La antena Yagi: simple, flexible y excelente para aficionados al bricolaje o para comprar y usar

Las antenas y sus configuraciones están disponibles en una cantidad asombrosa de tipos básicos —y variaciones dentro de esos tipos— para satisfacer las necesidades de diversas aplicaciones. Pueden ser tan simples como una antena de cable largo, arreglos multibanda complejos o incluso un arreglo MIMO (múltiples entradas/múltiples salidas).

Dentro de este enorme conjunto de antenas disponibles, hay una que durante mucho tiempo ha sido la favorita entre los entusiastas del bricolaje y los diseñadores comerciales: la antena Yagi (o, para ser más exactos, la antena Yagi-Uda) (Figura 1).

Figura 1: La antena Yagi básica es una antena de tres elementos que se usa mucho en aplicaciones comerciales, residenciales y militares y, a menudo, se ve en techos o mástiles. (Fuente de la imagen: EuroCaster/Denmark)

¿Por qué las antenas Yagi son tan populares?

Hay muchas razones para la popularidad de la antena Yagi:

1. Es fácil calcular las dimensiones necesarias para la antena, aunque el análisis electromagnético subyacente sea complicado.
2. Los ajustes de estas dimensiones para adaptarse a problemas prácticos, como el grosor de los elementos y los efectos de borde, son muy conocidos y pueden tenerse en cuenta en el análisis de tamaño.
3. Es fácil de construir y es compatible con proyectos de bricolaje.
4. Es bastante fácil hacer una versión robusta para exteriores usando tuberías y accesorios estándar que están disponibles en una tienda de artículos para el hogar.
5. Son de tamaño modesto para el rendimiento que ofrecen.
6. Tienen un punto de alimentación simple y único con una impedancia principalmente resistiva, lo que facilita la adaptación a la línea de transmisión si es necesario.
7. Ofrecen múltiples grados de libertad en términos de ajustes y son fáciles de modificar internamente o en el campo con respecto a la ganancia, directividad, ancho de banda, lóbulos laterales y otros factores (dentro de límites razonables).
8. El diseño básico ofrece una buena ganancia (8 a 10 decibelios [dB] típicos), generalmente referenciada a isotrópica (dBi) y una alta relación frontal/posterior (10 a 20 dB, típica), un ancho de banda modesto (10 a 20% de centro), y hay maneras de mejorar estas cifras.
9. Pueden diseñarse y construirse para operar en una amplia gama de frecuencias, y muchas unidades comerciales están disponibles para el rango de 30 megahercios (MHz) a 3 gigahercios (GHz).
10. Su construcción se puede llevar a escala fácilmente para proporcionar versiones que pueden manejar una mayor potencia, en cientos de vatios o más.

La historia de la antena Yagi

La antena Yagi se desarrolló en 1926 en Japón cuando el Prof. Shintaro Uda presentó la teoría de esta antena en una revista japonesa. Recibió gran atención cuando el Prof. Hidetsugu Yagi publicó una traducción al inglés poco después en Proceedings of the Imperial Academy (Proyector del haz más nítido de ondas eléctricas), lo que explica por qué el nombre de Yagi está más estrechamente asociado con ella.

En los días anteriores a la televisión por cable y las transmisiones por Internet, la única opción para recibir una señal de televisión era como una señal de RF OTA (por aire) usando una antena física. Si la distancia entre usted y el transmisor de TV era de 10 o 20 millas, dependiendo de la potencia del transmisor y las especificaciones de su ubicación, se necesitaba una antena con mayor ganancia que la que podría ofrecer un simple dipolo plegado, y la antena Yagi era la opción más común para esta función.

Estas antenas Yagi de transmisión de TV eran un artículo estándar en casi cualquier ferretería o tienda de electrónica o electrodomésticos, y todavía lo son hasta cierto punto. Los espectadores de TV OTA interesados en recibir señales de transmisores ubicados en diferentes puntos de su casa podrían incluso agregar mecanismos manuales o motorizados para girar la Yagi hacia el transmisor de interés.

Muchas casas en áreas más antiguas todavía cuentan con sus antenas Yagi, incluso si ya no se usan, conectadas a la chimenea o a un mástil separado. Irónicamente, con la tendencia de "cortar el cable", el interés en la TV OTA ha revivido y las ventas de antenas de todo tipo (incluida la Yagi) están aumentando.

Más allá de la aplicación en la TV OTA, Yagi se usa ampliamente en radiogoniometría, radioafición, sistemas militares y aplicaciones donde son importantes la alta directividad, la ganancia de avance, la alta relación de avance/retroceso y los lóbulos laterales mínimos.

Principios básicos del funcionamiento de la antena Yagi

La antena Yagi más simple consta de tres elementos dispuestos a lo largo de una barra de soporte, que suele ser de metal (Figura 2). Solo el elemento central está conectado de manera eléctrica (conocido como el elemento "accionado"), y es un simple dipolo de media onda alimentado por el centro o una antena de dipolo plegado. Detrás del elemento accionado hay un elemento reflector aislado algo más largo; frente a él hay un elemento "director" más corto y aislado.

Figura 2: La antena Yagi básica tiene tres elementos: un elemento dipolo accionado (activo) con un reflector pasivo detrás y un director pasivo delante, todos montados en un solo brazo. (Fuente de la imagen: RFWireless-World)

El reflector y el director a veces se denominan elementos "parásitos", en contraste con el elemento activo y accionado. Sin embargo, a diferencia de los parásitos no deseados e indeseables que afectan negativamente el rendimiento de los componentes en sus circuitos, estos parásitos son fundamentales para el funcionamiento de la antena. El principio de funcionamiento se basa en la "sintonización" de los elementos reflector y director de manera que distorsionen deliberadamente el campo EM (electromagnético) del elemento accionado.

El reflector está dimensionado para que parezca inductivo en el ancho de banda de interés. Las corrientes EM inducidas en el elemento accionado se desplazan luego en fase con respecto al elemento reflector para que reflejen la energía lejos del elemento parásito. Esto hace que la antena irradie más potencia de RF en la dirección opuesta al elemento parásito.

El reflector se puede hacer inductivo agregando una bobina discreta, pero en la práctica casi siempre se logra de la manera más simple y económica: haciendo que el reflector sea más largo que el elemento accionado. Una regla general estándar es que sea un 5% más largo que el elemento accionado.

Por el contrario, al hacer que el elemento parásito sea capacitivo, las corrientes inducidas se desplazan en fase, por lo que dirigen la potencia radiada por toda la antena en la dirección de ese elemento. De nuevo, esto es posible con un capacitor discreto, pero casi siempre se logra haciéndolo un 5% más corto que el elemento accionado.

El espacio entre los elementos accionados y pasivos también es crucial. Como punto de partida, el espacio entre el elemento accionado y el reflector oscila entre 0.23 longitudes de onda (λ) y 0.35 λ, mientras que el espacio entre el elemento accionado y el director es de 0.125 λ a 0.15 λ. El resultado es un diagrama de radiación con alta directividad y relación frontal/posterior, así como lóbulos laterales modestos (Figura 3).

Figura 3: El diagrama de radiación genérico de la Yagi simple muestra una alta directividad y una relación frontal/posterior junto con lóbulos laterales modestos. (Fuente de la imagen: Electronics-Club)

Esta Yagi básica aparece como una línea de transmisión balanceada con una impedancia resistiva de entre 10 ohmios (Ω) y 40 Ω, por lo que se necesita un circuito de adaptación de impedancia. También se puede impulsar la antena por un balún de adaptación de impedancia, que además transforma una línea de transmisión coaxial no balanceada en una balanceada.

Flexibilidad de la Yagi

Como puede ver en la disposición básica de la antena Yagi, ofrece muchos grados de libertad para los ajustes. Al cambiar las longitudes y los diámetros de los elementos accionados y parásitos, así como su espaciado, el diseñador puede variar y compensar los parámetros de la antena de directividad, ganancia, relación frontal/posterior, ancho de banda y lóbulos laterales, solo por mencionar algunos.

La flexibilidad de Yagi va más allá de estos cambios, ya que esta no se limita a solo tres elementos. Al agregar más elementos directores, que se acortan cada vez más a medida que se alejan del elemento accionado, se puede aumentar la directividad de la antena y se pueden disminuir los lóbulos laterales (Figura 4).

Figura 4: Al agregar elementos de director pasivo adicionales en un brazo alargado, la directividad y la relación frontal/posterior de Yagi se pueden aumentar a la vez que se reducen los lóbulos laterales. (Fuente de la imagen: Electronics-Notes)

El espacio entre estos elementos directores adicionales también es una longitud de onda fraccionaria, lo que ofrece otro parámetro que se puede ajustar para optimizar aún más el rendimiento de Yagi para adaptarse a la aplicación. Algunas antenas Yagi tienen media docena o más de elementos directores (Figura 5). Agregar estos elementos adicionales aumenta la longitud total del soporte principal, pero tiene poco impacto en la complejidad.

Figura 5: Agregar más directores extiende la longitud del brazo, pero tiene un impacto mínimo en la complejidad de la construcción, como se ve en esta antena Yagi con siete directores. (Fuente de la imagen: TreLink Communication Co., Ltd.)

Antenas Yagi disponibles

Las unidades Yagi estándar están disponibles para muchas partes del espectro, además de las diseñadas expresamente para TV OTA en las bandas analógicas antiguas o las digitales más nuevas. Por ejemplo, la 220-6H-MK de Antenna Technologies Limited Company es una antena Yagi de seis elementos (un elemento accionado, un reflector, cuatro directores) centrada en 220 MHz con un ancho de banda de 3 dB de 215 MHz a 225 MHz (Figura 6).

Figura 6: La antena Yagi 220-6H-MK tiene un ancho de banda de 3 dB de 215 MHz a 225 MHz y consta de un elemento accionado, un reflector y cuatro directores. (Fuente de la imagen: Antenna Technologies Limited Company)

Esta antena de servicio pesado pesa solo 4.25 libras (1.9 kilogramos), presenta una ganancia de 9 dBi, una relación delante/atrás de 15 dB y tiene una longitud de brazo de 5 pies (1.5 metros). Presenta una superficie de viento de tan solo 0.67 pies² (0.06 metros²), lo que le permite soportar vientos de hasta 125 millas/hora [200 km/h]).

Para frecuencias más altas, la antena Oscar 3A de cuatro bandas de Siretta Ltd. brinda cobertura en frecuencias centrales de 850, 900, 1800 y 1900 MHz para aplicaciones GSM/GPRS (Figura 7). Esta antena polarizada verticalmente puede manejar hasta 200 vatios y presenta una ganancia de 11 dBi con una relación de onda estacionaria de voltaje (VSWR) por debajo de 1.6 en todo su rango. Mide 570 milímetros (mm) de largo × 180 mm de ancho × 36 mm de alto y viene con un conector macho FME y una abrazadera universal para usar en postes de antena estándar (Figura 7).

Figura 7: La antena Oscar 3A brinda cobertura en frecuencias centrales de 850, 900, 1800 y 1900 MHz y puede manejar hasta 200 vatios a la vez que ofrece una ganancia de 11 dBi con un VSWR por debajo de 1.6; viene con hardware de montaje básico para sujetar a un mástil. (Fuente de la imagen: Siretta Ltd.)

Conclusión

Con casi 100 años de antigüedad, la antena Yagi-Uda todavía se usa ampliamente, ya que es una de las disposiciones de antena más flexibles, versátiles y ajustables. Está bien adecuada para aplicaciones donde se necesitan alta ganancia, alta directividad, alta relación frontal/posterior y lóbulos laterales bajos. Esta antena de aspecto sencillo está disponible como elemento estándar para muchas bandas de frecuencia de empresas, como Antenna Technologies Company y Siretta. Los aficionados al bricolaje también pueden construirla fácilmente y ajustarla según sea necesario. Debido a su popularidad e historia, hay miles de referencias de investigación disponibles, que van desde análisis de EM altamente teóricos hasta artículos prácticos de construcción/evaluación.

Otras lecturas

1. Beyond Wires: Antennas Evolve and Adapt to Meet Demanding Wireless Requirements (Más allá de los cables: Las antenas evolucionan y se adaptan para cumplir con los requisitos inalámbricos exigentes)

https://www.digikey.com/en/blog/beyond-wires-antennas-evolve-and-adapt

2: Antennas: Design, Application, and Performance (Antenas: Diseño, aplicación y rendimiento)

https://www.digikey.com/en/articles/antennas-design-application-and-performance

3: Antenna Selection Depends on Many Factors (La selección de la antena depende de muchos factores)

https://www.digikey.com/en/articles/antenna-selection-depends-on-many-factors

4: Understanding Antenna Specifications and Operation, Part 1 (Entender las especificaciones y el funcionamiento de la antena, parte 1)

https://www.digikey.com/en/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation

5: Understanding Antenna Specifications and Operation, Part 2 (Entender las especificaciones y el funcionamiento de la antena, parte 2)

https://www.digikey.com/en/articles/understanding-antenna-specifications-and-operation-part-2