Antena Yagi para la Televisión Digital Terrestre

Figura 1. Patrón de cálculo. Antena Yagi

Autor: Reynaldo Javier Alonso Granados / reynaldo@mtz.jovenclub.cu

La antena Yagi es de fácil construcción, rigidez y excelente ganancia, permite recibir las señales de la Televisión Digital Terrestre (TVDT) con una eficiencia muy superior a la de otras antenas de este tipo.

Para garantizar una adecuada recepción de las señales de la TVDT es imprescindible contar con un sistema receptor eficiente, el cual se logra utilizando una antena direccional de alta ganancia, un bajante que cause la menor pérdida posible y un adecuado acoplamiento Antena-Bajante-Receptor.

La mayoría de las antenas construidas de varios directores y reflectores, de “hilo fino”, es decir de varillas o barras relativamente finas, dispuestas de forma paralela entre ellas y transversal con relación al soporte central o boom, son conocidas como Antenas Yagi.

En el caso que nos ocupa, se trata de una antena en la cual se procura lograr un máximo de “Ganancia de Antena Direccional” (GAD) (garantiza 12,5 dB, respecto al dipolo isotrópico, el diseño de cinco elementos) con el formato de mayor rigidez y que soporte las condiciones ambientales más adversas posibles, ya que Cuba es azotada frecuentemente por ciclones tropicales y la humedad relativa se mantiene elevada durante casi todo el año.

Esta antena está construida de varios dipolos rígidos que son fijados directamente en su centro a una barra metálica o boom, como se observa en la figura 1, la cual no se excita, puesto que las líneas de fuerza del vector E (campo eléctrico) la interceptan en ángulo recto, y soportada por el extremo posterior al reflector. El dipolo activo, al cual se conecta el bajante, puede diseñarse en forma de lazo (bucle) para ser utilizado con línea bifilar (cinta) o de forma lineal para la utilización de cable coaxial. Por consiguiente, la antena se monta sin aisladores, lo que la hace muy compacta y de construcción rígida.

La distancia entre el dipolo activo y el reflector se toma entre los límites de 0,15 y 0,25 de la longitud de onda de la frecuencia de resonancia a la que se pretende diseñar la antena, y entre el elemento activo y el primer director, así como entre los directores continuos, en los límites entre 0,10 y 0,35 de la longitud de onda.

 

Figura 1. Patrón de cálculo. Antena Yagi
Figura 1. Patrón de cálculo. Antena Yagi
Figura 2. Dipolos de media onda. a) Dipolo abierto, b) Dipolo con Shunt y c) Dipolo plegado (esquema de Pistolkors)
Figura 2. Dipolos de media onda. a) Dipolo abierto, b) Dipolo con Shunt y c) Dipolo plegado (esquema de Pistolkors)

En la figura 2 se muestra el diseño detallado de los dipolos activos, tanto para bajante de cinta como para bajante de cable coaxial:

  1. Dipolo abierto (bajante: cable coaxial).
  2. Dipolo unido en el centro al Boom, con shunt (bajante: cable coaxial).
  3. Dipolo plegado (esquema de Pistolkors, bajante: cinta bifilar).

Nota técnica: La impedancia característica de un dipolo abierto y de un dipolo plegado es 72 y 270 Ω, respectivamente.

Ejemplo para el cálculo de una antena.

Problema: “Calcular una antena Yagi, con dipolo plegado, para el canal 45 de la TVDT.”

Solución: El canal 45 de la TVDT, teniendo un ancho de banda de 6 MHz, le corresponde el intervalo de frecuencias 656 – 662 MHz, según se especifica en la Web de LACETEL. Este dato es el punto de partida para realizar los cálculos, pues permite determinar la longitud de onda (λ) de la señal portadora para la cual será diseñada la antena. Se toma la frecuencia central del intervalo siendo en este caso 659 MHz. La longitud de onda (λ) y la frecuencia (f) de una onda electromagnética están relacionadas por la siguiente fórmula:

λ.f = C

Donde C = 300000 km/s, la velocidad de las ondas electromagnéticas en el vacío, pero en materiales como el cobre o el aluminio, esta velocidad resulta algo menor y entonces se multiplica por el llamado factor de velocidad de propagación que a los efectos prácticos, para dichos materiales, se toma como 0,95. Despejando λ, y teniendo en cuenta este factor, la longitud de onda queda determinada por la siguiente fórmula:

λ = 0,95 (C / f)

Si expresamos C en mm/s y f en MHz, λ quedará expresada en mm y así, las longitudes calculadas, para los diferentes elementos de la antena, tendrán la mayor precisión. Haciendo las conversiones necesarias, la fórmula anterior adopta la forma que sigue:

λ = (285000 / f) mm

Como la frecuencia central del canal 45 es 659 MHz:

λ = (285000 / 659) = 432 mm

A partir de este cálculo, se realizan los demás, siguiendo las relaciones que se dan en la figura 1.

Longitud del reflector (R)

R = 0,525 λ = 227 mm

Longitud del dipolo (D)

D = 0,5 λ = 216 mm

Longitud de los directores (d)

d = 0,48 λ = 207 mm

Distancia reflector-dipolo (RD)

RD = 0,15 λ = 65 mm

Distancia dipolo-primer reflector (Dd)

Dd = 0,1 λ = 43 mm

Distancia director-director (dd)

dd = 0,1 λ = 43 mm

 

Figura 3. Esquema de la antena Yagi, diseñada para el canal 45 (f0 = 659 MHz)
Figura 3. Esquema de la antena Yagi, diseñada para el canal 45 (f0 = 659 MHz)

El ancho del dipolo se tomó como 27 mm, lo cual representa 1/16 de la longitud de onda, es decir, (432 /16) mm, mientras que la separación entre las puntas, se tomó como 1/24 de la longitud de onda, o sea, 18 mm, resultado de dividir (432 mm / 24)

Figura 4. Diseño del Dipolo Plegado
Figura 4. Diseño del Dipolo Plegado

Es importante señalar que cualquier antena que se diseñe estará sujeta al entorno en el lugar de su colocación definitiva, lo cual podría variar sensiblemente su eficiencia, por lo que se recomienda su emplazamiento en un mástil a una altura nunca menor a 3 m con relación a la superficie donde se coloque, es decir a partir del suelo físico ya sea en tierra o en un techo y separada a más de 10 m del obstáculo más próximo, además de lograr, en lo posible, que exista línea de vista entre la antena transmisora de la señal a recibir y la antena receptora que se utilice. Se recomienda emplear, como altura máxima, los 12 m a partir de los 3 m mínimos recomendados (es decir, no más de 15 m) ya que con una altura superior comienzan a ser significativas las pérdidas en el bajante así como estar más expuesto a las fuerzas del viento. Se aconseja, luego de ser construida y comprobado su funcionamiento y eficiencia, cubrir la antena totalmente y hasta el acoplamiento con el bajante, con barniz para enrollado eléctrico o con pintura de esmalte resistente a la intemperie. Es muy IMPORTANTE lograr el máximo de conductividad eléctrica entre la antena y el mástil para asegurar una buena protección contra las descargas eléctricas atmosféricas.

Listado de componentes

Boom: Tubería de Aluminio de 24 mm de diámetro y 2 mm de espesor o biga tipo U de 20 x 20 mm.

Varillas cilíndricas de aluminio de 10 mm de diámetro.

Grapas de acero galvanizado con rosca para tuercas M10, galvanizadas.

Referencia

LACETEL Instituto de investigación y desarrollo de Telecomunicaciones. Disponible en http://www.lacetel.cu/television-digital/informaciones-utiles.html

Márkov, G. T. & Sazónov, D. M. (1978). ANTENAS: Editorial MIR.

 

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Sobre Bernardo Herrera Pérez 10 Artículos
Licenciado en Educación, especialidad Física. Integrante del 4to Contingente del Destacamento Pedagógico Manuel Ascunce Domenech. Me apasiona el trabajo con microcontroladores PIC.

2 Comentarios

  1. Bernardo una pregunta,si hago dos antenas una para HD y otra para SD segun la metodica de cálculo expuesta (ya la probe y quedo buena en una frecuencia mixta). pero si quisiera hacer las antenas separadas me surge la pregunta: ¿Como conectarlas a un mismo coaxial?, lleva algún elemento o requisito?, pudieras aclara eso.

    • Colega, entiendo que quieres hacer una antena para el canal cuya frecuencia portadora lleva la señal HD y otra para el que trasporta la señal SD. Aclaro que la antena está determinada por la portadora, no por el tipo de información que transporta. En ese caso, haces las dos antenas siguiendo el procedimiento descrito en el artículo, una para cada canal. Las fijas al mástil una encima de la otra, dejando un espacio prudencial (30 – 50) cm. Mediante un pedazo de cinta bifilar, unes los dipolos de forma cruzada. Colocas el adapador de impedancia y bajas con un solo cable coaxial.
      Saludos.

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