Una antena Yagi-Uda , o simplemente antena Yagi , es una antena direccional que consta de dos o más elementos de antena resonantes paralelos en un conjunto de extremo a extremo ; [1] Estos elementos suelen ser varillas (o discos) de metal que actúan como dipolos de media onda . [2] Las antenas Yagi-Uda constan de un único 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 inventado 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 impulsado y están colocados detrás del elemento impulsado, en dirección opuesta a la dirección de transmisión prevista. Los directores, por el contrario, son un poco más cortos y se colocan delante del elemento impulsado en la dirección deseada. [4] Estos elementos parásitos suelen ser elementos dipolares en cortocircuito desafinados, es decir, en lugar de una rotura en el punto de alimentación (como el elemento impulsado) se utiliza una varilla sólida. Reciben y reirradian las ondas de radio del elemento impulsado pero en una fase diferente determinada por sus longitudes exactas. Su efecto es modificar el patrón de radiación del elemento accionado . 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 HF , VHF y UHF . [3] [4] Tiene una ganancia de 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 está montado para polarización horizontal o vertical. Es relativamente ligero, económico y sencillo de construir. [3] El ancho de banda de una antena Yagi, el rango de frecuencia sobre el cual mantiene su ganancia y su impedancia del punto de alimentación , es estrecho, solo un pequeño porcentaje de la frecuencia central, disminuyendo para los modelos con mayor ganancia, [3] [4] haciéndolo Ideal para aplicaciones de frecuencia fija. El uso más grande y más conocido es como antenas de televisión terrestres en tejados , [3] pero también se utiliza para enlaces de comunicación fija punto a punto, [2] radar, [4] y comunicaciones de onda corta de larga distancia por parte de 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 a menudo se omite el nombre de Uda, quien aplicó la idea en la práctica o estableció la concepción mediante experimentos. 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, y luego transfirió la patente a Marconi Company en el Reino Unido. [9] Por cierto, en Estados Unidos 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 en Japón, Alemania, el Reino Unido y los Estados Unidos. [7] Después de la guerra, vieron un amplio desarrollo como antenas de televisión domésticas .
La antena Yagi-Uda normalmente consta de varios elementos de varilla delgada paralelos, cada uno de aproximadamente media onda de longitud. En raras ocasiones, 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 único elemento impulsado por dipolo que consta de dos varillas colineales, cada una de ellas 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 espacios típicos entre elementos varían de aproximadamente 1 ⁄ 10 a 1 ⁄ 4 de longitud de onda, dependiendo del diseño específico. Los directores son ligeramente más cortos que el elemento impulsado, mientras que los 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 dipolo tienen un nodo (punto de tensión RF cero ) en su centro, por lo que pueden fijarse a un soporte metálico conductor en ese punto sin necesidad de aislamiento, sin alterar su funcionamiento eléctrico. [4] Por lo general, están atornillados o soldados al brazo de soporte central de la antena. [4] La forma más común del elemento accionado es uno alimentado por su centro, por lo que sus dos mitades deben estar aisladas donde la pluma las soporta.
La ganancia aumenta con el número de elementos parásitos utilizados. [4] Normalmente se utiliza sólo un reflector ya que la mejora de la ganancia con reflectores adicionales es pequeña, pero se pueden emplear más reflectores por otras razones, como un ancho de banda más amplio. Los Yagis se han construido con hasta 40 directores. [3]
El ancho de banda de una antena es, según una definición, el ancho de la banda de frecuencias que tiene una ganancia dentro de los 3 dB (la mitad de la potencia) de su ganancia máxima. El conjunto Yagi-Uda en su forma básica tiene un ancho de banda estrecho, entre el 2 y el 3 por ciento de la frecuencia central. [4] Existe una compensación entre ganancia y ancho de banda, y el ancho de banda se reduce a medida que se utilizan más elementos. [4] Para aplicaciones que requieren anchos de banda más amplios, como la televisión terrestre , las antenas Yagi-Uda suelen contar con reflectores trigonales y conductores de mayor diámetro, para cubrir las porciones relevantes de las bandas VHF y UHF. [11] También se puede lograr un ancho de banda más amplio mediante el uso de "trampas", como se describe a continuación.
Las antenas Yagi-Uda utilizadas para la radioafición a veces están diseñadas para funcionar en múltiples bandas. Estos diseños elaborados crean interrupciones eléctricas a lo largo de cada elemento (ambos lados), en cuyo punto se inserta un circuito LC ( inductor y condensador ) paralelo. Esta llamada trampa tiene el efecto de truncar el elemento en la banda de frecuencia más alta, haciéndolo aproximadamente de media longitud de onda. A la frecuencia más baja, todo el elemento (incluida la inductancia restante debido a la trampa) está cerca de la resonancia de media onda, implementando una antena Yagi-Uda diferente . Usando un segundo conjunto de trampas, una antena "tribanda" puede resonar en tres bandas diferentes. Dados los costes asociados al montaje de una antena y un sistema rotador encima de una torre, la combinación de antenas para tres bandas de aficionados en una sola 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).
Considere un Yagi-Uda que consta de un reflector, un elemento impulsado y un único director como se muestra aquí. El elemento accionado suele ser 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, vuelven a irradiar la potencia que reciben del elemento impulsado. También interactúan entre sí, pero este acoplamiento mutuo se ignora en la siguiente explicación simplificada, que se aplica a condiciones de campo lejano .
Una forma de pensar en el funcionamiento de dicha antena es considerar que un elemento parásito es un elemento dipolo normal de diámetro finito alimentado en su centro, con un cortocircuito a través de su punto de alimentación. La parte principal de la corriente en una antena receptora cargada se distribuye como en una antena central. 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 en su frecuencia de resonancia. [12] Ahora imaginamos la corriente como la fuente de una onda de energía en el puerto (en cortocircuito) de la antena. Como es bien conocido en la teoría de líneas de transmisión , un cortocircuito refleja el voltaje incidente con un desfase de 180 grados. Entonces, también se podría modelar el funcionamiento del elemento parásito como la superposición de un elemento dipolo que recibe energía y la envía por una línea de transmisión a una carga coincidente, y un transmisor que envía la misma cantidad de energía por la línea de transmisión de regreso a la antena. elemento. Si la onda de voltaje transmitida estuviera desfasada 180 grados con la onda recibida en ese punto, la superposición de las dos ondas de voltaje daría voltaje cero, equivalente a cortocircuitar el dipolo en el punto de alimentación (convirtiéndolo en un elemento sólido, como está). ). Sin embargo, la corriente de la onda inversa está en fase con la corriente de la onda incidente. Esta corriente impulsa la rerradiación del elemento dipolo (pasivo). A cierta distancia, el campo eléctrico rerradiado se describe mediante la componente de campo lejano del campo de radiación de una antena dipolo . Su fase incluye el retraso de propagación (relacionado con la corriente) y un desplazamiento de fase de retraso adicional de 90 grados. Por lo tanto, se puede pensar que el campo rerradiado tiene una fase de retraso de 90 grados con respecto al campo incidente.
Los elementos parásitos involucrados 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 accionado. El llamado elemento reflector , que mide más de 1 ⁄ 2 λ , tiene una reactancia inductiva , lo que significa que la fase de su corriente está retrasada con respecto a la fase del voltaje de circuito abierto que sería inducido por el campo recibido. Por tanto, el retardo de fase es superior a 90 grados y, si el elemento reflector se hace lo suficientemente largo, se puede imaginar que el retardo de fase se acerca a los 180 grados, de modo que la onda incidente y la onda reemitida por el reflector interfieren destructivamente en la dirección de avance ( es decir, mirando desde el elemento accionado 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 de voltaje retrasada respecto a la de la corriente. [13] El retraso de fase es, por tanto, inferior a 90 grados y, si el elemento director se hace lo suficientemente corto, se puede imaginar que el retraso de fase se aproxima a cero y la onda incidente y la onda reemitida por el reflector interfieren constructivamente en la dirección de avance.
La interferencia también se produce en dirección hacia atrás. Esta interferencia está influenciada por la distancia entre el elemento conducido y el pasivo, porque los retardos de propagación de la onda incidente (del elemento conducido al elemento pasivo) y de la onda rerradiada (del elemento pasivo de regreso al elemento conducido) tienen para ser tenido en cuenta. Para ilustrar el efecto, asumimos un retraso de fase de cero y 180 grados para la reemisión del director y el reflector, respectivamente, y asumimos 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 impulsado en dirección hacia atrás (lejos del elemento pasivo), y la onda reemitida por el reflector interfiere constructivamente.
En realidad, el retardo de fase de los elementos dipolares pasivos no alcanza los valores extremos de cero y 180 grados. Por lo tanto, a los elementos se les dan las longitudes y espaciamientos correctos para que las ondas de radio radiadas por el elemento impulsado y las reirradiadas por los elementos parásitos lleguen al frente de la antena en fase, de modo que se superpongan y se sumen, aumentando la señal. fuerza en la dirección de avance. En otras palabras, la cresta de la onda directa del elemento reflector llega al elemento impulsado justo cuando la cresta de la onda es emitida desde ese elemento. Estas ondas llegan al primer elemento director justo cuando la cresta de la onda es emitida desde ese elemento, y así sucesivamente. Las ondas en la dirección inversa interfieren destructivamente , anulándose, por lo que la intensidad de la señal irradiada en la dirección inversa es pequeña. Así, 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 impulsados en una dirección a expensas de la otra, la suposición de un cambio de fase adicional de 90 grados (en adelanto o en atraso) de la onda reemitida no es válida. . Normalmente, el cambio de fase en el elemento pasivo es mucho menor. Además, para aumentar el efecto de los radiadores pasivos, conviene colocarlos cerca del elemento accionado, de modo que puedan recoger y reemitir una parte importante de la radiación primaria.
En el diagrama adjunto se ilustra un modelo más realista de una matriz Yagi-Uda que utiliza solo un elemento impulsado y un director. La onda generada por el elemento impulsado (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 longitud más corta del director, la corriente generada en el director avanza 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 tiene un retraso de aproximadamente 70° (20° - 90°) con respecto a la del elemento impulsado (verde), en este diseño en particular. Estas ondas se combinan para producir la onda directa neta (abajo, derecha) con una amplitud algo mayor que las ondas individuales.
En la dirección inversa, por otro lado, el retraso adicional de la onda del director (azul) debido al espaciamiento entre los dos elementos (aproximadamente 45° de retraso de fase atravesado dos veces) hace que sea de aproximadamente 160° (70° + 2 × 45°) desfasada con la onda del elemento accionado (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 una longitud más corta ha obtenido así una respuesta unidireccional en lugar de bidireccional del elemento accionado (dipolo de media onda) solo.
Cuando un radiador pasivo se coloca cerca (a menos de un cuarto de longitud de onda) del dipolo excitado, interactúa con el campo cercano , en el que la relación fase-distancia no se rige por el retardo de propagación, como sería el caso en el campo lejano. Así, la relación de amplitud y fase entre el elemento excitado y el pasivo no puede entenderse con un modelo de recogida y reemisión sucesivas de una onda que se ha desconectado completamente del elemento radiante primario. Más bien, los dos elementos de antena forman un sistema acoplado, en el que, por ejemplo, la autoimpedancia (o resistencia a la radiación ) del elemento accionado está fuertemente influenciada por el elemento pasivo. Un análisis completo de dicho sistema requiere calcular las impedancias mutuas entre los elementos dipolares [14], lo que implícitamente tiene en cuenta el retraso de propagación debido al espaciado finito entre los elementos y los efectos de acoplamiento de 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 corrientes utilizando las impedancias mutuas Zi ij :
Z 11 y Z 22 son simplemente las impedancias ordinarias del punto impulsor de un dipolo, por lo tanto, 73 + j43 ohmios para un elemento de media onda (o puramente resistivo para uno ligeramente más corto, como generalmente se desea para el elemento impulsado). Debido a las diferencias en las longitudes de los elementos, Z 11 y Z 22 tienen un componente reactivo sustancialmente diferente. Por reciprocidad sabemos que Z 21 = Z 12 . Ahora el cálculo difícil consiste en determinar esa impedancia mutua Z 21 que requiere una solución numérica. Esto se ha calculado para dos elementos dipolo exactos de media onda con distintos espaciamientos en el gráfico adjunto.
La solución del sistema entonces es la siguiente. Deje que el elemento accionado se designe 1 de modo que V 1 y I 1 sean el voltaje y la corriente suministrados por el transmisor. El elemento parásito se designa con 2, y dado que está en cortocircuito en su "punto de alimentación", podemos escribir que V 2 = 0. Usando las relaciones anteriores, entonces, podemos resolver I 2 en términos de I 1 :
y entonces
Esta es la corriente inducida en el elemento parásito debido a la corriente I 1 en el elemento conducido. También podemos resolver el voltaje V 1 en el punto de alimentación del elemento accionado usando la ecuación anterior:
donde hemos sustituido Z 12 = Z 21 . La relación entre voltaje y corriente en este punto es la impedancia del punto de conducción Z dp del Yagi de 2 elementos:
Con sólo el elemento impulsado presente, la impedancia del punto impulsor habría sido simplemente Z11 , pero ahora ha sido modificada por la presencia del elemento parásito. Y ahora, conocer la fase (y amplitud) de I 2 en relación con I 1 como se calculó anteriormente nos permite determinar el patrón de radiación (ganancia en función de la dirección) debido a las corrientes que fluyen en estos dos elementos. La solución de una antena de este tipo con más de dos elementos se realiza siguiendo la misma línea, estableciendo cada V j = 0 para todos menos el elemento accionado, y resolviendo las corrientes en cada elemento (y el voltaje V 1 en el punto de alimentación). [15] 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, al utilizar los tipos de análisis iterativos anteriores, se puede calcular el rendimiento de un conjunto de parámetros determinado 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 trazadas 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 está dada aproximadamente por 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 cada 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 Estándares (NBS) de los Estados Unidos (ahora Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST)) que proporciona seis diseños básicos derivados de mediciones realizadas a 400 MHz. y procedimientos para adaptar estos diseños a otras frecuencias. [16] Estos diseños, y los derivados de ellos, a veces se denominan "NBS yagis".
Ajustando la distancia entre los directores adyacentes es posible reducir el lóbulo posterior del patrón de radiación.
La antena Yagi-Uda fue inventada en 1926 por Shintaro Uda de la Universidad Imperial de Tohoku , [5] Sendai , Japón , con la dirección de Hidetsugu Yagi , también de la Universidad Imperial de Tohoku. [6] Yagi y Uda publicaron su primer informe sobre la antena direccional del proyector de ondas. Yagi demostró una prueba de concepto , pero los problemas de ingeniería resultaron ser más onerosos que los de los sistemas convencionales. [17]
Yagi publicó la primera referencia en inglés sobre la antena en un artículo de 1928 sobre la investigación de ondas cortas en Japón y llegó a asociarse con su nombre. Sin embargo, Yagi, quien proporcionó la concepción que originalmente era una expresión vaga para Uda, siempre reconoció la contribución principal de Uda al diseño que actualmente será reconocido como la reducción a la práctica , y si no se considera la novedad , el nombre adecuado para la antena es, como arriba, la antena (o conjunto) Yagi-Uda.
El Yagi se utilizó ampliamente por primera vez durante la Segunda Guerra Mundial para equipos de radar aéreos , debido a su simplicidad y direccionalidad. [17] [18] A pesar de haber sido inventado 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 Armada. Las autoridades militares japonesas se dieron cuenta de esta tecnología por primera vez después de la Batalla de Singapur cuando capturaron las notas de un técnico de radar británico que mencionaba la "antena yagi". Los oficiales de inteligencia japoneses ni siquiera reconocieron que Yagi era un nombre japonés en este contexto. Cuando se le preguntó, el técnico dijo que se trataba de una antena que llevaba el nombre de un profesor japonés. [19] [20] [N 1]
Se puede ver una matriz polarizada horizontalmente en muchos tipos diferentes de aviones de la Segunda Guerra Mundial, particularmente aquellos que participan en patrullas marítimas 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 Marina de los EE. UU. Grumman TBF Avenger con base en portaaviones 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 ejemplares equipados con radar Lichtenstein del cazabombardero alemán Junkers Ju 88 R-1 y el británico Bristol Beaufighter Night. -caza y hidroavión Short Sunderland . De hecho, este último tenía tantos elementos de antena dispuestos en su espalda, además de su formidable armamento defensivo con torretas en la nariz y la cola, y encima del casco, que los aviadores alemanes lo apodaron fliegendes Stachelschwein , o "puercoespín volador". [21] La antena de radar experimental de banda VHF de IA alemana de Morgenstern de 1943-1944 utilizó una estructura de "doble Yagi" a partir de sus pares de antenas Yagi en ángulo de 90° formadas a partir de seis elementos dipolo discretos, lo que hizo posible encajar el conjunto dentro de un Radomo cónico de madera contrachapada cubierto de caucho en la nariz de un avión, con las puntas extremas de los elementos de la antena del Morgenstern sobresaliendo de la superficie del radomo, con un NJG 4 Ju 88 G-6 del vuelo del personal del ala usándolo al final de la guerra para su Lichtenstein. Radar de IA SN-2. [22]
Después de la Segunda Guerra Mundial, la llegada de la transmisión de televisión motivó una amplia adaptación del diseño Yagi-Uda para la recepción de televisión en tejados en la banda VHF (y más tarde para la televisión UHF ) y también como antena de radio FM en áreas marginales. Un inconveniente importante fue el ancho de banda inherentemente estrecho del Yagi, que finalmente se resolvió mediante la adopción del conjunto de dipolos logarítmicos periódicos de banda ancha (LPDA). Sin embargo, la mayor ganancia del Yagi en comparación con el LPDA hace que siga siendo necesario para obtener la mejor recepción marginal , y se han desarrollado complicados diseños de Yagi y su combinación con otras tecnologías de antena para permitir su funcionamiento en las bandas anchas de televisión .
La antena Yagi-Uda fue nombrada IEEE Milestone en 1995. [10]
