Antena YAGI

Esta popular antena, que se ha consolidado a través de los años, fue creada y patentada en 1926 por el doctor Hidetsugu Yagi, de la Universidad de Tokio. La configuración mínima de este modelo de antena utiliza sólo dos “elementos”, sin embargo, el agregado de más “elementos” provee a la antena una característica muy deseada por todos los usuarios de equipos de radio: ganancia. Como dato útil para entusiasmar a cualquiera, podemos decir que una antena Yagi de 6 elementos puede lograr cifras de ganancia ubicadas en el orden de los 12dB. En términos prácticos, esto equivaldría a que un transmisor de 50Watts pueda ser escuchado como si emitiera con 1KW (1000Watts) (o vatios). Si en verdad intentas llegar lejos con tu transmisión de radio, este artículo es para ti.

A medida que el auge de la radio se expandía por el mundo, día a día se sumaban aficionados y científicos al creciente fenómeno cultural, que nunca dejaba de dar noticias sobre hallazgos de técnicas, diseños, desarrollos, materiales y/o tipos de construcción, tanto de equipos de radio como de antenas. Por supuesto, los fracasos eran moneda corriente en una época en que no existía la tecnología al servicio de la experimentación; por aquellos años todo era ímpetu, sueños y deseos de alcanzar lo que cualquier aficionado a la radio desea: comunicar tan lejos como sea posible. Una vez que el dipolo de media onda se había popularizado entre los usuarios de equipos de radio y en la búsqueda de lograr mejores rendimientos en las instalaciones de antenas, los investigadores Hidetsugu Yagi y Shintaro Uda observaron que colocando elementos parásitos (o pasivos, “sin conexión eléctrica con el irradiante”) en cercanías de un dipolo de media onda, éste alteraba su comportamiento y se obtenían resultados muy interesantes, dignos de ser analizados y estudiados.

Un elemento parásito es un conductor que se ubica en forma paralela al dipolo de media onda o “irradiante”, a una distancia apropiada y posee una longitud adecuada. Es decir, no es cualquier distancia, ni cualquier medida. Por ejemplo, una ventana metálica no favorece ningún rebote de señales para alcanzar una mejor recepción, ni favorece la transmisión en el sentido en que las ondas de radio puedan “rebotar” en la estructura de metal. No, nada de eso es cierto y como te mencionamos antes, los elementos parásitos deben estar construidos de manera adecuada para cumplir una misión funcional. De lo contrario, el efecto será más frustrante que fructífero. Por supuesto, hay soluciones para nada ortodoxas que entregan un desempeño maravilloso. En el campo de la captura de señales Wi-Fi o Bluetooth, algunos elementos de cocina son muy utilizados para mejorar el alcance de los enlaces. Sin embargo, para el caso de las antenas Yagi (nombre popular), las medidas de los elementos que la componen y su ubicación en el espacio, respecto al irradiante, deben ser respetadas para lograr los desempeños esperados.

Se llama director a un elemento pasivo que proporciona ganancia en el sentido dirigido desde él hacia el elemento activo o irradiante y por lo general, es más corto (en longitud) que éste. El elemento conocido como reflector es también pasivo y proporciona ganancia de potencia en el sentido dirigido desde el irradiante hasta él. Siempre es más largo que el elemento activo. Definidos entonces los principales elementos que acompañan a un irradiante, podemos comenzar a armar múltiples configuraciones para construir antenasque tengan ganancia en determinadas direcciones. Por ejemplo, un conjunto formado por un irradiante y un director puede brindar 3dB de ganancia respecto a un dipolo simple. Esta cantidad de decibeles representa el doble de potencia cuando hablamos de un transmisor. Es decir, si transmitimos con 5W y tenemos una ganancia en antena de 3dB, el receptor podría interpretar que estamos emitiendo con un dipolo simple y 10W de potencia. Cuando usamos un reflector, el resultado es el mismo y la ganancia de potencia se manifiesta en una emisión con una direccionalidad definida.

En el gráfico superior, vemos de manera clara la forma en que los elementos pasivos o parásitos incrementan la ganancia del conjunto (líneas azules) en el sentido apropiado, según su longitud y su separación respecto al elemento activo o irradiante. La línea de puntos nos indica la situación inicial, cuando la separación entre elementos era de 0,04 longitudes de onda. A medida que comenzamos a variar la longitud del elemento pasivo y a incrementar la separación, respecto al irradiante, la ganancia comienza a hacerse presente, obteniendo un máximo en una separación de 0,36 longitudes de onda, para luego descender si se continúa incrementando la separación (S).

Cuando se combinan los modelos anteriores en una única construcción, se considera que se ha alcanzado una configuración Yagi mínima: Director, Irradiante y Reflector para formar una antena de 3 elementos que puede alcanzar a brindar una ganancia de 8,5dB, respecto a un dipolo tradicional. La separación entre elementos juega un papel importante al momento de definir determinados aspectos de la antena, por ejemplo: a menor separación obtendremos un haz más estrecho y menor ancho de banda con mayor ganancia. Por el contrario, con una separación mayor, el haz de emisión/recepción será más ancho, con un ancho de banda mayor y una menor ganancia. Es decir, se cumple lo que siempre se dice en el mundo de las antenas: lo que se gana por un lado, se pierde por otro. Por otra parte, a medida que los elementos se aproximan entre sí, el componente resistivo puro de la antena varía. Debemos tener presente que el director suma reactancia capacitiva y el reflector agrega reactancia inductiva al sistema. De este modo, con una separación apropiada, la componente final (deseada e ideal) debe ser, como resultado, resistiva pura.

La construcción de nuestra antena Yagi, podemos decir que a cada elemento pasivo que agreguemos como director (delante del irradiante) podemos sumar 1dB más de ganancia al conjunto. Esto provocará como resultado un haz más estrecho y un ancho de banda más reducido, junto al incremento de ganancia. Más allá de los 5 elementos (se cuentan todos, pasivos + activo), el agregado de directores sólo suma medio dB de ganancia, por lo tanto, según la frecuencia de trabajo de nuestra antena, en ciertas ocasiones no es redituable sumar elementos en forma indefinida ya que perderemos practicidad con la antena. Dicho de otro modo sería: tendremos una antena que será el doble de larga y sólo habremos incrementado pocos dB. Por supuesto, las aplicaciones siempre definen el diseño de una antena y se pueden encontrar antenas Yagi de más de 20 elementos. Respecto a los reflectores (detrás del irradiante), más de dos n

o brindan una mayor ganancia a la antena, sino que sólo aportan una mejor relación “frente – espalda”

Un punto importante a destacar es la construcción física de la antena y su alimentación mediante la línea de transmisión. Traducido a términos cotidianos sería: “de qué material haremos el soporte de todos los elementos y cómo conectamos, en el irradiante, el cable que sale desde nuestro equipo de radio”. Si observamos el gráfico de una antena resonante, encontraremos que, en el centro de su longitud, existe el punto de potencial (o tensión) que tiende a cero y crece hacia los extremos. Por su parte, en el centro del elemento irradiante, la corriente llegará a su punto más intenso. A partir del centro del dipolo y a medida que nos alejamos hacia los extremos, la tensión y la impedancia comienzan a incrementar su valor. En uno de los puntos (cercanos al centro) encontraremos el mejor lugar para alcanzar un valor de impedancia que coincida con la línea de transmisión utilizada (el cable coaxial) y que a su vez, sea el mismo que presenta la salida del transmisor / entrada del receptor. Lo que más se ha popularizado (por múltiples motivos) para conectar una antena a un equipo de radio es el cable coaxial, por lo tanto, por tratarse de una línea de transmisión “des-balanceada” (unbalanced), utilizaremos para entregar toda la energía de RF al irradiante lo que se conoce como Adaptador Gamma (Gamma Match), de acoplamiento capacitivo.