LABORATORIO #05: ANTENA YAGUI

La antena   Yagi o antena   Yagi-Uda es   una antena   direccional inventada   por   el   Dr.Shintaro   Uda de 

la Universidad Imperial de Tohoku y en menor parte, el Dr.Hidetsugu Yagi (de ahí al nombre Yagi-Uda). 

Esta invención de avanzada a las antenas convencionales, produjo que mediante una estructura simple 

de dipolo,   combinada   con   elementos   parásitos   conocidos   como   reflector   y   directores,   se   pudiera 

construir una antena de muy alto rendimiento.

La invención del Dr. Uda (patentada en 1926) no fue usada en Japón en un principio, ya que el diseño 

original   de   la   antena   tenía   como  objetivo   la transmisión   inalámbrica   de   energía.   Sin   embargo   fue 

aceptada en Europa y Norteamérica, en donde se incorporó a la producción comercial, de los sistemas 

de difusión, TV y otros.

El uso de esta antena en Japón solo comenzó a utilizarse durante la Segunda Guerra Mundial, cuando 

fue descubierto que la invención de Yagi era utilizada como antena de radar por los ejércitos aliados.

LABORATORIO: EQUIPOS REQUERIDOS1. Generador de señal de RF de 750 Mhz : DTR-3 antenna Trainer2. Medidor de campo eléctrico : DTR-3 RF Detector  3. Mástil Goniómetro y pedestal Transmisor: Tranmitting Mast4. Mástil y pedestal Receptor : Receiving Mast 5. Antena Yagui con dipolo simple λ/2 (TX) :Yagui Simple dipole λ/2 6. Antena dipolo plegado λ/2 receptora : Folded dipole λ/2

EXPERIMETO 1: MEDICIONES DE POTENCIALa potencia a transmitir es función de la corriente, y de la resistencia de radiación del medio atmosférico (μ, ε) expresada por la ecuación:  

1. acerque la antena a 30 cm y gradualmente aumente el nivel de RF y observe      Las lecturas de ambos  display, deben situarse entre 20 – 35 microamperios2. alinee la marca de la flecha en el disco con cero de la escala del goniómetro.  3. desplace la antena receptora y anote las lecturas de corriente para distancias de:     60 cm, 90, 120, 150 cm4. trace el grafico: Microamperios = f(distancia). 

30 35 40 45 50 55 60 65 700

5

10

15

20

25

30

35

Series1Series2Series3

Distancia uA30 29,735 30,540 20,145 14,350 13,855 1760 20,465 1970 16,4

P tot=12I 2maxR radiacion

EXPERIMENTO 3: DIAGRAMAS DE RADIACION La figura Muestra el diagrama de radiación  de una antena Yagui 

 Para establecer el diagrama de radiación de una antena se debe medir la intensidad del campo eléctrico Y representar los valores en coordenadas polares. 

PROCEDIMIENTO1. Realice los pasos 1 al 7 del set up de antenas. 2. Gire la antena a intervalos de 10 grados y anote los valores indicado por el detector3. Convierta las lecturas de microamperios del detector en “db” según carta adjunta    De conversión de μA a db(μA)=20log(Corriente μA/1μA) 

Conclusiones

Se pudo observar la gran potencia de irradiación de la antena yagi durante el desarrollo del laboratorio

dB0 1 010 0,174532925 0,984807753 -0,00664854120 0,34906585 0,939692621 -0,02701418430 0,523598776 0,866025404 -0,06246936840 0,698131701 0,766044443 -0,11574603350 0,872664626 0,64278761 -0,19193250360 1,047197551 0,5 -0,30102999670 1,221730476 0,342020143 -0,46594831580 1,396263402 0,173648178 -0,7603297790 1,570796327 6,12574E-17 -16,21284128100 1,745329252 -0,173648178 #¡NUM!110 1,919862177 -0,342020143 #¡NUM!120 2,094395102 -0,5 #¡NUM!130 2,268928028 -0,64278761 #¡NUM!140 2,443460953 -0,766044443 #¡NUM!150 2,617993878 -0,866025404 #¡NUM!160 2,792526803 -0,939692621 #¡NUM!170 2,967059728 -0,984807753 #¡NUM!180 3,141592654 -1 #¡NUM!190 3,316125579 -0,984807753 #¡NUM!200 3,490658504 -0,939692621 #¡NUM!210 3,665191429 -0,866025404 #¡NUM!220 3,839724354 -0,766044443 #¡NUM!230 4,01425728 -0,64278761 #¡NUM!240 4,188790205 -0,5 #¡NUM!250 4,36332313 -0,342020143 #¡NUM!260 4,537856055 -0,173648178 #¡NUM!270 4,71238898 -1,83772E-16 #¡NUM!280 4,886921906 0,173648178 -0,76032977290 5,061454831 0,342020143 -0,465948315300 5,235987756 0,5 -0,301029996310 5,410520681 0,64278761 -0,191932503320 5,585053606 0,766044443 -0,115746033330 5,759586532 0,866025404 -0,062469368340 5,934119457 0,939692621 -0,027014184350 6,108652382 0,984807753 -0,006648541360 6,283185307 1 0

Por medio de los gráficos realizados se observa que la gran direccionalidad que proporciona la antena yagi

Se trabajó con distintas antenas yagi y se observó que cuanto más componentes de direccionalidad existe mejor direccionado esta la señal.

Las antenas tienen que tener la misma polarización (vertical-vertical ó horizontal-horizontal) tanto de la antena transmisora como la de la receptora.

LABORATORIO #06: ANTENA LOGARITMICA

Una antena de tipo logarítmica periódica es una antena cuyos parámetros de impedancia o de radiación son una función periódica del logaritmo de la frecuencia de operación. Con una construcción similar a la de la antena Yagui, solo que las diferencias de longitudes entre los elementos y sus separaciones siguen una variación logarítmica en vez de lineal.

La ventaja de la antena logarítmica sobre la Yagui es que aquélla no tiene un elemento excitado, sino que recibe alimentación en todos sus elementos. Con esto se consigue un ancho de banda mayor y una impedancia pareja dentro de todas las frecuencias de trabajo de esta antena.

Funcionamiento: La receptora de la señal o su región activa cambia continuamente dependiendo de la frecuencia, donde en la frecuencia más baja de operación, el elemento largo es el resonante y el resto de elementos actúan como directores. En la frecuencia más alta, el elemento más corto resuena y los otros elementos (más largos) actúan como reflectores en el centro de la banda de frecuencia.

Antena banda ancha: con dipolos resonando en diferentes frecuencias estrechas, en una misma antena, conseguimos abrir  el  ancho de banda de  la  antena.  Antena multibanda:   con dipolos   resonando en diferentes bandas, podemos obtener una antena capaz de ser multibanda.

Estas antenas pueden proveer hasta 10 dB más de ganancia que una antena de 1/4 de onda, a la vez que pueden atenuar hasta 30 dB fuentes de interferencia provenientes de otras direcciones. La longitud del 

elemento  horizontal   y   el   número  de  elementos   transversales   determinan  el   ancho  de  banda   y   la direccionalidad de la antena.

Se utilizan principalmente para transmitir señales de TV, FM y para comunicaciones militares.

OBJETIVO: REALIZAR MEDICIONES DE POTENCIA RADIADA Y DIAGRAMAS DE RADICACION DE UNA ANTENA LOGARITMICA

Es una antena que consiste de un arreglo de dipolos cuyas longitudes aumentan en forma logarítmica no tiene elementos parasíticos todos están energizados desde el dipolo de menor longitud, con el objetivo de producir un lóbulo de radiación en la dirección del dipolo de  longitud más corta longitud y así forma un haz unidireccional. La gran ventaja de este tipo de antena reside en que puede operar en diferentes bandas de RF al haber dipolos energizados de distinta longitud, por lo cual es una antena de “banda ancha”.

La relación entre la separación y la longitud de los dipolos dado por la ecuación

dn2Ln

=σ

Las   longitudes   sucesivas  de   los  dipolos   forman  una  progresión   geométrica   con  una   relación   “t”<1 llamado factor escala.

XnXn+1

=LnLn+1

=τ<1

Se define como factor auto escalable a: k=τm→m=1,2,3…

Por la anterior ecuación establecemos que el comportamiento de la antena para diferentes frecuencias 

están relacionadas por: f m=f 0 τm

Aplicando logaritmo  a esta ecuación se obtiene: log ( f m )=mlog (τ )+ log ( f o)

Esta es la ecuación de “Rumsey” que dice que la antena logarítmica es una estructura auto escalable y que son antenas aptas teóricamente independientes de la frecuencia, concepto que debe interpretarse que la antena opera en un gran ancho de banda. La ganancia comparada con una antena isotrópica es del   orden   de   12db,   y   su   diagrama   de   irradiación   de   esta   antena   es   un   diagrama   denominado “Ultra.Broadband”

EXPERIMENTO 1: MEDICIONES DE POTENCIA

La potencia a transmitir es función de la corriente, y dela resistencia de radiación del medio atmosférico (µ, ε) expresada por la ecuación:

Ptot=12I 2max Rradicion

1. Acerque la antena a 30 cm y gradualmente aumente el nivel de RF y observe las lecturas de ambos display, deben situarse entre 20-35 microamperios.

2. Alinee la marca de la flecha en el disco con cero de la escala del goniómetro.3. Desplace la antena receptora y anote las lecturas de corriente para distancias de: 60cm, 90, 

120, 150cm.4. Trace el grafico: microamperios= f(distancia).

EXPERIMENTO 3: DIAGRAMAS DE RADICACION

Trace el grafico polar en grados de rotación de la antena en función de las lecturas convertidas en dbµA

Logarítmica Array Dipolo simpleθ corriente dB corriente dB corriente dB0 30.00 29.5424251 21.1 26.4856491 29.4 29.366946610 26.60 28.4976327 16.4 24.296877 29 29.2479620 25.10 27.9934744 13.7 22.7344113 32.2 30.157117430 22.80 27.1586969 11.9 21.5109392 29.2 29.30765740 20.10 26.0639211 10.8 20.6684751 22.5 27.043650450 16.00 24.0823997 22 26.8484536 16.9 24.557734160 10.00 20 29.7 29.455129 11.2 20.984360570 7.00 16.9019608 31.3 29.9108868 1.3 2.2788670580 7.00 16.9019608 35.4 30.9800652 0.8 -1.93820026

90 4.50 13.0642503 27 28.6272753 1.2 1.58362492100 1.60 4.08239965 14.8 23.4052343 5.5 14.8072538110 1.80 5.1054501 5.4 14.6478752 16.3 24.2437521120 0.60 -4.43697499 4.3 12.6693691 13.7 22.7344113130 1.20 1.58362492 13.6 22.6707782 17.2 24.7105689140 1.70 4.60897843 31.6 29.9937417 21.2 26.5267172150 2.10 6.44438589 34.5 30.7563819 35.6 31.029160 2.80 8.94316063 29.3 29.3373524 38 31.5956719170 4.10 12.2556771 21.6 26.689075 30.2 29.6001389180 3.50 10.8813609 13.8 22.7975817 29.2 29.307657190 3.60 11.12605 6.7 16.5214961 21.8 26.7691299200 2.40 7.60422483 4.6 13.2551566 20.9 26.4029257210 1.10 0.8278537 9.9 19.9127039 13.3 22.4770328220 0.40 -7.95880017 5.9 15.4170402 10.9 20.74853230 0.50 -6.02059991 7.3 17.2664572 7.5 17.5012253240 0.80 -1.93820026 10.4 20.3406668 2.8 8.94316063250 0.50 -6.02059991 12.5 21.9382003 1.4 2.92256071260 0.50 -6.02059991 16.9 24.5577341 0.5 -6.02059991270 0.40 -7.95880017 28.2 29.0049822 0.2 -13.9794001280 0.60 -4.43697499 25.9 28.2659953 0.8 -1.93820026290 1.00 0 24.3 27.7121255 2.7 8.62727528300 3.50 10.8813609 20.3 26.1499208 6.5 16.2582671310 6.00 15.563025 15.4 23.7504144 11.3 21.0615689320 9.40 19.4625571 10.8 20.6684751 16.2 24.1903003330 15.20 23.6368718 7.2 17.1466499 20.9 26.4029257340 21.40 26.6082755 6.1 15.7065967 25.6 28.1647993350 27.00 28.6272753 5.3 14.4855174 26.7 28.5302252360 30.00 29.5424251 21.4 26.6082755 28 28.9431606

CONCLUSIONES

Se hizo mediciones de los distintos tipos de antenas y comprobar la directividad característica de cada antena.

Se vio experimentalmente que la antena dipolo λ/2 y la antena logarítmica tienen mayor directividad que las demás antenas ya estudiadas.

La antena rómbica trabaja en la bandas de low frecuency (LF) y médium frecuency (MF) ya que son antenas que funcionan en el entorno terrestre.

La antena logarítmica en la banda de high frecuency (HF), inosfera.

La antena parabólica trabaja en las bandas very high frecuency (VHF) y super high frecuency (SHF), troposfera.

LABORATORIO #07: ANTENA HELICOIDAL

Las antenas helicoidales son sumamente utilizadas en las radios portátiles de tipo walkie-talkie, como los PMR446. En efecto, el hecho de enrollar el monopolo en forma de hélice reduce sensiblemente el largo de  la  antena,   reduciéndola  a  dimensiones  razonables;  así,  una antena monopolo  vertical  que mediría  17 cm para  la banda de radioaficionados de 70 cm, mide apenas cinco o seis  en su forma helicoidal. La antena está enrollada en una vaina de caucho, lo que la hace flexible y evita que se rompa fácilmente.

Otras antenas helicoidales son utilizadas en UHF para recibir señales satelitales (1575.42Mhz). En efecto, la polarización de  la  antena helicoidal  es circular,   lo  que es  sumamente   favorable  para  la   recepción de satélites. Estas antenas se fabrican con las espiras separadas un poco menos que el diámetro mismo de la hélice.

Características principales : 

La polarización de la antena helicoidal es de tipo circular (horizontal y vertical por partes iguales).

La   impedancia   de   la   antena   hélice   es   baja.   Por   lo   tanto,   es   preciso adaptarla   a   los   50   Ohmios   de   los   transmisores   con   algún   tipo   de adaptador de impedancia.

La antena hélice es resonante a una frecuencia fundamental.

Experimento 1: Mediciones de potencia

Experimento 2: Diagramas de radicación

40 50 60 70 80 90 100 11005

101520253035

Helicoidal

Helicoidal

Antena Helicoidal

Distancia Microamperes

40 26.6

50 29.3

60 33.3

70 11.7

80 5.1

90 3.7

100 8.1

110 4.8

 

0 10 2030

4050

607080

90

100

110120

130140

150160170180190200210

220230

240250

260

270

280

290300

310320

330340

350360

0

20

40

Series1

LABORATORIO #08: ANTENA PARABOLICA

Las antenas parabólicas son antenas de alta ganancia, constructivamente disponen de una alimentador o fuente que hace que los rayos de las ondas 

Helicoidal

O corriente db

0 32.6 30.264352

10 33.6 30.5267855

20 29.6 29.4258342

30 28.1 28.9741264

40 25.3 28.0624104

50 19 25.575072

60 12.3 21.7981022

70 4.7 13.4419572

80 4.3 12.6693691

90 3.6 11.12605

100

3.2 10.1029996

110

2.5 7.95880017

120

1.9 5.57507202

130

3.6 11.12605

140

1.4 2.92256071

150

1.3 2.27886705

160

1.1 0.8278537

170

3.8 11.5956719

180

3.2 10.1029996

190

3 9.54242509

200

2.9 9.24795996

210

2.9 9.24795996

220

2.2 6.84845362

230

1.8 5.1054501

240

3.2 10.1029996

250

4.6 13.2551566

Electromagnéticas incidentes sobre el plato se reflejen en forma paralela A lo largo del eje principal. El elemento  radiante  puede ser  un  dipolo  de  λ/2    Fig1.  Otro  tipo de  antena parabólica  es   la  antena Cassegrain centrado, con un alimentador también parabólico, estas antenas son de muy alta ganancia del orden de los 60 dB. La polarización depende del alimentador Fig2

Fig 1 Fig2

De la fig 1 la relación entre la distancia focal ,  profundidad de antena y diámetro de la antena esta dado por la ecuaciones:

Donde fc es la distancia focal, D diametro del reflector, y c la profundidad. 

La ganancia de esta antena esta dado por la ecuacion:

 

Ga (dBi) = 10 log10 η [ 4 π A / λ2 ]

Siendo η la eficiencia del plato reflector que es del orden del 55%, A es el area efectiva de la apertura de la antena, y λ la longitud de onda. El ancho del Haz es mas angosto a mayor diametro del reflector, y esta dado por la  ecuacion:

Experimento 1: Mediciones de potencia

θ=70 λD

La potencia a transmitir es función de la corriente, y de la resistencia de radiación del medio atmosférico (µ, ε) expresada por la ecuación:

Ptot=12I 2max Rradicion

5. Acerque la antena a 30 cm y gradualmente aumente el nivel de RF y observe las lecturas de ambos display, deben situarse entre 20-35 microamperios.

6. Alinee la marca de la flecha en el disco con cero de la escala del goniómetro.

7. Desplace la antena receptora y anote las lecturas de corriente para distancias de: 60cm, 90, 120, 150cm.

8. Trace el grafico: microamperios= f(distancia).

A continuación mostramos la tabla de resultados de las corrientes para cada valor de las distancias; además del grafico resultante de las corrientes vs distancias Cabe resaltar que en esta experiencia se determino las mediciones de potencia de un dipolo simple para luego hacer una comparación de resultados con la antena parabólica.

λ/2 λ/2 con reflector

Distancia Microamperes Microamperes

30 31.6 31.9

40 27.1 28.1

50 21.5 29.1

60 19.8 30.2

70 8.8 18.4

80 5.4 14.2

90 9.4 15.6

100 5.3 17.7

110 2.9 9.8

Experimento 2: Diagramas de radicación

λ/2 con reflector λ/2

O corriente db corriente db

0 38 31.59567193 11.9 21.51093923

10 42.2 32.50624902 10.1 20.08642748

20 37.3 31.43417664 9.6 19.64542466

30 36.7 31.29332129 8.2 18.27627705

40 29.2 29.30765703 6.3 15.98681099

50 25.7 28.19866247 4.2 12.46498581

60 24.6 27.81870214 3.7 11.36403448

70 12.3 21.79810223 2.8 8.943160627

80 7.8 17.84189205 3.7 11.36403448

90 2.6 8.299466959 3.4 10.62957834

100 2.9 9.247959958 2.4 7.604224834

110 3.5 10.88136089 1.7 4.608978428

120 3.1 9.827233877 0.9 -0.915149811

130 1.4 2.922560714 0.7 -3.0980392

140 1.5 3.521825181 1.1 0.827853703

150 2.6 8.299466959 1.8 5.105450102

160 1.5 3.521825181 3.5 10.88136089

170 0.9 -0.915149811 4.6 13.25515663

180 0.5 -6.020599913 6.3 15.98681099

30 40 50 60 70 80 90 1001100

5

10

15

20

25

30

35

λ/2λ/2 con reflector

190 1.3 2.278867046 5.7 15.11749711

200 1.8 5.105450102 7.6 17.61627185

210 2.3 7.23455672 4.5 13.06425028

220 1.7 4.608978428 2.9 9.247959958

230 3.6 11.12605002 2 6.020599913

240 4.8 13.62482475 1.6 4.082399653

250 5.9 15.41704023 1 0

260 3.3 10.3702788 0.9 -0.915149811

270 5.8 15.26855987 1 0

280 6.7 16.52149605 1.5 3.521825181

290 8.2 18.27627705 1.7 4.608978428

300 7.9 17.95254183 2.4 7.604224834

310 8.1 18.16970038 3.7 11.36403448

320 9.9 19.91270389 3.5 10.88136089

330 14.9 23.46372537 4.5 13.06425028

340 20.7 26.31940691 8.5 18.58837851

350 30.5 29.68599679 9.4 19.46255707

360 32.1 30.13010065 10.1 20.08642748

0 10203040

50607080

90

100110

120130

140150160170180190200210220

230240

250260270

280

290300310

320330

340350360

-50

0

50 λ/2 con reflector

λ/2

INVESTIGACION COMPLEMENTARIA

Las aplicaciones de esta antena fundamentalemnte es en sistemas satelitales, sistemas mediante radares, radioastronomia, entre otros.

La antena parabólica es un tipo de antena que se caracteriza por llevar un reflector parabólico. Su nombre proviene de la similitud a la parábola generada al cortar un cono recto con un plano paralelo a la directriz. Las antenas parabólicas pueden ser usadas como antenas transmisoras o como antenas receptoras. En las antenas parabólicas transmisoras el reflector parabólico refleja la onda electromagnética generada por un dispositivo radiante que se encuentra ubicado en el foco del reflector parabólico, y los frentes de ondas que genera salen de este reflector en forma más coherente que otro tipo de antenas, mientras que en las antenas receptoras el reflector parabólico concentra la onda incidente en su foco donde también se encuentra un detector.

Tipos de antenas parabólicas:

Atendiendo a la superficie reflectora, pueden diferenciarse varios tipos de antenas parabólicas, los más extendidos son los siguientes:

La antena parabólica de foco centrado o primario, que se caracteriza por tener el reflector parabólico centrado respecto al foco.

La antena parabólica de foco desplazado u offset, que se caracteriza por tener el reflector parabólico desplazado respecto al foco. Son más eficientes que las parabólicas de foco centrado, porque el alimentador no hace sombra sobre la superficie reflectora.

La antena parabólica Cassegrain, que se caracteriza por llevar un segundo reflector cerca de su foco, el cual refleja la onda radiada desde el dispositivo radiante hacia el reflector en las antenas transmisoras, o refleja la onda recibida desde el reflector hacia el dispositivo detector en las antenas receptoras.

CONCLUSIONES

Se comprobó mediante mediciones experimentales de los diagramas de radiación que la antena parabólica es más directiva que la antena dipolo simple.

Se pudo apreciar en nuestra grafica resultante referente a las mediciones de potencia radiada que la gráfica de la antena dipolo simple y la de la antena parabólica se interceptan por un punto en común y luego ambas decaen.

Las antenas parabólicas pueden ser usadas como antenas transmisoras o como antenas receptoras.

Las antenas parabólicas suelen ser utilizadas a frecuencias altas.

Tienen una ganancia muy elevada.