, Alemania, el Reino Unido y los Estados Unidos. [7] Después de la guerra, experimentaron un amplio desarrollo como antenas de televisión doméstica .
La antena Yagi-Uda generalmente consta de una serie de elementos de varilla delgada paralelos, cada uno de aproximadamente media onda de longitud. Rara vez, los elementos son discos en lugar de varillas. A menudo se apoyan en una barra transversal perpendicular o "pluma" a lo largo de sus centros. [2] Por lo general, hay un solo elemento impulsado por dipolo que consta de dos varillas colineales cada una conectada a un lado de la línea de transmisión, y un número variable de elementos parásitos , reflectores en un lado y opcionalmente uno o más directores en el otro lado. [2] [3] [4] Los elementos parásitos no están conectados eléctricamente a la línea de transmisión y sirven como radiadores pasivos , reirradiando las ondas de radio para modificar el patrón de radiación . [2] Los espaciamientos típicos entre elementos varían de aproximadamente 1 ⁄ 10 a 1 ⁄ 4 de una longitud de onda, dependiendo del diseño específico. Los directores son ligeramente más cortos que el elemento impulsado, mientras que el reflector (o reflectores) son ligeramente más largos. [4] El patrón de radiación es unidireccional, con el lóbulo principal a lo largo del eje perpendicular a los elementos en el plano de los elementos, fuera del extremo con los directores. [3]
Convenientemente, los elementos parásitos dipolares tienen un nodo (punto de voltaje de RF cero ) en su centro, por lo que se pueden unir a un soporte metálico conductor en ese punto sin necesidad de aislamiento, sin perturbar su funcionamiento eléctrico. [4] Por lo general, se atornillan o sueldan al brazo de soporte central de la antena. [4] La forma más común del elemento accionado es uno alimentado en su centro, por lo que sus dos mitades deben estar aisladas donde el brazo las sostiene.
La ganancia aumenta con el número de elementos parásitos utilizados. [4] Normalmente, se utiliza un solo reflector, ya que la mejora de la ganancia con reflectores adicionales es pequeña, pero se pueden emplear más reflectores por otras razones, como un mayor ancho de banda. Se han construido antenas Yagi con 40 directores [3] y más. [11]
El ancho de banda de una antena es, según una definición, el ancho de la banda de frecuencias que tiene una ganancia dentro de los 3 dB (la mitad de la potencia) de su ganancia máxima. El conjunto Yagi-Uda en su forma básica tiene un ancho de banda estrecho, del 2 al 3 por ciento de la frecuencia central. [4] Existe una compensación entre la ganancia y el ancho de banda, y el ancho de banda se estrecha a medida que se utilizan más elementos. [4] Para aplicaciones que requieren anchos de banda más amplios, como la televisión terrestre , las antenas Yagi-Uda suelen presentar reflectores trigonales y conductores de mayor diámetro, para cubrir las partes relevantes de las bandas VHF y UHF. [12] También se puede lograr un ancho de banda más amplio mediante el uso de "trampas", como se describe a continuación.
Las antenas Yagi-Uda que se utilizan para la radioafición a veces están diseñadas para funcionar en varias bandas. Estos diseños elaborados crean cortes eléctricos a lo largo de cada elemento (ambos lados) en cuyo punto se inserta un circuito LC ( inductor y condensador ) paralelo. Esta llamada trampa tiene el efecto de truncar el elemento en la banda de frecuencia más alta, haciéndolo de aproximadamente la mitad de la longitud de onda. En la frecuencia más baja, todo el elemento (incluida la inductancia restante debida a la trampa) está cerca de la resonancia de media onda, implementando una antena Yagi-Uda diferente . Usando un segundo conjunto de trampas, una antena "tribanda" puede ser resonante en tres bandas diferentes. Dados los costos asociados a la erección de un sistema de antena y rotor sobre una torre, la combinación de antenas para tres bandas de aficionados en una unidad es una solución práctica. Sin embargo, el uso de trampas no está exento de desventajas, ya que reducen el ancho de banda de la antena en las bandas individuales y reducen la eficiencia eléctrica de la antena y someten a la antena a consideraciones mecánicas adicionales (carga de viento, entrada de agua e insectos).
Consideremos una Yagi–Uda que consta de un reflector, un elemento excitado y un único director como el que se muestra aquí. El elemento excitado es típicamente un dipolo de 1 ⁄ 2 λ o un dipolo plegado y es el único miembro de la estructura que está directamente excitado (conectado eléctricamente a la línea de alimentación ). Todos los demás elementos se consideran parásitos . Es decir, reirradian la potencia que reciben del elemento excitado. También interactúan entre sí, pero este acoplamiento mutuo se descuida en la siguiente explicación simplificada, que se aplica a condiciones de campo lejano .
Una forma de pensar en el funcionamiento de una antena de este tipo es considerar que un elemento parásito es un elemento dipolar normal de diámetro finito alimentado en su centro, con un cortocircuito en su punto de alimentación. La parte principal de la corriente en una antena receptora cargada se distribuye como en una antena impulsada por el centro. Es proporcional a la longitud efectiva de la antena y está en fase con el campo eléctrico incidente si el dipolo pasivo se excita exactamente a su frecuencia de resonancia. [13] Ahora imaginamos la corriente como la fuente de una onda de potencia en el puerto (en cortocircuito) de la antena. Como es bien sabido en la teoría de líneas de transmisión , un cortocircuito refleja el voltaje incidente 180 grados fuera de fase. Por lo tanto, también se podría modelar el funcionamiento del elemento parásito como la superposición de un elemento dipolar que recibe energía y la envía por una línea de transmisión a una carga adaptada, y un transmisor que envía la misma cantidad de energía por la línea de transmisión de vuelta hacia el elemento de antena. Si la onda de voltaje transmitida estuviera desfasada 180 grados con respecto a la onda recibida en ese punto, la superposición de las dos ondas de voltaje daría un voltaje cero, equivalente a cortocircuitar el dipolo en el punto de alimentación (convirtiéndolo en un elemento sólido, tal como es). Sin embargo, la corriente de la onda inversa está en fase con la corriente de la onda incidente. Esta corriente impulsa la re-radiación del elemento dipolar (pasivo). A cierta distancia, el campo eléctrico re-radiado se describe por el componente de campo lejano del campo de radiación de una antena dipolo . Su fase incluye el retardo de propagación (relativo a la corriente) y un desfase de fase adicional de 90 grados. Por lo tanto, se puede pensar que el campo re-radiado tiene una fase desfasada de 90 grados con respecto al campo incidente.
Los elementos parásitos que intervienen en las antenas Yagi-Uda no son exactamente resonantes, pero son algo más cortos (o más largos) que 1 ⁄ 2 λ, de modo que la fase de la corriente del elemento se modifica con respecto a su excitación desde el elemento excitado. El llamado elemento reflector , al ser más largo que 1 ⁄ 2 λ , tiene una reactancia inductiva , lo que significa que la fase de su corriente va retrasada respecto de la fase del voltaje de circuito abierto que sería inducido por el campo recibido. El retraso de fase es, por tanto, mayor que 90 grados y, si el elemento reflector se hace lo suficientemente largo, se puede imaginar que el retraso de fase se acerque a los 180 grados, de modo que la onda incidente y la onda reemitida por el reflector interfieren destructivamente en la dirección hacia delante (es decir, mirando desde el elemento excitado hacia el elemento pasivo). El elemento director , por otro lado, al ser más corto que 1 ⁄ 2 λ , tiene una reactancia capacitiva con la fase del voltaje retrasada respecto de la corriente. [14] El retardo de fase es, por tanto, menor a 90 grados y, si el elemento director se hace suficientemente corto, se puede imaginar que el retardo de fase se acerca a cero y la onda incidente y la onda reemitida por el reflector interfieren constructivamente en la dirección de avance.
También se producen interferencias en la dirección de retorno. Esta interferencia está influenciada por la distancia entre el elemento excitado y el pasivo, porque deben tenerse en cuenta los retardos de propagación de la onda incidente (desde el elemento excitado al elemento pasivo) y de la onda reirradiada (desde el elemento pasivo de vuelta al elemento excitado). Para ilustrar el efecto, suponemos un retardo de fase de cero y 180 grados para la reemisión del director y del reflector, respectivamente, y suponemos una distancia de un cuarto de longitud de onda entre el elemento excitado y el pasivo. En estas condiciones, la onda reemitida por el director interfiere destructivamente con la onda emitida por el elemento excitado en la dirección de retorno (alejándose del elemento pasivo), y la onda reemitida por el reflector interfiere de manera constructiva.
En realidad, el retardo de fase de los elementos dipolares pasivos no alcanza los valores extremos de cero y 180 grados. Por lo tanto, los elementos reciben las longitudes y los espaciamientos correctos para que las ondas de radio radiadas por el elemento excitado y las re-irradiadas por los elementos parásitos lleguen todas al frente de la antena en fase, por lo que se superponen y se suman, aumentando la intensidad de la señal en la dirección hacia adelante. En otras palabras, la cresta de la onda hacia adelante del elemento reflector llega al elemento excitado justo cuando la cresta de la onda se emite desde ese elemento. Estas ondas llegan al primer elemento director justo cuando la cresta de la onda se emite desde ese elemento, y así sucesivamente. Las ondas en la dirección inversa interfieren destructivamente , cancelándose, por lo que la intensidad de la señal radiada en la dirección inversa es pequeña. Por lo tanto, la antena irradia un haz unidireccional de ondas de radio desde el frente (extremo director) de la antena.
Si bien la explicación cualitativa anterior es útil para comprender cómo los elementos parásitos pueden mejorar la radiación de los elementos excitados en una dirección a expensas de la otra, la suposición de un desplazamiento de fase adicional de 90 grados (adelantado o retrasado) de la onda reemitida no es válida. Normalmente, el desplazamiento de fase en el elemento pasivo es mucho menor. Además, para aumentar el efecto de los radiadores pasivos, deben colocarse cerca del elemento excitado, de modo que puedan recoger y reemitir una parte significativa de la radiación primaria.
En el diagrama adjunto se ilustra un modelo más realista de un conjunto Yagi-Uda que utiliza únicamente un elemento excitado y un director. La onda generada por el elemento excitado (verde) se propaga tanto en dirección directa como inversa (así como en otras direcciones, no mostradas). El director recibe esa onda ligeramente retrasada en el tiempo (lo que equivale a un retraso de fase de aproximadamente 45° que será importante para los cálculos de dirección inversa más adelante). Debido a la menor longitud del director, la corriente generada en el director está adelantada en fase (aproximadamente 20°) con respecto al campo incidente y emite un campo electromagnético, que retrasa (en condiciones de campo lejano) esta corriente en 90°. El efecto neto es una onda emitida por el director (azul) que está retrasada aproximadamente 70° (20° - 90°) con respecto a la del elemento excitado (verde), en este diseño particular. Estas ondas se combinan para producir la onda directa neta (abajo, derecha) con una amplitud algo mayor que las ondas individuales.
En cambio, en la dirección inversa, el retraso adicional de la onda del director (azul) debido al espaciamiento entre los dos elementos (aproximadamente 45° de retraso de fase recorrido dos veces) hace que esté desfasada unos 160° (70° + 2 × 45°) con respecto a la onda del elemento excitado (verde). El efecto neto de estas dos ondas, cuando se suman (abajo, izquierda), es una cancelación parcial. La combinación de la posición del director y la longitud más corta ha obtenido así una respuesta unidireccional en lugar de la bidireccional del elemento excitado (dipolo de media onda) solo.
Cuando un radiador pasivo se coloca cerca (a menos de un cuarto de la longitud de onda de distancia) del dipolo excitado, interactúa con el campo cercano , en el que la relación fase-distancia no está gobernada por el retardo de propagación, como sería el caso en el campo lejano. Por lo tanto, la relación de amplitud y fase entre el elemento excitado y el pasivo no se puede entender con un modelo de recolección y reemisión sucesivas de una onda que se ha desconectado completamente del elemento radiante primario. En cambio, los dos elementos de antena forman un sistema acoplado, en el que, por ejemplo, la autoimpedancia (o resistencia de radiación ) del elemento excitado está fuertemente influenciada por el elemento pasivo. Un análisis completo de un sistema de este tipo requiere calcular las impedancias mutuas entre los elementos del dipolo [15] que implícitamente tiene en cuenta el retardo de propagación debido al espaciamiento finito entre elementos y los efectos de acoplamiento del campo cercano. Modelamos el elemento número j como si tuviera un punto de alimentación en el centro con un voltaje V j y una corriente I j fluyendo hacia él. Considerando simplemente dos de estos elementos podemos escribir el voltaje en cada punto de alimentación en términos de las corrientes utilizando las impedancias mutuas Z ij :
Z 11 y Z 22 son simplemente las impedancias de punto de excitación ordinarias de un dipolo, por lo tanto 73 + j43 ohmios para un elemento de media onda (o puramente resistiva para uno ligeramente más corto, como se desea generalmente para el elemento excitado). Debido a las diferencias en las longitudes de los elementos, Z 11 y Z 22 tienen un componente reactivo sustancialmente diferente. Debido a la reciprocidad, sabemos que Z 21 = Z 12 . Ahora el cálculo difícil está en determinar esa impedancia mutua Z 21 que requiere una solución numérica. Esto se ha calculado para dos elementos dipolares de media onda exactos en varios espaciamientos en el gráfico adjunto.
La solución del sistema es entonces la siguiente. Sea el elemento excitado el que se designa como 1, de modo que V 1 e I 1 son el voltaje y la corriente suministrados por el transmisor. El elemento parásito se designa como 2 y, como está en cortocircuito en su "punto de alimentación", podemos escribir que V 2 = 0. Usando las relaciones anteriores, podemos resolver I 2 en términos de I 1 :
y entonces
Esta es la corriente inducida en el elemento parásito debido a la corriente I 1 en el elemento excitado. También podemos calcular el voltaje V 1 en el punto de alimentación del elemento excitado utilizando la ecuación anterior:
donde hemos sustituido Z 12 = Z 21 . La relación entre el voltaje y la corriente en este punto es la impedancia del punto de excitación Z dp de la Yagi de 2 elementos:
Con solo el elemento excitado presente, la impedancia del punto de excitación habría sido simplemente Z 11 , pero ahora se ha modificado por la presencia del elemento parásito. Y ahora conocer la fase (y amplitud) de I 2 en relación con I 1 como se calculó anteriormente nos permite determinar el patrón de radiación (ganancia en función de la dirección) debido a las corrientes que fluyen en estos dos elementos. La solución de una antena de este tipo con más de dos elementos procede de la misma manera, estableciendo cada V j = 0 para todos excepto el elemento excitado, y resolviendo las corrientes en cada elemento (y el voltaje V 1 en el punto de alimentación). [16] Generalmente, el acoplamiento mutuo tiende a reducir la impedancia del radiador primario y, por lo tanto, las antenas dipolo plegadas se utilizan con frecuencia debido a su gran resistencia a la radiación, que se reduce al rango típico de 50 a 75 ohmios mediante el acoplamiento con los elementos pasivos.
No existen fórmulas simples para diseñar antenas Yagi-Uda debido a las complejas relaciones entre parámetros físicos como
Sin embargo, utilizando los tipos de análisis iterativo anteriores, se puede calcular el rendimiento de un conjunto dado de parámetros y ajustarlos para optimizar la ganancia (quizás sujeto a algunas restricciones). Dado que con una antena Yagi-Uda de n elementos, hay 2 n − 1 parámetros para ajustar (las longitudes de los elementos y los espaciamientos relativos), este método de análisis iterativo no es sencillo. Las impedancias mutuas graficadas anteriormente solo se aplican a elementos de longitud λ /2 , por lo que es posible que sea necesario volver a calcularlas para obtener una buena precisión.
La distribución de corriente a lo largo de un elemento de antena real sólo se da de forma aproximada mediante la suposición habitual de una onda estacionaria clásica, lo que requiere una solución de la ecuación integral de Hallen teniendo en cuenta los demás conductores. Un análisis tan completo y exacto, considerando todas las interacciones mencionadas, es bastante abrumador, y las aproximaciones son inevitables en el camino hacia la búsqueda de una antena utilizable. En consecuencia, estas antenas son a menudo diseños empíricos que utilizan un elemento de prueba y error , a menudo comenzando con un diseño existente modificado según la intuición de uno. El resultado puede comprobarse mediante medición directa o mediante simulación por ordenador.
Una referencia bien conocida empleada en este último enfoque es un informe publicado por la Oficina Nacional de Normas de los Estados Unidos (NBS) (ahora el Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST)) que proporciona seis diseños básicos derivados de mediciones realizadas a 400 MHz y procedimientos para adaptar estos diseños a otras frecuencias. [17] Estos diseños, y los derivados de ellos, a veces se denominan "Yagis NBS".
Ajustando la distancia entre los directores adyacentes es posible reducir el lóbulo posterior del patrón de radiación.
La antena Yagi-Uda fue inventada en 1926 por Shintaro Uda de la Universidad Imperial de Tohoku , [5] Sendai , Japón , con la guía de Hidetsugu Yagi , también de la Universidad Imperial de Tohoku. [6] Yagi y Uda publicaron su primer informe sobre la antena direccional de proyección de ondas. Yagi demostró una prueba de concepto , pero los problemas de ingeniería resultaron ser más onerosos que los de los sistemas convencionales. [18]
Yagi publicó la primera referencia en inglés sobre la antena en un artículo de investigación de ondas cortas en Japón en 1928 y llegó a asociarse con su nombre. Sin embargo, Yagi, que proporcionó el concepto que originalmente era una expresión vaga para Uda, siempre reconoció la principal contribución de Uda al diseño que actualmente se reconocerá como la reducción a la práctica , y si no se considera la novedad , el nombre apropiado para la antena es, como se mencionó anteriormente, antena (o conjunto) Yagi-Uda.
La antena Yagi se utilizó ampliamente por primera vez durante la Segunda Guerra Mundial en los radares aerotransportados , debido a su simplicidad y direccionalidad. [18] [19] A pesar de que se inventó en Japón, muchos ingenieros de radar japoneses desconocían el diseño hasta finales de la guerra, en parte debido a la rivalidad entre el Ejército y la Marina. Las autoridades militares japonesas se dieron cuenta por primera vez de esta tecnología después de la Batalla de Singapur , cuando capturaron las notas de un técnico de radar británico que mencionaba "antena Yagi". Los oficiales de inteligencia japoneses ni siquiera reconocieron que Yagi era un nombre japonés en este contexto. Cuando se le preguntó, el técnico dijo que era una antena que llevaba el nombre de un profesor japonés. [20] [21] [N 1]
Se pueden ver matrices polarizadas horizontalmente en muchos tipos diferentes de aviones de la Segunda Guerra Mundial, particularmente aquellos tipos dedicados a patrulla marítima, o cazas nocturnos, comúnmente instalados en la superficie inferior de cada ala. Dos tipos que a menudo llevaban dicho equipo son el avión de la Armada estadounidense basado en portaaviones Grumman TBF Avenger y el hidroavión de patrulla de largo alcance Consolidated PBY Catalina . Se pueden ver matrices polarizadas verticalmente en las mejillas del P-61 y en los conos de morro de muchos aviones de la Segunda Guerra Mundial, en particular los ejemplos equipados con radar Lichtenstein del cazabombardero alemán Junkers Ju 88 R-1 , y el caza nocturno británico Bristol Beaufighter y el hidroavión Short Sunderland . De hecho, este último tenía tantos elementos de antena dispuestos en su parte posterior, además de su formidable armamento defensivo con torreta en el morro y la cola, y sobre el casco, que los aviadores alemanes lo apodaron fliegendes Stachelschwein , o "puercoespín volador". [22] La antena de radar experimental Morgenstern de banda VHF alemana AI de 1943-44 utilizó una estructura de "doble Yagi" a partir de sus pares de antenas Yagi en ángulo de 90° formados por seis elementos dipolares discretos, lo que hizo posible colocar el conjunto dentro de un radomo cónico de madera contrachapada cubierto de caucho en el morro de un avión, con las puntas extremas de los elementos de antena de Morgenstern sobresaliendo de la superficie del radomo, con un NJG 4 Ju 88 G-6 del vuelo de personal del ala usándolo a finales de la guerra para su radar Lichtenstein SN-2 AI. [23]
Después de la Segunda Guerra Mundial, la llegada de la radiodifusión televisiva motivó una amplia adaptación del diseño Yagi-Uda para la recepción de televisión en tejados en la banda VHF (y más tarde para la televisión UHF ) y también como antena de radio FM en zonas periféricas. Un inconveniente importante era el ancho de banda inherentemente estrecho de la Yagi, que finalmente se solucionó mediante la adopción de la matriz dipolar logarítmica periódica de banda ancha (LPDA). Sin embargo, la mayor ganancia de la Yagi en comparación con la LPDA hace que siga siendo necesaria para la mejor recepción periférica , y se han desarrollado diseños de Yagi complicados y la combinación con otras tecnologías de antena para permitir su funcionamiento en las bandas anchas de televisión .
La antena Yagi-Uda fue designada como un hito del IEEE en 1995. [10]
