Diseño de Antena Yagi Uda de Doble Resonancia V1

8/18/2019 Diseño de Antena Yagi Uda de Doble Resonancia V1

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Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Díaz S, Rodríguez L, Sotomonte P, Vargas V. Diseo de antena !agi"Uda dedo#le resonancia.

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Resumen % &ste artículo 'resenta un diseo de antena!agui"Uda utilizando el método ()S *(acional )ureauStandard+. La antena de#e tra#aar en dos #andas de-recuencia, /0 a 10/ 23z 4 565/ a 78// 23z9 'or lo tantose desarrollan dos diseos 'or se'arado 4 luego con un a4udade la :erramienta 22;(;"s su distancia de se'araci=n.

La antena de#e ser directiva, con una ganancia de 57d)i, 4un nivel de re-erencia de "5/d) 4 en la -recuencia central tiene

un valor de 7 en VS?R Como resultado se dise= la antena !agi re@uerida con unas

-recuencias de resonancia en 61 23z 4 7A8/ 23z 4 se logr=una ganancia de 55.61d)i 4 anc:os de #anda de BB 23z 4!! 23z res'ectivamente.

Índice de Términos— ;ntena !agi"Uda, lculo de los di-erentes 'ar>metros de laantena como las longitudes del re-lector, los directores,el radio del so'orte 4 se'araci=n entre directores, 'aracada #anda. Luego se realiza la simulaci=n en la

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:erramienta 22;(;"scomn es el di'olo 'legado el cual es utilizado comomedio 'ara incrementar la im'edancia de la agru'aci=n@ue en general es #aa cuando se maimiza la ganancia.La antena cuenta con una serie de elementos 'ar>sitos enla direcci=n del m>imo de radiaci=n, denominadosDirectores 4 uno en la direcci=n contraria denominadoRe-lector.

&l diseo original corres'onde al 'ro-esor S.Uda de la

;ntenas 4 Pro'agaci=n, &s'ecializaci=n en elecomunicaciones 2=viles " 7/58

DS&MG D& ;(&(; !;


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Universidad de o:oEu en Ja'=n 4 -ue 'ro'uesto en losaos 517/ mediante articulo inicial 'u#licado en a'onés 'or el autor en la revista Journal o- &&&, 'ero elarticulo m>s 'o'ular -ue el escrito en inglés 'or el 'ro-esor !agi so#re el mismo tema. La antena 'ro'uesta-ue conocida 'or la comunidad cientí-ica en 517

cuando !agi visito los &&UU en un congreso del .R.&. 4 'osteriormente 'u#licada en los 'roceedings del .R.&.

Para lograr una con-iguraci=n del ti'o longitudinal*&nd-ire+ en la agru'aci=n, el tamao del elementoalimentado de#e ser ligeramente m>s 'e@ueo @ue undi'olo lamda medios, usualmente */.A6O lD; /.A1O+,mientras @ue la longitud de los elementos 'ar>sitos, en ladirecci=n del :az 'rinci'al *Directores+ De#en 'oseer longitudes en el largo de /.8O ldr /.A8O, sin em#argolos directores no necesariamente son de la mismalongitud 4 di>metro.

La se'araci=n entre directores 'uede ser esta#lecida enel intervaloQ /.KO siE /.AO 4 no necesariamente esuni-orme 'ara un diseo ='timo. La longitud delre-lector es ligeramente ma4or @ue la del di'oloalimentado 4 es cercana a O7. La se'araci=n entre eldi'olo alimentado 4 el re-lector es ma4or @ue la del 'rimer director 4 el elemento eitado. Un valor o'timo 'ara la se'araci=n di'olo ecitado 4 re-lector esta en elintervalo de /.7O dR"D; /.78O 4 la longitud delre-lector se encuentra en el intervalo /.8O lR /.878O.

La longitud de los directores es menos @ue la deldi'olo resonante, de tal manera @ue su im'edancia 'resenta un com'ortamiento ca'acitivo 4 su corrienteestar> en adelanto, 'or el contrario el re-lector 'resentauna im'edancia inductiva, 4 su corriente estar> enatrazo. La -ase total en los directores 4 en el re-lector esta determinada 'or sus longitudes, asi como 'or eles'aciado entre elementos ad4acentes. Los directores-orman una agru'aci=n con corrientes a'roimadamenteiguales en magnitud 4 -ase 'rogresiva igual @uere-uerzan el cam'o del elemento eitado :acia losdirectores. Las características e'uestas antes identi-icanla antena !agui"Uda como una antena @ue so'orta unaonda viaera. &n la 'ractica la ma4oría de las antenastienen cerca de 0 a 57 directores sin em#argo algunasagru'aciones :an sido diseadas 4 construidas con K/ aA/ elementos con tamaos :asta de 0O, con lo cual se 'uede o'tener ganancias m>imas en el intervalo 5A.d)i N 5.1 d)i, en general la ganancia @ue se 'uedeo#tener con este ti'o de antenas esta en el intervalo 1

metroscomo im'edancia, ac:o de #anda, conduce alem'eoramiento de otros comoQ ganancia, (LPS, F)R.La decisi=n de o'timizar un 'ar>metro como im'edanciao ganancia de'ende de la a'licaci=n 'articular, de talmanera @ue en a'licaciones de enlaces 'unto a 'untoterrenos, lo desea#le es o'timizar la im'edancia deentrada de la antena *z in 8/ G:m+ lo cual deteriora suganancia, mientras @ue en a'licaciones de seguimientode satelites 'e@ueos *Cu#esats+ en las #andas de V3F,UF3 es desea#le o'timizar la ganancia lo cual conduce a@ue su im'edancia se reduzca, a este res'ecto el mercadoo-rece soluciones de antenas en U3F con ganancia de:asta 5.1 d)i con 75 elementos, con 'olarizaci=ncircular si se re@uiere, as'ecto de gran im'ortancia 'araa'licaciones satelitales en la estaci=n terrena 'aragarantizar una #uena relaci=n S( 4 contrarrestar ele-ecto -aradai res'ectivamente.

MÉTODO NBS (NATONA! B"R#A" STANDARD$

&l organismo gu#ernamental americano denominado

(ational )ureau StandardW ()S 'ro'one unametodología de diseo #asado en medidas so#re 'rototi'os construidos 'ara antenas !agi"Uda 4 'resentasus resutados en el cl>sico 'ero aun :o4 día valiosodocumento, el cual 'ermite disear de una manera 'ratica este ti'o de antenas mediante una seria degra-icas 4 ta#las @ue a'ortan a in-ormaci=n necesaria 'ara determianr los valores de 'ar>metros comoQlongitud de los elementos, di>metro, se'araci=n, numerode los mismo 4 e-ecto del so'orte de la agru'aci=n, todoesto -inalmente determina la ganancia m>ima de la

misma.

2ediante este documentos se 'ueden disear 0 ti'osde agru'aciones desde 6.5d)O7 "T 5A.7d)O7 con tamaosdesde /.AO L A.7O 4 un m>imo de 56 elementos K ( 56, este material no 'uede cu#rir todos los diseos, 'ero si los mas relevantes. &l rango de di>metros @ueinclu4e va de /.//5 dO/ /./A, el elemento ecitadoes el di'olo 'legado 4 la -recuencia de medida -ue deA// 23z. &l diseo 'ro'uesto ()S, inclu4e dos -iguras


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4 una ta#la como se nota a continuaci=nQ

5 Una ta#la @ue re'resenta los 'ar>metros ='timos dediseo 'ara 0 longitudes totales 4 'ara un di>metrodel material dO/ /.//8.

a#la 5. Diseo ()S de antenas UD;

7 Una -igura @ue 'ermite com'ensar las longitudes delre-lector 4 los directores, teniendo en cuenta eldi>metro real utilizado en el diseo, 'artiendo de lata#la anterior @ue utiliza un di>metro de dO/ /.//8.

Figura 7. ;uste de tamao.

K Una -igura @ue 'ermite com'ensar el uso de unaestructura de so'orte conductores *en caso deutilizarla+. &sta -igura 'ermite determinar la longitudnecesaria en @ue de#en ser alargados los directores 4re-lector en -unci=n del radio del so'orte en el rangode /.//5 DO/ /./A.

Figura K. ;uste de tamao 'or So'orte

. PRGC&D2&(G D& DS&MG D& ; (&(;

Se 'rocede con el diseo de una antena !agi"Uda @uecon dos -recuencias de resonancia una entre /0 4 10/23z9 4 la otra entre 565/ 4 78// 23z.

Para em'ezar se realiza el c>lculo de la antena 'aracada uno de los rangos de manera inde'endiente 4 luegose realiza una o'timizaci=n donde se aco'le am#asantenas.

%A!%"!O D# &' A )' M*+

Para el c>lculo de la antena 4 con re-erencia en elmétodo ()S se disea 'ara utilizar A directores, unaganancia de 57.7d)i *ver imagen 5 A+, una línea detransmisi=n de 68G:m 4 un tu#o de aluminio de 5W.

Para calcular la -recuencia central de nuestro rango esQ

- / √ 806∗960=879.636 MHz

eniendo en cuenta @ue el anc:o de #anda de unaantena !gi"Uda en el meor de los casos est> en el

intervalo de-inido 'orQ

/./0- / tal @ue - - / 4 /./7 tal@ue - - /

Utilizando esa relaci=n :acemos una a'roimaci=n delnuevo rango, teniendo en cuenta la res'uesta @ue tieneuna antena !agi donde en la -recuencia su'erior cam#iam>s r>'ido, 'or lo @ue aseguramos la -recuencia su'erior 4 la -recuencia in-erior la deamos 'ara austarla con lao'timizaci=n9 el nuevo rango @uedaQ 1K a 101 23z.


K


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a#la 7. Longitud ='tima de elementos 'ar>sitos segn ()S.

Por ta#la tenemos una distancia entre di'olos de 5/.7O /.5861A.

Los tu#os @ue seleccionamos son de aluminio de 5Wel cual tiene K.568 mm de di>metro *a5.868 mmradio+.

O K//18/ K58.61A 5/"K

a /.//55868/.K5861 /.//8/76 O

dO /.//K568/.K5861A /./5

La ta#la est> diseada 'ara dO de /.//8 'or lo @ue sede#e realizar el auste.

&lementos sin com'ensaci=n L 5.79R /.A79 id5"A /.A79 iD7"K /.A7

Se utiliza la gr>-ica de la -igura A 'ara el auste de losvaloresQ

Figura A. -ica 'ara auste de valores

Se u#ica en la curva su'eriorQ

iXR /.A59 iD5"A /.A78 iD7"K /.A7

Se utilizara un so'orte de tu#o circular de aluminiocon D 5W K.568 mm lo cual lleva a una relaci=nQ

dO /.//K568/.K5861 5/./8A5 5/"K

Por ta#la se tiene una di-erencia de /.//0AQ

Figura 8.


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D5 5W K.568 mm

D; O7 /.K586

; *D;d5+ *5YD;d5+ /.11//A8

XD; /.A Z /.11 /.A68

Se realiza el mismo 'roceso con el rango de 565/ a78// 23z 4 tenemos los siguientes datosQ

fo=√ 1710∗2500=2067.6 MHz

RangoQ 7K/K a 78// 23zO /.577AAa /./5760

d O /./7D O /./78WR /.A10 OWD5"A /.A76 OWD7"K /.A51 OD; /.A80KK ODistancia entre di'olos/./057 m

V. S2UL;CG(&S

Para realizar las simulaciones de la antena diseada seutiliza la :erramienta 22;(;"ndolos o ale>ndolos9 'or lo tanto s=lo se :icieron 'e@ueas modi-icaciones en la longitud de los di'olosdirectivos.

A. ANTENA DE BANDA BAJA (806-960

MHZ)

Figura 0.


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Figura . Patr=n de radiaci=n de la antena de #anda #aa 'lano B[.

La :erramienta 22;(;"-icas de lacom'onente imaginaria de la im'edancia de laantena *-ica 5+, 4 a dem>s se constru4= unagr>-ica de VS?R vs -recuencia *-ica 7+

-200

-100

0

100

200

300

400

jx Antena Banda 806-960 MHz

fnal

Calculada

-ica 5. Com'onente imaginaria de la im'edancia de laantena de #anda #aa.

0

2

4

6

8

10

SWR Antena Banda 806-960 MHz

calculada

fnal

-ica 5. VS?R vs Frecuencia 'ara la antena de #anda

#aa.

GP2[;CH( ;(&(; D& );(D; );J;*/0"10/23[+

&l m=dulo de o'timizaci=n integrado en 22;(; N metro determinado 'ara así dar meor res'uesta de la antena a disea. Se

de#e tener en cuenta @ue al momento de realizar este 'roceso 'uede eistir em'eoramiento en otros 'ar>metros, 4a @ue siem're eistir> un costo al momentode @uerer o#tener meores resultados.

Parametro impedancia ZQ


0


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Figura 1. Par>metro [ sin o'timizar 'ara #anda #aa.

Figura 5/. Par>metro [ o'timizado 'ara #anda #aa.

ObservaciónQ De acuerdo a las -iguras 1 4 5/, esconsidera#le la variaci=n @ue eiste de la res'uesta enim'edancia, 4a @ue antes de la o'timizaci=n el valor dela com'onente resistiva en la -recuencia de corte esta#aen el orden de los K8 o:mios, mientras @ue una veze-ectuado la o'timizaci=n las com'onentes varían demanera signi-icativa, tal como el coe-iciente resistivo esdel orden de los 5A o:mios.

Parámetro VSWL (ROE):

Raz=n de onda estacionaria 'ara la antena de #anda #aa.

Figura 55. VS?R *RG&+ sin o'timizar 'ara la antena de #anda #aa.

Figura 57. VS?R G'timizado 'ara la antena de #anda #aa.

Observación: La relaci=n de onda estacionaria se vere'resentada en las -iguras 55 4 57. Se o#serva @ue antesde la o'timizaci=n la antena esta resonando en la-recuencia de 18/2:z, adem>s con un valor de 7 enVS?R. 2ientras @ue luego de ser o'timizada la antena,el nivel de VS?R aumenta a valores a'roimados a K enla -recuencia de 18/2:z, esto indica @ue eiste unama4or relaci=n de onda re-leada 'or ende lao'timizaci=n em'eora este 'ar>metro.

Parámetro Ganancia/!:


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Figura 5K. s directiva, su 3P)? disminu4e 4 larelaci=n Front o )acE aumenta. Por esta raz=n esnecesario tener claro la a'licaci=n re@uerida 4 @ué 'ar>metros ser>n alterados.



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B. ANTENA DE BANDA ALTA (1710-2500

MHZ)

Figura 56. metros como la longitud de losdi'olos directores a ensa4o 4 error se logr= aumentar laganancia de 55.60d) a 57./0d)Q

am#ién se o#tuvieron las gr>-icas de lacom'onente imaginaria de la im'edancia de laantena *-ica K+, 4 a dem>s se constru4= unagr>-ica de VS?R vs -recuencia *-ica A+

-100

-50

0

50

100

150

jx Antena Banda 110-2500 MHz

Calculada

!"nal

-ica K. Com'onente imaginaria de la im'edancia de laantena de #anda #aa.


1


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0

2

4

6

8

10

SWR Antena Banda 110-2500 MHz

calculad#

fnal

-ica A. VS?R vs Frecuencia 'ara la antena de #anda #aa.

GP2[;CH( ;(&(; D& );(D; ;L;

*565/"78//23[+

&l m=dulo de o'timizaci=n integrado en 22;(; N metro determinado 'ara así dar meor res'uesta de la antena a disea. Sede#e tener en cuenta @ue al momento de realizar este 'roceso 'uede eistir em'eoramiento en otros 'ar>metros, 4a @ue siem're eistir> un costo al momentode @uerer o#tener meores resultados.

Parametro impedancia ZQ

Figura 7/. Par>metro [ sin o'timizar 'ara #anda ;L;.

Figura 75. Par>metro [ o'timizado 'ara #anda ;L;.

ObservaciónQ &n cuanto a la im'edancia se 'uedea'reciar @ue los valores de la misma antes de realizar el 'roceso de o'timizaci=n son un 'oco m>s altos @ue

des'ués de realizados, la variaci=n de los valores no esmu4 grande 'or lo @ue se 'uede deducir @ue el diseoinicial @ue se realiz= de la antena se encuentra #ienela#orado 4 cercano al com'ortamiento ideal dedesarrollo de la misma.

Parámetro VSWL (ROE):

Raz=n de onda estacionaria 'ara la antena de #anda #aa.

Figura 77. VS?R *RG&+ sin o'timizar 'ara la antena de #anda;L;.


5/


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Figura 7K. VS?R G'timizado 'ara la antena de #anda ;L;.

Observación: nicialmente la antena se encuentra convalores de VS?R 7/1/ 2:z 4 77//2:z, cuando serealiza el 'roceso de o'timizaci=n con a4uda de so-tare

el intervalo donde el VS?R es 7/1/2:z a 757/2:za'roimadamente, se 'uede a'reciar @ue las -recuenciasdonde resuena la antena o'timizada son menores.

Parámetro Ganancia/!:

Figura 7A.


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Figura 76. Cam'o Distante G'timizado 'ara la antena de #anda;L;.

Observaciones: ;l momento de realizar el 'roceso deo'timizaci=n de la antena se 'uede ver @ue la ganancia

de la misma aumenta de 55. a 57 4 el com'ortamientode la relaci=n delante atr>s de la misma se esta#lecemeor disminu4endo los l=#ulos 'osteriores. Laim'edancia de la antena a un -recuencia de 77// reducesu 'arte imaginaria contri#u4endo a @ue la misma seam>s resonante.

V. (&


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Figura K5. Patr=n de Radiaci=n de antena com'leta 'ara -recuenciaalta.

La 'rimera modi-icaci=n @ue se realiza es mover losdi'olos 'ro'orcionalmente a través de todo el so'orte,esto con el -in de a4udar con la directividad de la seal9

se toma distancias desde el D; 4 desde el 'rimer di'olo4 se modi-ica la se'araci=n entre ellos teniendo encuenta la se'araci=n entre di'olos calculada en el diseo, 'ero los resultados no -ueron -avora#les donde alrealizar la se'araci=n de ellos la directividad de la sealem'eoro en cual@uiera de los casos, incluso daando laseal en -recuencia #aaQ

Se analiza 4 eisti= una meor directividad cuando losdi'olos de la -recuencia alta esta#an untos 'or lo @ue seunen nuevamente 4 se modi-ica su longitud, lo cual solo

nos a-ecta la -recuencia de resonancia 'ero no meor aldirectividad así @ue em'ezamos a analizar la relaci=nentre los directores 4 el D; 4 el re-lectos, encontrandoasí la soluci=n de la directividad 'ero se esta#a aa-ectando la seal de -recuencia #aa 'or lo @ue se tuvo@ue llegar a un 'unto medio donde ninguna de las

seales seria o'tima 'ero am#as tendrían su meor e'resi=n en esta antena9 'or lo @ue se acerco, 'ero nomuc:o, el re-lector, el D; 4 el 'rimer director de-recuencia #aa 4 en cuanto a los di'olos de -recuenciaalta se distri#u4eron en medio de los de -ecuencia #aa4a @ue se evidencio @ue meora#a su S?RQ

La antena @ueda resonando en la -recuencia de 1623z a'roimadamente con un S?R de 5.K1 4 unaganancia de 6.71d)i la cual -ue una de las características

@ue tuvimos @ue sacri-icar. Para el caso de las-recuencias altas, la antena resuena en la -recuencia de511/ 23z a'roimadamente con un S?R de 5.7 4 unaganancia de 0.5K d)i.


5K


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V.CG(CLUSG(&S

; (&BGS

Se anean los arc:ivos corres'ondientes a lasimulaci=n en la :erramienta 22;(;"

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