Antana Yagi Canal 22 186m5w

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Objetivos Objetivo general. 

Diseñar una antena Yagi-Uda con dipolo doblado para el canal 22 de la ciudad de México.

Objetivos específicos.   

Construir antena Yagi-Uda para canal 22, con una ganancia de 8.5dB. Reducir el costo de venta de las antenas Yagi-Uda. Conseguir que la antena sea eficiente para los canales abiertos nacionales.

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Marco Teórico Antena Yagi-Uda. La antena Yagi-Uda, es un tipo de antena muy conocido en la actualidad, debido a su simplicidad, es una antena hecha de experimentos y fue dada a conocer en 1926 por S.Uda y dada a conocer internacionalmente por H.Yagi, fue inventada en Japón. Está formada por elementos parásitos, que son elementos cortocircuitados que se alimentan de elementos activos, simplificando el diseño de la red de alimentación, se les conoce como reflector y directores. El elemento activo de la antena, es un dipolo doblado resonante, que tiene como función aumentar el ancho de banda y de radiar el campo eléctrico, dependiendo si es una antena receptora o transmisión; el reflector (elemento parasito) actúa, como su nombre lo indica, reflejando el campo eléctrico y suele ser 5% - 70% más grande que el dipolo activo. La separación entre estos elementos varía dependiendo la cantidad de ellos. Se muestra en la figura siguiente una antena Yagi-Uda de tres elementos.

0.1λ

R E F L E 0.52λ C T O R

D I P O L O

0.476λ

0.15λ

0.11λ

0.46λ

D I R E C T O R

Figura 1. Antena Yagi-Uda de tres elementos (Reflector, Dipolo, Directores).

IPN-ESIME Unidad ZACATENCO En cuanto a las distancias entre elementos, la separación entre el reflector y el dipolo Activo es más grande que de los directores, en equivalencia de número de elementos, entre más grande sea la cantidad de elementos, será mayor la separación entre los directores y el dipolo activo. La Antena Yagi-Uda es muy directiva, con relación a la ganancia depende del número de elementos, esto es, entre más elementos sean la ganancia será mayor, para poder calcular la ganancia de la antena:

Donde

es el número de elementos de la antena.

La Antena Yagi-Uda es usual mente aplicada en la televisión, estaciones de radioaficionados, radioenlaces punto a punto y en algunas aplicaciones de radiodifusión, trabajando en las bandas de HF (High Frecuency), VHF (Very High Frecuency) y UHF (Ulta High Frecuency).

Frecuencias VHF y UHF. VHF (Very High Frequency) es la banda del espectro electromagnético que ocupa el rango de frecuencias de 30 MHz a 300 MHz.   

Longitud de onda: De 1 a 10 metros. Características: Prevalentemente propagación directa, esporádicamente propagación Ionosférica o Troposférica. Uso típico: Enlaces de la radio a corta distancia, Televisión, Radiodifusión en Frecuencia Modulada.

UHF (Ultra High Frequency) es una banda del espectro electromagnético que ocupa el rango de frecuencias de 300 MHz a 3 GHz. En esta banda se produce la propagación por onda espacial troposférica, con una atenuación adicional máxima de 1 dB si existe despejamiento de la primera zona de Fresnel.   

Longitud de onda: De 10 centímetros 1metros. Características: Exclusivamente propagación directa, posibilidad de enlaces por reflexión o a través de satélites artificiales. Uso típico: Enlaces de radio, Radar, Ayuda a la navegación aérea, Televisión.

En estas bandas se destacan los siguientes servicios: Radio. Las emisoras de FM - Frecuencia Modulada transmiten en el segmento de 87,5 a 108 MHz. Televisión.

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Las bandas de VHF y UHF son utilizadas para la teledifusión en todo el mundo, tanto para la televisión abierta como para sistemas de TV codificada (estos generalmente en UHF). Existen grandes diferencias entre la distribución de canales y frecuencias entre cada país y también hay que considerar los diferentes sistemas estándares que se utilizan para la emisión televisiva.

Tabla de canales de TV, FM y sus frecuencias en MHz VHF

Desde 54 60 66 76 82 88 174 180 186 192 198 204 210

2 3 4 5 6 FM 7 8 9 10 11 12 13

Hasta 60 66 76 62 88 108 180 186 192 198 204 210 216

UHF 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

Desde 470 476 482 488 494 500 506 512 518 524 530 536 542

Hasta 476 482 488 494 500 506 512 518 524 530 536 542 548

Tabla 1 . Tabla Banda de frecuencias (VHF y UHF) TV y FM. La banda de TV en VHF suele ser la más importante, estando relegada la banda de UHF para las pequeñas televisoras y las repetidoras. AERONAUTICA Cuando las comunicaciones entre las aeronaves y los controladores de los aeropuertos son de corta distancia, especialmente en las maniobras de despegue y aterrizaje se realizan en la Banda Aérea de VHF. Esta banda está comprendida entre los 118 y 136 MHz. Las comunicaciones en esta banda son en AM. Además varios sistemas de navegación aérea utilizan frecuencias en UHF.

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Cálculos del diseño de Antena Yagi-Uda para el canal 22 Antes de proceder a calcular las medidas de los elementos de la antena Yagi-Uda para el canal 22, que trabaja en un ancho de banda de (519.25 a 523.75 MHz), definimos como ganancia de antena 8.5 dB. Ya definida la ganancia, procedimos a calcular el número de elementos de la antena. Como ya sabemos la ganancia está representada con la siguiente formula.

Donde

Despejamos a , quedando de la siguiente manera (

)

Por lo tanto

Como ya sabemos canal 22 trabaja con un ancho de banda de 519.25 a 519.25 MHz, para poder realizar los cálculos de la antena Yagi-Uda se debe utilizar una frecuencia como base, con lo cual procedimos a calcular la frecuencia media. Tenemos que

La expresión de frecuencia media es:

Por lo tanto tenemos como frecuencia media

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También es necesario saber la longitud de onda la antena, teniendo en cuenta la ecuación siguiente:

Sabiendo que representa la velocidad del sonido con un valor de donde tomara el valor calculado anterior mente conocida como

y

la frecuencia,

.

Como es bien sabido las antenas Yagi-Uda constan de los elementos Reflector, Dipolo activo y Directores. Para cada uno de estos sus cálculos son diferentes a continuación se calculara cada uno de ellos. Como es bien sabido para el diseño de esta antena, resulto tener 7 elementos con una ganancia 8.5 dB, con lo cual tenemos un reflector, un dipolo activo, 5 directores.

Reflector La longitud del reflector

esta dada por:

Sustituyendo a , nos da como resultado

Dipolo Activo La longitud del dipolo activo (

Sustituyendo a , tenemos que

esta dada por:

resulta

El dipolo activo está separado por lo que: ( (

) )

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Con lo cual propondremos una separación de 1.5cm para esta antena. Entre Reflector y Dipolo Activo hay una cierta separación

, que está dada por:

Sustituyendo en la ecuación

Directores. Para el cálculo de longitudes de cada director cambia su ecuación

Sustituyendo

en cada una de las ecuaciones

La separación entre Dipolo Activo y los directores está dada por , esta separación es la misma para todos los directores seguidos del director primario por lo que solo se calcula una vez.

Donde

por lo tanto

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ICE Longitudes de elementos Elemento

Longitud [cm]

Radiador

29.00

Dipolo Activo

27.00

Director

26.45

Director

25.88

Director

25.30

Director

24.73

Director

24.15

Tabla 2. Longitud de elementos de la antena Yagi-Uda canal 22. Separación de elementos Elementos

Longitud [cm]

Radiador-Dipolo Activo

8.6

Dipolo Activo- Directores

6.3

S 1.5 Tabla 3. Separación entre elementos de la antena Yagi-Uda canal 22.

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Diagrama de antena Yagi-Uda Para canal 22

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Patrón de radiación

Plano E

Plano H

Armado de la antena MATERIAL          

Un tramo de tubo cuadrado de 3/4 de pulgada. Un tramo de tubo circular de ¼ de pulgada. 6 tornillos 6 tuercas Un soporte para dipolo de plástico. 2 tapones para tubo de ¾. Lijas. Marcador Soldadura Pasta para soldadura

HERRAMIENTA       

Fluxómetro. Segueta. Taladro. Brocas milimétricas. Desarmadores (cruz y plano). Pinzas. Cautín.

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Pasos realizados del armado de la antena Yagi-Uda 1) Paso 1 Cortes Se toma el tubo cuadrado de ¾ de pulgada, con ayuda del fluxómetro se mide una longitud de 43.6 cm, posteriormente se corta con la segueta. Ahora tomamos el tubo circular de ¼ de pulgada y asemos 6 cortes: cortamos un tramo con una longitud de 29 cm el cual será el reflector, otro tramo con una longitud de 26.45 cm el cual será nuestro primer director 1, el siguiente tramo será de 25.48 cm de longitud actuara como nuestro director 2, otro tramo más con una longitud de 25.3 cm este será el director 3, uno mas con una longitud de 24.73 cm director 4, y por ultimo cortamos un tramo de tubo circular con una longitud de 24.15 para nuestro director 5.

2) Paso 2 Taladrado Tomamos el fluxómetro y marcamos el tubo cuadrado con un marcador para guiarnos donde posteriormente taladraremos con ayuda del taladro y broca milimétricas. Asemos la primera marca en el tubo cuadrado para el reflector a 2 cm de ahí, dejamos una tolerancia de 14.9cm para el primer director, posteriormente dejamos una tolerancia de 6.3 cm y marcamos para el director 2, ahora otros 6.3 cm de tolerancia y marcamos para el director 3, 6.3 cm de tolerancia marcamos el director 4, otros 6.3 cm y por ultimo marcamos para el director 5todos estos en el tubo cuadrado. De igual manera asemos unas marcas con ayuda del fluxómetro y el marcador justo ala mitad de cada tubo circular para el reflector y los directores. Lo cual nos servirá para el armado de nuestra antena por medio de estos es como los sujetaremos. Ahora con ayuda de un taladro y brocas proseguimos a taladrar de ambos lados del tubo tanto circular como cuadrado , con brocas milimétricas usando primero una mas pequeña como guía para posteriormente aserlo con una mas grande del tamaño de los tornillos que obtuvimos.

3) Paso 3 Lijado Ya que tenemos los tramos de tubos a las medidas correctas y taladradas, proseguimos a lijar los extremos de los tubos tanto cuadrados como circulares para que no queden imperfecciones producidas por la segueta, tomamos los tapones de plástico de ¾ cuadrado y lo colocamos en los extremos del tubo cuadrado.

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4) Paso 4 Ensamblado o armado Ya que tenemos nuestro tubo correctamente cortados, taladrados y lijados procedemos al armado de nuestra antena, con ayuda del desarmador plano o de cruz según sea el caso y unas pinzas para apretar las tuercas que ocuparemos. En el primer agujero a 2 cm atornillamos el reflector con ayuda de las pinzas y el desarmador, metemos el tornillo y lo apretamos con la tuerca ; en el siguiente agujero atornillamos el director 1 y repetimos el proceso anterior para atornillar con ayuda de pinzas desarmador tornillos y tuercas del director 1 al 5 sucesivamente repitiendo la operación.

Fotos de Armado de la antena

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Tiempo y Costos de la antena El tiempo que se tomo para realizar la investigación de la antena Yagi-Uda fue relativamente muy corto, máximo 2 días, en cambio el tiempo invertido en el presupuesto del material y el armado,el material fue cotizo en dos lugares distintos en un mismo día, se considero la calidad y cantidad mínima de venta que nos ofrecían, ya decidido el lugar de compra se regreso al siguiente día para efectuar las compras correspondientes al material de la antena cuyo material se expondrá en la tabla 4.Con el material a disposición de su uso, procedimos a efectuar los cortes correspondientes y armarlo esto, todo lo explicado anteriormente nos ocupo contando los días de investigación 6 días en total para poder terminar la antena Yagi-Uda para el canal 22. Costos de Material de Antena Cantidad Material Material Comprada Costo total usado Tubo Cuadrado 6.10 m $ 124.00 0. 57 m Tubo Circular 3.10 m $ 70.00 2.00m Cable Coaxial con puntas Tornillos y Pijas Soporte de plástico Acoplador para antena Pasajes

5.00 m 10

$ $

1

$

1 2 idas - vuelas Total

$ $ $

66.00 15.00 20.00

Costo de Material usado $ 30.00 $ 50.00

5.00m 10

$ $

66.00 15.00

1

$

20.00

$ $ $

25.00 20.00 226.00

25.00 1 20.00 340.00 Total

Tabla 4. Costos de Material de Antena Yagi-Uda para canal 22. Observación: Debido a que el proveedor del material solo vende ciertas medidas como mínimo de venta, el costo de nuestra inversión se excedió, ya que el uso de nuestro material para antena era menor al comprado. Dando como resultado material sin usar.

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Prueba de la antena La prueba se realizo en el Estado de México, en una casa particular, conectamos la Antena YagiUda en el televisor. Sintonizamos cada uno de los canales abiertos de la cuidad, buscando en cada uno de estos una buena recepción optima con la antena diseñada, todos estos datos están en la tabla 5. Calidad de recepción. Canal

Muy bueno

Bueno

Regular

2

Mala ↙

4

↙

5

↙

7

↙

9

↙

11

↙

13

↙

22

↙

28

↙

40

↙

Tabla 5. Prueba, Recepción de canales abiertos en Antena Yagi-Uda. Observación: La ganancia de nuestra antena está reflejada en la calidad de recepción obtenida con la prueba, sabiendo de antemano que el número de elementos empleados es reducido comparado con antenas de recepción optima para todo los canales, pero el objetivo de nuestra antena era sintonizar el canal 22 y fue diseñada específicamente para ese canal, alcanzando el objetivo de sintonizar el canal con la mayor eficiencia posible.

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Conclusión Al diseñar la antena Yagi-Uda para el canal 22, podemos detallar que el diseño de antenas para frecuencias VHF y UHF, la relación de la ganancia que se observo fue que entre mayor número de elementos de la antena, la ganancia obtenía correspondiente será mayor. En el caso del patrón de radiación, es diferente dependiendo del tipo de dipolo activo, si es doblado, su posición (horizontal, transversal) y el ángulo de inclinación, también depende mucho del número de elementos que contiene la antena. Efectuando las pruebas correspondientes a nuestra antena Yagi-Uda para canal 22, observamos que no todos los canales abiertos de la área metropolitana, tienen buena cobertura con la antena diseñada, observamos que los canales con mejor recepción son los cercanos al ancho de banda del canal 22 que son los UHF, en cambio a los VHF la recepción no es tan buena,

Bibliografía  

Antenna Theory 2nd Edition 1997 Balanis Propagación y Antenas Salmeron

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