Proyecto de Investigación sobre Antenas Ver. 2.0

FACULTAD DE CIENCIAS“PROYECTO DE INVESTIGACIÓN SOBRE ANTENA YAGI EN GUIA DE ONDA” DESARROLLO DEL APRENDIZAJE MTRA. ANEL PUENTE LOREDO ESQUERRA IBARRA HUÁSCAR WALDEMAR FECHA: 16 DE MAYO DE 2011. [0] Índice Prólogo..……………………………………………………………… Introducción………………………………………………………….. Capítulo I. Aplicaciones de Telecomunicaciones en la banda UHF …. Capítulo II. Revisión de los Textos ………………………………….. Capítulo III. Definiciones y conceptos sobre antenas……………….. Capítulo IV. Desarrollo y Diseño……………………………………. Capítulo V. Pruebas y Resultados …………………………………… Capítulo VI. Conclusiones …………………………………………… Bibliografía…………………………………………………………… Pág. 2 Pág. 3 Pág. 6 Pág. 10 Pág. 13 Pág. 19 Pág. 22 Pág. 27 Pág. 28 [1] el diseño. el reflector y los directores. se optó por realizar una antena con características especiales. ya que algunos parámetros como ancho de banda y ganancia dependen de estos elementos parásitos de la antena Yagi. [2] . Después se construyó una de las configuraciones diseñadas y simuladas. El primer paso fue comprender los conceptos básicos de antenas. Una vez que se obtuvieron las mejores características se continuó con el diseño de los demás elementos de la antena.Prólogo El trabajo de investigación que se presenta a continuación está formado por tres etapas. sus características y modelos y aprender a utilizar simuladores de ondas electromagnéticas. que nos permitieran modificar los elementos parásitos de la antena. pero al no obtener buenos resultados en las mediciones experimentales. tales como antenas. También temas muy específicos de antenas. la construcción y la caracterización de antenas Yagi para la banda de UHF (300MHz . y con esto el desempeño de la antena. así como conocer algunas de las aplicaciones que trabajan con frecuencias de la banda de UHF. A continuación se comenzó con el diseño. la división del espectro electromagnético y el de radiofrecuencia.3GHz). formado por una fuente que es la que brinda la información a transmitir. ya que las frecuencias que se encuentran dentro de este espectro tienen la característica de que si se [3] . un transmisor. y también para cosas tan pequeñas como poder comunicarnos con nuestros amigos en otros continentes. etc. pero si queda alguna duda podemos ver el crecimiento de las comunicaciones inalámbricas hoy en día: A diferencia de cualquier otro servicio en el planeta. el receptor y el destino. Arquitectura de un sistema genérico de comunicaciones. el canal.Introducción “La mayoría de las aplicaciones de la electrónica buscan la transmisi ón de la información y la teoría de la relatividad nos dice que no hay otra forma más rápida para transmitir esta información que por medio de ondas electromagnéticas”. Al final del proyecto se muestra como en base a algunos de los parámetros es como al final de la investigación práctica. impráctico o hasta imposible. para el desempeño de actividades diarias en las ciudades. ya que. Podemos ver que existe una fuente de ruido dentro del canal. La parte del espectro electromagnético que se utiliza para las comunicaciones inalámbricas es el espectro de radiofrecuencia que abarca desde los 30 KHz hasta los 30 GHz. las comunicaciones inalámbricas son ya necesarias para el funcionamiento de empresas. y con esto su costo. Hoy en día las comunicaciones mundiales necesitan de una transmisión y recepción de información de manera confiable y de calidad. que es el que recibe la información transmitida. su versatilidad. Con todo lo anterior es inminente la justificación que tiene la realización de este proyecto. Esto lo logran con el conocimiento acerca de la transmisión y recepción de las ondas electromagnéticas. i Lo anterior es real ya que en algunos casos el tender una línea de cable o de fibra óptica es difícil. Es por eso que las antenas son el instrumento ideal para transmitir información. Figura 1. y poder diseñar antenas de la mejor calidad y que sean adecuadas para muchas aplicaciones. se definirán qué relación tienen los parámetros de la antena Yagi.. podemos variar su tipo. A continuación podemos describir de manera general un sistema de comunicaciones como se muestra en la Figura 1. además de que el receptor y el emisor no necesitan estar conectados físicamente. para el abastecimiento de recursos a los países a través de medios marítimos y aéreos. sus parámetros. Los elementos directores dirigen el campo eléctrico. Entonces ahora describimos el tipo de arreglo de antena que se estudió en este proyecto de investigación. RFID. o que conectado a una impedancia. Ahora bien. sirve como receptor de onda de una fuente lejana. de trompeta. esto debido a que hay una demanda creciente en aplicaciones de ondas milimétricas y de banda ultra-ancha. Y éstas son idénticas a la corriente original de la antena transmisora. Así dentro del espectro de radiofrecuencia se encuentra la banda de frecuencias ultra altas (UHF – Ultra High Frequency) que corresponde a frecuencias entre los 300 MHz y los 3 GHz. En esta banda podemos encontrar aplicaciones múltiples como televisión. así esta corriente genera un campo electromagnético en el espacio libre. permite la emisión de ondas de radio frecuencia. Figura 2. Funciona cuando la potencia de radio frecuencia que la antena emite genera una pequeña corriente. de lazo. Esquema general de una antena Yagi. de apertura. helicoidal. radar. puntos de venta y verificadores de precios. es una antena conformada por varios elementos que pueden ser: directores. podemos definir una antena como un dispositivo formado de un material conductor que. unido a un generador. la antena Yagi.aplica una corriente alterna a una antena. A continuación se mencionan los tipos de antenas que existen como son: dipolar. comunicaciones punto a punto (en el capítulo 2 se especifican las frecuencias de operación de estas aplicaciones). Además de que hoy en día este tipo de arreglo tiene un gran futuro en las comunicaciones. Un esquema general de la antena Yagi se muestra a continuación. de microstrip. ondas milimétricas. y una vez que se tiene el elemento activo se obtienen los demás elementos que conformarán la antena. Para realizar este arreglo primero se tiene que diseñar el elemento activo que es un dipolo que funcione a la frecuencia deseada. telefonía móvil. Entre los arreglos más importantes podemos encontrar la antena Yagi y la logarítmica. Este campo electromagnético induce pequeñas corrientes en el conductor que alcance. Este futuro promisorio se debe también a que los efectos de pérdidas por propagación pueden ser reducidos a través de diferentes técnicas como lo es la recepción de línea de vista de ondas a ángulos laterales para video inalámbrico. aplicaciones militares. ésta es capaz de generar un campo electromagnético donde se puede transmitir información de manera inalámbrica. los activos radian el campo y los reflectores lo reflejan. de reflexión y arreglos de antenas. activos y reflectores. [4] . 8 GHz.redes de sensores ad-hoc. [5] . Esto nos habla de que esta antena puede ser utilizada como puente entre dos redes o para comunicaciones punto a punto. y links punto-multipunto de banda ancha. incluso para aplicaciones WLAN a 5. como la representación de una onda física. Sus unidades serás las de la onda. tiempo que tarda en completar un ciclo completo.Capítulo I. ω = frecuencia angular. 3 Sus unidades serán m . Su magnitud está relacionada con la longitud de onda: Ec. Está relacionado con otros parámetros por: [6] -1 . relacionada a la frecuencia de la onda (f) y a la longitud de onda (λ): Ec. relacionada a la frecuencia de onda: Ec. 1 Donde: ν = velocidad de propagación de la onda κ = factor de amortiguamiento La función más simple que satisface la ecuación de onda es una sinusoidal en una dimensión espacial. k = Número de onda de una dimensión. Valor máximo de ésta. llamada también “onda armónica” : Ec. Aplicaciones de Telecomunicaciones en la banda UHF 1. 5 T = periodo de la onda. esta función debe satisfacer la ecuación de onda: Ec. t). en unidades de s -1. y medido en segundos. y vector de onda en las tres espaciales. 2 Donde: A = Amplitud de la onda. Apunta en la dirección de propagación de la onda. y en general puede ser función de las coordenadas espaciales y el tiempo.1 Transmisión de ondas electromagnéticas (Características)  Definición Lo primero que es necesario definir en este capítulo es una onda electromagnética. 4 Las unidades de la velocidad de propagación son m/s. Podemos decir que se considera una función matemática. f(r. v = velocidad de propagación de la onda. Las ondas transversales son en las que la perturbación es en dirección perpendicular a la dirección de propagación. 6 φ = Ángulo de fase. Ec. pero matemáticamente es más fácil tratarlas como ondas planas. Figura 1. para propósitos del tema del proyecto es suficiente clasificarlas en dos grupos generales: longitudinales y transversales. 2. también se puede escribir entonces: Ec. con respecto a otra. Basados en el análisis de Fourier. la perturbación se extiende en dirección radial desde el punto en donde se origina.1. podemos hacer combinaciones lineales de onda viajando a la derecha y a la izquierda. En realidad las ondas electromagnéticas son esféricas. Una onda armónica. propagándose a lo largo del eje y. signo negativo en el término (y – vt) indica que la onda se propaga a la derecha. y debe cambiar a positivo para una que se propaga hacia la izquierda. 7  Clasificación de Ondas Las ondas reales pueden clasificarse de varias maneras. Indica qué tanto está atrasada una onda. Las ondas longitudinales son aquellas en las que la perturbación es en la misma dirección que la de propagación. En general. Es una cantidad adimensional. [10] [7] . en relación al tiempo o a la posición. en todas direcciones. sin embargo. podemos afirmar que cualquier onda se puede representar por una suma de funciones sinusoidales (senos y cosenos).Ec. por lo que podemos obtener toda la información necesaria usando esta simple función. Onda plana y onda esférica. son las frecuencias en las cuales al aplicarle una corriente alterna a una antena.2 Definiciones y conceptos sobre las diferentes aplicaciones en UHF El espectro electromagnético es aquel conjunto de ondas electromagnéticas que existen con diferentes frecuencias y diferentes longitudes de onda. Algunas Aplicaciones en UHF  Telefonía móvil: o Europa: 500 MHz (Radiocom 2000 en Francia y NMT en Escandinavia) o GSM : 900 MHz o DCS: 1800 MHz [8] . Radar Microondas FM. f (Hz) 1022 1018 1016 1015 1014 1013 1011 1010 109 108 107 106 105 104 101 Radiación Rayos Gamma Rayos X Ultravioleta Lejano Ultravioleta Cercano Visible Infrarrojo Ondas Milimétricas Comunicación Satelital Telefonía Celular.1. Servicios Onda Larga Energía Eléctrica λ (m) 3 × 10 -14 3 × 10 -10 3 × 10 -8 3 × 10 -7 3 × 10 -6 3 × 10 -5 3 × 10 -3 3 × 10 -2 3 × 10 -1 3 × 10 0 3 × 10 1 3 × 10 2 3 × 10 3 3 × 10 4 3 × 10 7 Figura 1. Dentro del espectro electromagnético se encuentra el espectro de RF (Radio Frecuencia) que como ya se había mencionado en el capítulo anterior. Banda Civil RF Policía.Low Frequency (frecuencias bajas) MF .2 Tabla del Espectro Electromagnético. Está conformado por las ondas de radio. A continuación se muestra la tabla del espectro electromagnético. TV AM.Medium Frequency (frecuencias medias) HF .High Frequency (frecuencias altas) VHF -Very High Frequency (frecuencias muy altas) UHF -Ultra High Frequency (frecuencias ultra altas) SHF -Super High Frequency (frecuencias súper altas) Longitud de onda (λ) 10 Km a 1 Km 1 Km a 100 m 100 m a 10 m 10 m a 1 m 1m a 10cm 10 cm a 1 cm Figura 111. ésta produce un campo electromagnético en el cual se pueden transmitir datos. es decir las que se utilizan para las telecomunicaciones. TV. Frecuencia (f) 30 KHz a 300 KHz 300 KHz a 3 MHz 3 MHz a 30 MHz 30 MHz a 300 MHz 300 MHz a 3 GHz 3 GHz a 30 GHz Banda LF .3 Tabla del Espectro Radioeléctrico. En los últimos años la telefonía celular ha tenido un desarrollo impresionante.     o GSM en América: 1. esto debido a que a diario forma importa nte de la vida de las personas.9 GHz (PCS1900) Televisión: 512 MHz – 806 MHz (Canales 14 – 69). OTAN     Antenas para Aplicaciones de Tránsito y Ferroviarias RFID’s en tarjetas de crédito y matrículas de coches Aplicaciones militares Comunicaciones de punto a punto 1. [13] Radar Puntos de venta y verificadores de precios Microondas: EUA       Banda L: 800 MHz – 1. [12] Radio: Radioaficionados en EU y Europa: 430 MHz.3 Evolución de servicios de UHF Una de las aplicaciones en donde las antenas han tenido mayor demanda ha sido la telefonía celular. [9] . 440 MHz y 1200 MHz.5 GHz: Long wave (onda corta) Banda S: 2 GHz – 4 GHz: Short wave (onda larga) Banda B: 250 MHz – 500 MHz Banda C: 500 MHz – 1 GHz Banda D: 1 GHz – 2 GHz Banda E: 2 GHz – 3 GHz UE. o en largos recorridos de líneas coaxiales.1A la fuente irradia hacia el espacio libre y se extiende en función de la distancia.5 y ampliamente utilizada como una antena de recepción de televisión. [10] . la analogía del tubo de luz resume claramente. ¿qué es una guía de onda? Considerando una analogía de un tubo de luz. Una linterna nos sirve de "fuente de RF". que no es del todo razonable. Los elementos parásitos se montan cerca del dipolo impulsado y no están conectados directamente a la fuente. o cuando los niveles de alta potencia sobrecalienten el cable coaxial. Carr) Las pérdidas en líneas coaxiales de transmisión a grandes distancias son motivo de preocupación. Por lo tanto. ilustrado en la Figura 3. Normalmente. en el destino (una pared). La forma clásica de la antena es la Uda-Yagi. Si la longitud y posición de los elementos parásitos son elegidos apropiadamente. produciendo un aumento de la directividad. debido a que las pérdidas aumentan. entonces la radiación de los parásitos y el elemento activo añadir constructivamente en una sola dirección. pero ahora se limita al interior de un tubo de espejo. para permitir un buen partido de 50Ω. 2. a frecuencias de microondas más altas. Un arreglo Yagi de 4 directores puede tener una ganancia de hasta alrededor de 12 dBi. a pesar de la mejora disminuye en cuanto el director se maleja del elemento activo. y un elemento muy cerca de λ /2 se coloca detrás y se llama reflector. o simplemente la antena Yagi. 2. incluso por bajas que sean como en la región de los 400 MHz. la operación de guías de onda de microondas. Casi toda la energía se entrega al final de la salida. Pero ahora consideremos la figura 2. En cambio. En la figura. llamado directores. las pérdidas por atenuación son inaceptables. está en función de la distancia (D) de acuerdo a la ley del inverso del cuadrado (1/D2). Pero.1B La onda de la luz se propaga hasta la distancia D. representado en la figura. La intensidad por unidad de superficie. disminuye la capacidad de manejo de energía a altas frecuencias. por lo que las guías de onda se utilizan en lugar de líneas de transmisión. Revisión de los Textos (Simon R. el elemento activo que se haga un poco más cortas que λ /2. en un nivel simple. Aunque no es perfecta. 2.Capítulo II.2 Microwave waveguides and antennasiii (Joseph J. el campo de radiación del elemento activo induce corrientes en los parásitos. donde la intensidad prácticamente no ha disminuido. haciendo que se irradian a su vez. Además. Aumentar el número de directores aumenta la ganancia.1 Parasitic Elements: Uda–Yagi Antennasii Otro enfoque conjunto basado en la mejora de la directividad de antenas dipolo es utilizar elementos parásitos. Los elementos de la dirección de radiación.1. se hacen un poco más cortos que el elemento conductor. Saunders) 2. 2 Configuración de antena Yagi Uda. La primera investigación realizada sobre antenas Yagi Uda fue desarrollada por Shintaro Uda en la Universidad de Tohoku en Sendai. en 1926. 2. Figura 2. El arreglo Yagi Uda es ampliamente utilizado como antena de televisión casera. no así para el público en general.2. y esto se logra teniendo los elementos parásitos delante del haz como directores mientras que los elementos posteriores actúan como reflectores. VHF y UHF es la antena Yagi Uda. Este radiador está diseñado exclusivamente para funcionar como un arreglo de radiación longitudinal. [11] . mientras que el otro acto como radiadores parásitos cuyas corrientes son inducidas por acoplamiento mutuo. 2.3 Yagi Uda Array of Linear Elementsiv (Constantine A. El elemento más común para alimentar a una antena Yagi Uda es un dipolo doblado. así que debe ser familiar para la mayoría de los lectores. Yagi. Balanis) Otro radiador muy práctico en las gamas HF.1 Analogía de una guía de onda con un tubo de luz. Japón. y fue publicada en japonés entre 1926 y 1927. El trabajo de Uda fue revisado en un artículo escrito en inglés en 1928 por el profesor de Uda: H. Esta antena consiste en una serie de elementos dipolo lineal. como se muestra en la Figura 2.4 Yagi Uda Antennas (Warren L. Stutzman) Las antenas Yagi Uda (o simplemente Yagi). uno de los cuales se activa directamente por una línea de transmisión de alimentaci ón. son muy populares por su simplicidad y relativamente alta ganancia.D A Haz difuso grande "Tubo de luz" B Haz difuso pequeño Figura 2. Figura 2. como se muestra en la figura 2. Se ha encontrado que más de un reflector provee de una pequeña mejora. al agregar más conductores incrementa la ganancia. Consideremos un elemento activo que es un dipolo resonante de media longitud de onda. [12] .3 Configuración de antena Yagi Uda. Por lo general. se excita por el elemento activo con una amplitud más o menos igual.La unidad básica de una Yagi constará de tres elementos. Un considerable trabajo teórico y experimental se ha realizado para ampliar el arreglo Yagi más allá de la unidad base de tres elementos. un arreglo Yagi incluye varios conductores. Si un elemento parásito es espaciado muy cerca de él. Para comprender los principios de operación para de tres elementos Yagi vamos a comenzar con un elemento activo (o "conductor") y añadir los parásitos a la matriz. Por otra parte.3. microstrip o línea de transmisión.         Patrón de radiación Potencia radiada Intensidad de radiación Anchos de haz Resistencia de radiación Directividad Eficiencia Ganancia Patrón de radiación Es la representación tridimensional del valor promedio del vector de Poynting asociado a una antena.1 Patrón de radiación para una antena. se llaman laterales o posteriores. regiones cerradas donde la radiación es continua. Si hay más lóbulos se llaman secundarios y dependiendo la posición donde se presenten. 3.2 Parámetros de diseño y caracterización de antenas A continuación se enlistan los parámetros de diseño más importantes de una antena y se define cada uno de ellos. Definiciones y conceptos sobre antenas 3. [13] . en ondas radiadas. viajando por el espacio libre o viceversa. Se divide en “lóbulos”.1 Definición de antena Definición de antena Como primera definición tenemos que una antena es un dispositivo que convierte las ondas dirigidas presentes en una guía de onda. El lóbulo con la mayor parte de la radiación es el lóbulo principal y puede haber más de uno con igual magnitud. Figura 3.Capítulo III. esto se logra con un diseño adecuado. Los lóbulos están separados por puntos donde no hay radiación llamados “nulos” del patrón de radiación. Para ciertas aplicaciones es requerido reducir la magnitud de los lóbulos secundarios. Sus unidades son W/steradian.3. por una antena en dirección dada por unidad de ángulo sólido. como se muestra en la Figura 3. Anchos de haz [14] . y está definida de la siguiente manera: Ec. 8 La potencia radiada es una cantidad compleja. La región entre estos dos campos es la del campo intermedio. la parte real es la potencia radiativa (Prad) y la parte real es la potencia reactiva (Px). donde las magnitudes de las dos componentes de potencia son similares. Intensidad de radiación Es la potencia radiada. en el campo lejano la potencia es fundamentalmente radiativa y se puede transmitir al medio. La potencia radiativa se transfiere a un medio y la reactiva no. de igual manera se muestra en la Figura 3. 9 Donde: U = Intensidad de radiación r = Radio de la superficie de la que se calcula la intensidad de radiación S = Densidad de potencia Anchos de haz Hay algunos parámetros que ayudan a comparar los patrones de radiación y están definidos como sigue: Ancho de haz entre los primeros nulos (FNBW): Es el tamaño angular del lóbulo principal. v Figura 3. Ec.Potencia radiada Es la integral del vector de Poynting en una superficie cerrada que envuelve totalmente la fuente de radiación (antena).3.3. parte real de la potencia. Ésta última no se puede aprovechar para transmitir energía. En el campo cercano la mayor parte de la potencia es reactiva y no hay transferencia al medio. Ancho de haz de media potencia (HPBW): medida angular en la cual se radía el 50% de la potencia. el material del que está hecha o en general el diseño que se utilizó para fabricarla. 11 3. definida por: Ec. [15] . una resistencia de radiación RR y una resistencia perdida R1. Esto ya que cada uno de los elementos del arreglo contribuye a mejorar las características de la antena. La parte resistiva de la impedancia de la antena es en dos partes.Resistencia de radiación El circuito equivalente de un transmisor y su antena asociada es mostrado en la Figura 3. Para tener una máxima transferencia de potencia se debe de acoplar la impedancia de entrada con la de la línea de transmisión.” La directividad D de una antena. Resistencia de radiación Directividad La definición literal de la directividad es: “razón de la intensidad de radiación en una dirección dada a la intensidad de radiación promediada en todas direcciones. Es una componente ficticia como se muestra en el circuito a continuación: Figura 3.4.4. La potencia disipada en la resistencia de radiación. en las mejoras o cambios que se quieren realizar. 10 Eficiencia Medida de las pérdidas de potencia en una antena por:  Disipación en conductores y dieléctrico  Reflexión por mal acoplamiento  Polarización inadecuada  Área eléctrica menor a la física 0≤e≤1 Ganancia La ganancia de una antena es el producto de la directividad por la eficiencia: Ec. si se utiliza un arreglo de antenas. es una función de la dirección. Pero en algunas ocasiones se obtienen mejores resultados.3 Arreglos de antenas (Ventajas y Características) Cuando se desea mejorar alguna o varias de las características de una antena se pueden modificar sus dimensiones físicas. Los elementos en la dirección de la radiación. Figura 3. son hechos un poco más pequeños que el elemento conductor. llamados directores. Incrementando el número de directores incrementa la ganancia. En el caso de antenas Yagi largas. Al mismo tiempo. Típicamente el elemento conductor (activo) está hecho un poco más corto que λ/2. y un elemento muy cercano a λ/2 está situado a un lado y es llamado reflector. Ya que la forma completa de una antena logarítmica no puede ser especificada solamente por ángulos. pero con un considerable sacrificio en la ganancia de la antena. Los elementos parásitos son montados cerca al dipolo conductor y no están conectados directamente a la fuente. El análisis convencional el cual considera la antena Yagi estrictamente como una antena resonante es adecuado para el diseño práctico de antenas Yagi cortas que consten de tres o cuatro elementos directores. La antena Uda-Yagi Antenas Logarítmicas Esta configuración de antena es muy cercana al concepto de antenas de frecuencia independiente. Como sea. el campo de radiación de un elemento conductor produce corrientes en ellos. la antena Yagi larga y uniforme tiene que ser diseñada de una manera simple.5.32dB. para permitir una buena coincidencia a los 50Ω.5. considerándola como una antena de propagación de ondas. La forma clásica de esa antena es la Uda-Yagi. causando que estos radien por turno. Como se muestra en la Figura 3. aunque el mejoramiento disminuye de acuerdo a que tan lejos el reflector está del elemento conductor. el nivel del lóbulo lateral en su patrón de radiación baja 9. Se puede mostrar que cuando la antena es diseñada para tener la máxima ganancia.6 se muestra la estructura de una antena logarítmica. Esta razón de cambio deberá ser mejorada arriba de un límite teórico de 13. sin tener que ver la longitud de la antena. En la Figura 3. no es totalmente una antena de frecuencia independiente. el diseño de la antena de acuerdo a este método se torna complicado. Esta estructura fue introducida por DuHamel e Isbell. [16] . sino es que imposible. que son antenas cuya geometría es únicamente definida por ángulos. o simplemente antena Yagi.Antenas Yagi Un mejoramiento basado en un arreglo para mejorar la directividad de la antena de dipolo es usar elementos parásitos. donde el número de elementos tal vez sea grande.2dB. así como el patrón de radiación sugerido para la estructura. Una Yagi de 4 directores puede tener una ganancia algo arriba de alrededor 12dbi. para poder especificar la distancia del origen a cualquier parte de la estructura. en el caso de las antenas logarítmicas microstrip. llevando a una distribución específica de los campos en la región del dieléctrico inmediatamente debajo del parche. Antena microstrip de parche.6. agregando como si constituyeran un arreglo de cuatro elementos. 3. cuyas orillas están especificadas por el ángulo α/2. la longitud L es típicamente arriba de la mitad de la longitud de onda del espacio libre. En el parche rectangular. [17] . El atractivo de dichas estructuras está en permitir antenas compactas con costo de manufacturación bajo y alta confiabilidad. pero un patrón típico es mostrado en la siguiente figura. Consiste de tiras de metal. con contribuciones de las orillas. Figura 3. Además de que se muestra también una antena microstrip de parche. Sin embargo.7 este tipo de antenas están basadas en la tecnología de circuito impreso para crear estructuras radiantes planas sobre un dieléctrico.Figura 3. La onda incidente suministrada en la línea de alimentación crea una resonancia fuerte dentro del parche. una distancia de la característica debe ser incluida. un plano de substratos de tierra. en el cual los campos eléctricos son aproximadamente perpendiculares a la superficie del parche y los campos magnéticos paralelos a ella. Los campos alrededor de las orillas del parche crean la radiación.7.4 Antenas de Microstrip Así como se ve en la Figura 3. Estructura de la antena logarítmica y su patrón de radiación. El patrón de radiación resultante puede ser variado sobre un rango amplio alterando la longitud L y el ancho W. la impedancia y la impedancia de espacio libre. Patrón típico de radiación de la antena de parche. incluyendo el manejo mecánico de la transmisión. muchos de los diseños presentados han sido prácticos para aplicaciones debajo de los 15GHz. el estudio paramétrico de los arreglos Yagi. etc. y dos parches directores. Antena Yagi Microstrip La antena Yagi microstrip ha sido utilizada en muchas aplicaciones en los últimos 15 años. los dipolos y reflectores parabólicos se utilizan en sistemas de microondas. λ g. [18] . λ 0. que cubriera una amplitud de rayo de 40º entre 20º a 60º en el plano de elevación. Tanto en la teoría como en la práctica. Guía de Ondas Las antenas se utilizan en las comunicaciones y los sistemas de radar en frecuencias desde la más baja hasta la más alta. El espacio centro a centro entre los elementos es una función de la longitud de onda del espacio libre. Una función principal de la antena es la de actuar como un emparejadora de impedancia entre la guía de onda. que requirieron una antena de bajo costo. las antenas se usan para llegar de las frecuencias de luz infrarroja hasta la luz visible. el manejo eléctrico de la transmisión. Las microondas son una región de transición entre las ordinarias "ondas de radio" y las "ondas ópticas". de perfil bajo. o la línea de transmisión. La distancia entre los elementos tiene que ser cercana suficiente para acoplar los campos electromagnéticos del elemento conductor a los elementos restantes. Los elementos son puestos en una línea uno seguido del otro en el siguiente orden: reflector – conductor (activo) – director 1 – director 2. no la longitud de onda guiada. Mucho progreso en el diseño de microstrip Yagi se ha hecho en los años después de que el estándar de microstrip Yagi fue propuesto. A pesar de estos avances. La antena impresa microstrip Yagi convencional consiste de cuatro elementos parche: un parche reflector. así que (como era de esperar) la tecnología de microondas hace uso de técnicas de ambas ondas. Por ejemplo. El propósito de una antena es la de actuar como un transductor entre las líneas de transmisión o guías de onda y una onda de propagación electromagnética en el espacio libre. un elemento conductor. Las principales ventajas de un arreglo Yagi impreso son la facilidad de integrarlo con otra circuitería de RF y la habilidad de producir radiación “quasi-endfire”.Figura 3.8. Esto está asociado con la radiación en el espacio libre de la antena. John Huang introdujo el primer diseño de estándar en 1989 para aplicaciones satelitales móviles (MSAT). ya que no influye en la señal)  Disco de plástico desechable de 75 mm (vale la tapa de otra lata de papas) Trozo de alambre de cobre de aprox. ya que para los cálculos de diseño es necesario tomar en cuenta algunas características del material. En el caso de las ventajas de la antena elegida (antena de guía de onda). 4.Capítulo IV. Las medidas de la lata no son aleatorias sino que siguen una fórmula matemática. Lg) y la posición del conector (1/4 de la longitud de onda desde la base) depende de la frecuencia a la que se trabaje y del diámetro interior de la lata. Aunque estas distancias no tienen por qué ser exactas.1 Elección del tipo de antenas En el capítulo anterior se mencionaron las características de las antenas. podemos decir que es fácil de armar. además.2 Diseño de la antena (Cálculos matemáticos) Es importante mencionar que para poder llevar a cabo el desarrollo y el diseño de las antenas. La longitud de la lata (3/4 de la longitud de onda. se tuvo que tomar en cuenta la caracterización del material principal con el que se construyeron las antenas. El material que se utilizará para la construcción de nuestra antena es el siguiente: Cantidad 1 2 5 4 1 1 1 1. Desarrollo y Diseño 4. ya que en el momento de realizar pruebas y obtener resultados. Si se requiere hacer otros cálculos. 5 cm. se puede saber en qué se falló o que se puede modificar para obtener mejores resultados. con el fin de conocer las ventajas y desventajas de cada una de ellas. que surgió de mejorar y aumentar la intensidad de la señal de una red WiFi. se puede usar la formula siguiente: vi [19] . es aconsejable que sean lo más aproximadas posibles a las indicadas. la posibilidad de alcanzar distancias mucho mayores de cobertura.5m 1 1 1 Componente Barra roscada de 140 mm de largo y 3mm de grosor Tuercas de fijación de 3 mm Arandelas de 30 mm de diámetro y 3mm de diámetro central Tubos metálicos huecos de 30mm de longitud y como mínimo 3mm de diámetro interior Conector Hembra-Hembra SMA Conector SMA Macho Conector SMA Macho Inverso (RP-SMA) Cable Coaxial RG78 Lata de papas Pringles (El sabor es indiferente. 2.1) de chasis debe situase en el lateral a una distancia de Lg del fondo de la lata (se le llama fondo al lado tapado).1. Figura 4.El conector tipo N Hembra (Fig. Al conector se le debe prolongar la espiga central con un trozo de cable de cobre de forma que la medida total sea aproximadamente de 31 mm (1. Lo primero es saber la distancia a la que estarán separados los elementos parásitos y conductores de nuestra antena.412 GHz. por ejemplo del canal 1. Conector Tipo N Hembra • Diseño de la antena Yagi Una vez que se obtuvo el diseño completo del elemento activo de la antena Yagi. que tiene una frecuencia de 2.21 pulgadas). Esta distancia está en base a la longitud de onda de la señal. No se cuenta desde el lateral sino solo se debe contar el trozo de cobre más la parte saliente del conector N Hembra donde se suelda el cable (espiga central). se diseñaron los demás elementos que conformarán la antena. vii ID Canal 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 US/Canadá 2412 2417 2422 2427 2432 2437 2442 2447 2452 2457 2462 España/Europa 2412 2417 2422 2427 2432 2437 2442 2447 2452 2457 2462 2467 2472 Japón 2412 2417 2422 2427 2432 2437 2442 2447 2452 2457 2462 2467 2472 2482 Tabla de Frecuencia de Canales WiFi [20] . La respuesta está en la longitud de onda de la señal. dependiendo del canal en el que se esté transmitiendo. 02 cm = 30. puesto que la hoja de nuestra sierra será de cómo mínimo 1 mm de grosor.Veamos cual es la longitud de onda para la señal correspondiente al canal 1(para nuestro caso utilizaremos las mismas frecuencias de EU y Canadá): Por lo tanto.1 cm = 31 mm Calculemos ahora cuál sería la longitud del cuarto de onda para una señal del canal más alto. [21] . el canal 11 a 2462 GHz: Entonces la longitud del cuarto de onda será de nuevo: w/4= 3. precisión que no lograremos con nuestra herramienta.2 mm Como se puede observar la diferencia en la longitud del cuarto de onda de un canal a otro es de 0. Es por eso que estimamos suficiente que la longitud del cuarto de onda para cualquiera de los 13 canales es de 30 mm. un cuatro de la longitud de onda será: w/4= 3.3 milímetros. El resultado final es el siguiente: [22] . Para montar el colector delantero según el esquema anterior. Proceso de Fabricación: 1. así que a continuación se describen cada uno de los pasos que se siguieron en la elaboración de la antena Yagi. tendremos lo justo para montarlo según la figura 5. Apretamos las tuercas de los extremos para fijar todo el conjunto. ya que los conectores requeridos podrían ser lo más difíciles de conseguir.5 mm. hacemos un agujero en el centro de la tapa de la lata y pasamos la barra roscada y ponemos una tuerca en el extremo exterior. las tuercas 2 mm y la tapa 0.1 Construcción e Implementación de la antena Como introducción a este capítulo se describen cada uno de los pasos seguidos en la construcción de la antena.1 y sujetarlo mediante las tuercas: Figura 5.1 Diagrama de conexión 4. puesto que las arandelas que vamos a usar tienen un grosor de 1. 3. una en un sentido y la otra en el contrario. Pruebas y Resultados 5.Capítulo V. El inicio de este capítulo es la construcción de la antena diseñada en el capítulo anterior. 5.6 mm. Lo primero fue saber las diversas versiones que existen sobre la antena que vamos a realizar para poder escoger el más apropiado a nuestros intereses. Cortamos 140 mm de la barra roscada. Una vez elegido el diseño más adecuado. 2. fue necesario conseguir el material necesario. Figura 5. Para la lata. 7.2 Fotografía de la antena Yagi ya construida La tapa de plástico colocada en medio tiene como función mantener el colector en el centro una vez dentro de la lata. A continuación introducimos el conector en la lata y cuidamos que quede justo debajo de la mitad de la lata. medimos 80 mm desde el fondo de la lata.2 Conector con el trozo de cobre soldado. (Figuras 5. Para hacer la espiga central generalmente usamos un trozo de cobre lo más recto posible soldada al conector.3 Fotografía de la parte interior de la lata. [23] .3) Figura 5. para ello utilizamos otra tapa 6. Figura 5. luego con ayuda del cúter ajustamos el agujero para que encaje perfectamente el conector Hembra. y usando un punzón realizamos un primer orificio.2 y 5. pero que queden cerca. asegurándonos que el colector no toque la espiga interior. Fig. sujetar los conectores fuertemente al cable. Conectamos un extremo del cable a la antena armada y el otro a la tarjeta inalámbrica. Por último. concretamente el RG-58. que se muestra en la Figura 5. En la Figura 5. 9.4 Antena armada y guía de onda Fig. 10. esto quiere decir que es compatible con el conector coaxial que se le colocó a la antena.5 está la antena Yagi terminada y vista por la parte superior e inferior. esto es.6. soldarle las puntas y crimparlo. 5.5 Antena finalizada 5. Los resultados de las pruebas realizadas a continuación mostrados y descritos corresponden a la antena construida. Lo siguiente es pelar el cable para introducirlo en los conectores.8. estas gráficas indican la medición de la magnitud de la antena. introducimos el colector dentro de la lata.4 y 5. [24] . el cual nos enviará la señal a nuestra PC.5 se muestra cómo fue que se colocó el conector coaxial en la antena. el cual como sabemos tiene una característica de pérdida de este tipo de cable es de 81 dB cada 100 metros. Figura 5. Para la construcción del pigtail usamos cable coaxial fino. este cable tiene una terminación con entrada SMA.2 Pruebas y Mediciones En este tema hablaremos del funcionamiento del programa analizador de red utilizado para realizar las mediciones a la antena y también se mostrarán las gráficas obtenidas de este programa. Programa para analizar redes Se coloca el cable en la tarjeta de red. 5. Como se puede observar en las Figuras 5.5. Los conectores que hemos utilizado en los extremos son SMA Macho Invertido y Tipo N Macho. no las detecta nuestra antena.Figura 5. Al cambiar a la antena construida. o como se observa.8.8 Gráfica de la señal con la antena comercial En la figura 5.9 seguimos trabajando con la antena casera. Señal original Figura 5.7 Conector de la tarjeta de red para la antena A continuación se muestran las gráficas obtenidas en el analizador de red de la antena Yagi que ya se tenía construida. trabajamos alrededor de los -30dB. la amplitud está en los -70dB para la segunda señal (INFINITUM9495). Como se puede observar en la Figura 5. al trabajar con la antena original de la tarjeta. [25] . la señal tuvo su pico más bajo en aproximadamente -78 dB hasta regresar casi a los -35dB. pero podemos observar como las redes que nos captaba la antena comercial. 9 Gráfica de la magnitud de la señal con la antena Yagi Señal original con antena comercial Figura 5.Figura 5.10 Gráfica de la magnitud de la señal con la antena comercial nuevamente [26] . inclusive algunas de ellas no aparecieron en el analizador de redes.Capítulo VI. se esperaba un buen ancho de banda. En las pruebas prácticas se obtuvo una amplitud de -35dB. solo 5dB por debajo de la antena comercial pero esta medición se obtuvo hasta que se forró el interior de la lata con papel aluminio. [27] . Ya al tener la antena armada. Conclusiones Durante el desarrollo de este proyecto de investigación se pudo concluir acerca de temas generales como lo es que la construcción. se forró la antena en su interior con papel aluminio. y de los elementos que conforman antena Yagi. y también por la distancia entre el reflector y el activo. las características. con lo que la amplitud de la señal aumentó casi a lo dado por la antena comercial. También se aprendió a utilizar el analizador de red para obtener las gráficas de magnitud de la antena y conocer su frecuencia real de resonancia y su ancho de banda. Esto ya que como la antena Yagi es una antena de banda ancha. Para tratar de mejorar la señal recibida. pero la diferencia con esta estuvo en que las redes vecinas no se detectaron con la misma potencia.4 GHz. cercana a 2. Se obtuvo una amplitud (como se mostró en la imagen) muy por debajo de lo esperado.4GHz y se simuló para poder saber si realmente cumplía con las características deseadas. entre el activo y el director. utilizando un Software para medir la intensidad de las señales de las redes llamado InSSIDer. Se concluye también que de acuerdo a las pruebas que se realizaron con la antena de fabricada se observó cómo el ancho de banda de una antena Yagi está definido por sus elementos reflectores y sus elementos directores. pero ahora se utilizaron como elementos de separación los trozos de tubo a la distancia calculada (31mm). pudimos comprobar si en realidad lo mostrado en textos y páginas de internet era realidad. así que se concluyó que lo que debía modificarse era el diseño de la antena. Al principio se diseñó el elemento activo con fórmulas pero ya que no se lograba la resonancia en la frecuencia deseada se modificó el diseño y se trabajo con un tamaño de λ/2. Cuando se armó la primera antena con todos los elementos ya diseñados. así como la forma en que actúan las guías de onda. cuya función es mejorar las ondas dentro de la lata que actúa como guía de onda. y que una variación mínima de las distancia entre ellos aumentaba o disminuía considerablemente el ancho de banda de la antena. no se obtuvieron los resultados deseados en cuanto a ancho de banda. y que su frecuencia de resonancia fuera si no exacta. la señal de la red principal se atenuó un poco. como un buen acoplamiento con una impedancia de entrada de 50 Ω. pudimos obtener una amplitud en dicha red de casi -35dB. pero al mover la antena en diferentes posiciones. Así mismo debemos hacer notar que todas las mediciones del ancho de banda con la antena comercial fueron a -30 dB. Por otra parte. y entre los directores. Como primer paso se investigaron todas las fuentes posibles y los diversos diseños existentes para después realizar un diseño de antena propio que trabajara a una frecuencia de 2. Simon R. Inglaterra. iii Practical Antenna Handbook Fourth Edition.pdf Ernesto Andrade Mascote. Págs. 2007 ii Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems.elhacker.igeofcu. Cap. 1999.3: Teoría de antenas .unam. 66 y 67 http://prospero. Saunders. Joseph J. DF.” Págs.mx/apache2-default/americo/estudiantes/ernesto/capitulo3. John Wiley & Sons. EUA. 2001 iv Antenna Theory Analysis and Design Constantine A.pdf Atis Tirma. 2005 [28] . Antena guía-ondas” http://hwagm..net/calculo/antenas. México.Bibliografía i “Diseño. 1982. 369. 370.net/wireless/Antenas/Antena_Pringles_Cantenna/Manual_paso_a_paso_Ant ena_Pringles.zero13wireless. Balanis John Wiley & Sons. Diana Universidad de las Américas Puebla. vi “Construir una antena. 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