Diseño de una Antena Yagi: Por qué elemento es más importante

Una antena Yagi-Uda es una matriz direccional de elementos paralelos que concentra la energía radio en una dirección al rechazar las señales desde atrás. El diseño utiliza tres tipos de elementos: un elemento derivado conectado a la línea de alimentación, un ]reflector detrás de ella, y una o más [directorio[LT4]

El elemento conducido es el único componente directamente conectado a su transmisor o receptor. El reflector, cortado más tiempo que el elemento conducido, cancela la radiación a la parte trasera. Directores, progresivamente más cortos a medida que se extienden hacia adelante, enfocan la energía hacia delante. Cuando se ajusta correctamente, las corrientes en los directores se retrasan detrás del elemento conducido, creando interferencia constructiva hacia adelante y interferencia destructiva detrás.

Obtener longitudes de elementos derecha requiere comprensión longitud de onda, contabilidad del espesor del conductor y materiales de boom, y siguiendo un proceso de sintonización sistemático. Esta guía camina a través de cada paso, desde cálculos básicos hasta el ajuste final del campo.

Empezando con Wavelength

Todas las longitudes de elementos Yagi son fracciones de la longitud de onda libre del espacio a su frecuencia de destino. La relación fundamental es:

λ (metres) = 300 / f (MHz)

La constante 300 viene de la velocidad de la luz en millones de metros por segundo. Para la banda aficionado de 2 metros centrada en 145 MHz:

λ = 300 / 145 ♥ 2.069 metros

Para 70 cm a 435 MHz: λ = 300 / 435 ♥ 0,60 m. Una antena de banda ISM de 915 MHz da λ ♥ 0,328 m. Utilice siempre la frecuencia exacta del centro que se propone operar, porque un cambio de frecuencia del 1% cambia de longitudes de elemento.

La realidad del factor de la velocidad

La longitud de onda libre del espacio supone un vacío. En el aire la diferencia es insignificante, pero cuando los elementos pasan a través de materiales aislantes o se recubren, los cambios efectivos de longitud eléctrica. Las varillas de aluminio desnuda en el aire son las más predecibles. Si utiliza alambre aislado o recubrimientos dieléctricos, espere un factor de velocidad de 0.95 a 0.98, lo que significa que los elementos físicos necesitan ser más cortos sugieren.

Los booms de metal crean efectos adicionales. Cuando los elementos pasan por un boom de metal sin aislamiento, el boom actúa como una carga capacitiva, acortando la longitud eléctrica. Muchos constructores añaden una corrección de boom de 0,5 a 1 mm por milímetro de diámetro de boom a la longitud física. Un boom cuadrado de 25 mm puede requerir añadir 10–15 mm a cada elemento antes de recortar.

Calculando el Elemento Conducido

El elemento impulsado se comporta como un dipolo de media onda. En el espacio libre, una dipolo resonante mide 0.5λ, pero factores reales como el espesor del conductor y los efectos finales acortan. La fórmula práctica utiliza un factor de velocidad k, típicamente 0.95 para el aluminio desnudo:

Longitud de elemento de dragado = 0,5 × λ × k

En metros, la fórmula tradicional es L = 142.5 / f (MHz), que ya representa efectos finales en alambres de espesor razonable.

L = 142.5 / 145 ♥ 0,933 m por lado, total = 1,966 m

El elemento conducido puede ser una simple dipole, una dipole doblada (aumento impedancia a cerca de 300 Ω para que se ajuste más fácilmente con un balun 4:1), o una dipole con un acabado gamma. Dipoles plegados usan la misma fórmula de media onda pero requieren ajustar los tonos coincidentes. Construya el elemento conducido primero, mida su resonancia con un analizador de antena, y luego corte los elementos paras consecuentes.

Efectos del Diámetro de Elemento

Los conductores de tubo bajan Q y amplían ancho de banda, pero también acortan la longitud de resonancia. Un dipolo de 145 MHz hecho a partir de tubos de aluminio de 12 mm puede medir 1,92 metros en lugar de 1,97 metros. La mejora del ancho de banda vale la pena el esfuerzo de cálculo adicional: un Yagi con elementos de 12 mm puede cubrir el doble de la frecuencia de uno construido con alambre de 3 mm.

Programas como EZNEC] y 4NEC2] incorporan automáticamente correcciones de diámetro. El ARRL proporciona recursos de diseño y generadores en línea como El diseñador Yagi de K4HCG da dimensiones de inicio rápido.

Configuración del Reflector

El reflector se encuentra detrás del elemento conducido, corta 3–5% más. Para alambre delgado, comience en aproximadamente 0,53λ a 0,51λ. A 145 MHz:

  • 0,53/registro = 1.040 metros
  • 0,510λ = 1.055 metros
  • 0,562 = 1,076 metros

El espaciamiento entre reflector y elemento impulsado normalmente oscila entre 0.15λ y 0.2λ. El espaciamiento más estrecho de las elevaciones impedancia y aumenta la carga; el espaciamiento más amplio reduce la interacción. La longitud del reflector ajustada mientras observa la relación frontal a posteriori - la mayoría de los constructores comienzan en 0,05λ y el trim en incrementos de 1–2 mm hasta que la señal trasera nulls en la frecuencia de diseño.

Un error común es hacer que el reflector demasiado largo, que empuja el nulo frontal a revés más bajo en frecuencia y reduce la ganancia hacia adelante. Un reflector demasiado corto actos como un segundo director, la directividad degradante. Con un boom metálico y elementos montados a través de montaje, añadir la corrección de boom antes de recortar. Realizar un barrido reflector: trim en 2 pasos de mm y registrar la relación frontal a revés.

Tuning Directors

Los directores son más cortos que el elemento conducido. Una secuencia de inicio típica:

  • Director 1: 0.455λ (para 145 MHz: 0,94 metros)
  • Director 2: 0.445λ (0.921 metros)
  • Director 3: 0.435λ (0.900 metros)
  • Director 4: 0.425λ (0.880 metros)

Estos valores cambian con corrección de boom. Un conductor en un boom de metal se comporta como si fuera eléctrico por la capacitancia de boom. Una regla de pulgar: añadir aproximadamente 0.002λ para cada 0.01λ de corrección de diámetro de boom. El software de simulación maneja esto automáticamente.

El ajuste de director es más indulgente que el ajuste de reflector — ganar picos en general — pero el emparejamiento de impedancia es sensible. Si un director es demasiado corto, la resonancia de elementos impulsados cambia hacia arriba y aumenta VSWR. La secuencia práctica: establecer el reflector, añadir el primer director, comprobar la resonancia. Si VSWR mínimo se mueve por encima de su frecuencia de destino, alar el director; si abajo, acortar todo.

El espaciamiento y sus efectos

La longitud del elemento por sí sola no garantiza el rendimiento. El espaciamiento es igualmente crítico:

  • Reflector a elemento conducido: 0.15λ a 0.2λ
  • Elemento conductor al primer director: 0.1λ to 0.2λ
  • Director a Director: 0.15λ to 0.25λ

El espaciado más ancho aumenta la longitud del boom y da un aumento ligeramente mayor al costo de los lóbulos laterales. El espaciado más estrecho reduce la carga del viento pero puede estrechar el ancho de banda y la impedancia de gota.

El espaciamiento también influye en la impedancia de entrada. Si su Yagi muestra un buen salto VSWR pero un impedancia de punto de alimentación lejos de 50 Ω, ajustar el espaciamiento reflector a goteo primero. Aumentar este espaciado aumenta la impedancia; disminuir la reducción de la misma. El espaciamiento de director tiene efectos secundarios pero ayuda a la ancho de banda fino.

Construcción práctica

No hay cálculo que sustituye a la afinación empírica. Este flujo de trabajo ha demostrado ser fiable para los constructores de mandíbulas:

  1. Elige materiales: Elija una frecuencia central y material de elemento: el aluminio 6061-T6 es un buen equilibrio de fuerza y conductividad para el uso exterior.
  2. Longitudes teóricas exactas: Comience de longitud de onda libre y fracción de elementos. Aplique factor de velocidad 0.95 para conductores delgados, 0.92–0.93 para tubos gruesos. Agregue corrección de boom para los booms metálicos.
  3. ] Construir el elemento impulsado primero: Acoplarse con la red de emparejamiento, montar en boom. Medir la frecuencia de resonancia con un analizador de antenas. Trim simétricamente hasta que VSWR se desplome a la frecuencia de destino. Trim ambos lados igual — la asimetría provoca la desquiciación del patrón y la poliarización cruzada.
  4. Añadir el reflector:] Instalar el espaciado diseñado sin directores. Patrón de medición caminando una fuente de señal detrás de la antena. Ajuste la longitud del reflector hasta los picos de rechazo trasero a la frecuencia de diseño. Un medidor de potencia de campo o metro S en un receptor trabaja para comparaciones relativas si un analizador de espectro no está disponible.
  5. ] Directores de plantilla uno por uno: Agrega el primer director, mide la impedancia y el patrón, recortar según sea necesario. Agregue el segundo director, repetir. Cada elemento parasitario tira ligeramente la resonancia de elementos impulsados. El director final puede necesitar ±3 mm de ajuste. Considere el uso de monturas deslizantes para comprobar VSWR en vivo.
  6. Verificación de impedancia final: Un Yagi bien afinado presenta 50 Ω (o 200 Ω con 4:1 balun). Si la impedancia es baja, aumentar el espaciado del director o reducir el espaciamiento del reflector; si es alta, hacer lo contrario. Cambiar una variable a la vez. Unas pocas milímetros de espaciamiento pueden cambiar el dip por 2-3 MHz.
  7. ]A prueba de agua: Una vez ajustados, tornillos de conjunto seguros, use compuesto antioxidante en las juntas de aluminio, y aplique grasas dieléctricas de silicona a sujetadores. Para instalaciones al aire libre, el elemento de recubrimiento se agranda con barniz de poliuretano para prevenir la corrosión galvanica.

Utilizando software de simulación

El cálculo manual enseña los fundamentos, pero el diseño multielementos Yagi se beneficia enormemente del modelado de ordenadores. EZNEC y 4NEC2] son estándares de la industria. Le permiten introducir elementos coordenadas, diámetros y materiales, luego simular ganancia, longitud frontal a posterior, impedancia y patrones de radiación.

Las calculadoras en línea proporcionan dimensiones de inicio rápido. K4HCG Yagi Designer] es una opción popular. Úsala para diseños de primera pasada, luego verifica con un simulador 3D completo. Para el microondas Yagis (2.4 GHz Wi-Fi), longitudes físicas bajan a escala de milímetro, haciendo que la precisión mecánica crítica.

Al utilizar el software, compruebe el ajuste de plano de tierra. La mayoría de los modelos NEC-2 asumen espacio libre, apropiado para el diseño inicial. La verificación final debe incluir un modelo real en la altura de montaje esperada. La adaptación del espacio libre a la cuenta de efectos de tierra normalmente requiere acortar todos los elementos en 0,5–1,5% dependiendo de la altura.

Consideraciones de ancho de banda y multi-band

Un único Yagi es inherentemente de banda estrecha, adecuado para 2–3% de ancho de banda fraccional. Para una cobertura más amplia (144–148 MHz), elementos de espesor. Algunos diseños utilizan directores atrapados o elementos con múltiples bandas, pero los Yagis atrapados requieren un afinado meticuloso. Para la mayoría de los proyectos de la raza de hogar, un único Yagi con ganancia moderada es la opción pragmática.

Para operación de 2 metros a través de simples y repeticiones, diseño para 146 MHz frecuencia central con elementos de 8-10 mm de diámetro. El ancho de banda resultante cubrirá 144-148 MHz cómodamente. Para modos de banda estrecha como SSB o CW, optimiza para una sola frecuencia y aceptar 1.5:1 VSWR en bordes de banda, perfectamente aceptable para la mayoría de transceptores.

Ejemplo del mundo real: 2-Metre 5-Element Yagi

Dirigámonos a través de un diseño práctico para 145.0 MHz utilizando varillas de aluminio de 6 mm en un boom de metal cuadrado de 25 mm con monturas a través de montaje aislado (factor de velocidad 0.97).

  • Elemento conductor (dipolo plegado): longitud de inicio = 0.97 × 0.5λ = 1.003 metros por lado, bucle total ~2.006 metros. Longitud de la pluma típicamente 0.02λ a 0.04λ con el corto deslizamiento para el afinado.
  • Reflector: 0,53λ × 0,97 = 1,010 metros, más 12 mm de auge corrección = 1,022 metros.
  • Director 1: 0.455λ × 0.97 = 0.914 metros + 12 mm = 0.926 metros.
  • Director 2: 0.445λ × 0.97 = 0.894 metros + 12 mm = 0.906 metros.
  • Director 3: 0.435λ × 0.97 = 0.874 metros + 12 mm = 0.886 metros.

Espaciados: reflector–driven = 0.2λ (0.414 m), conducido–D1 = 0.15λ (0.310 m), D1–D2 = 0.25λ (0.517 m), D2–D3 = 0.3λ (0.621 m). Estos son valores de inicio - simulan primero, luego se recortan en un campo abierto de prueba. Ganancia esperada: 10–11 dBi con un cortocircuito superior a 20

Efectos y apilamiento de suelo

Todos los cálculos del espacio libre cambian cuando montas la antena cerca del suelo. Las reflexiones terrestres alteran el patrón de elevación y la impedancia. Yagis polarizados verticalmente pareja con la tierra, resonancia de elementos de cambio. Aumente la antena al menos 1λ sobre el suelo y la re-tonación.

El arnés de corteza de dos Yagis — collinear o lado ancho— requiere un arnés de facción que depende de la eliminación de elementos, haciendo la precisión de longitud aún más crítica. El apilado de frío generalmente utiliza el espaciamiento vertical de 1λ a 1.5λ. El arnés de eliminación de la misma longitud de la antena. Si la longitud de elementos difiere entre Yagis, el patrón de ganancia de la cadena de la cadena de la cadena de la prueba de la

Problemas y soluciones comunes

Incluso los constructores experimentados encuentran problemas. Aquí hay problemas frecuentes:

  • Resonancia demasiado baja: Todos los elementos son probablemente demasiado largos. Trim por 1–2% y remarque. Si sólo el reflector detunes, verifique su distancia de montaje del boom.
  • Impelación lejos de 50 Ω: El espaciado incorrecto es la causa habitual. El reflector ajustado espaciamiento primero, luego el espaciamiento del director. Considere un partido gamma o sombrero capacitivo para el control fino.
  • Pos relación frontal-a-back: Longitud del reflector erróneo o espaciamiento. También comprobar la asimetría del elemento: 2 mm diferencia entre las mitades izquierda y derecha puede degradar el patrón. Utilice un calliper para verificar el corte simétrico.
  • ]Ancho de banda estrecha: Usa elementos más gruesos. Si cambia el diámetro cambia la resonancia, recalcula las longitudes con el nuevo diámetro.
  • Pattern squint: Caused by asymmetrical elements or common-mode current on the feedline. Instale un balun de choque ferrite en el punto de alimentación: 8-10 vueltas de coax a través de un núcleo de ferrite de 31 mix.

Herramientas y Materiales

El corte de precisión necesita una buena medida de cinta métrica, sierra de tacto fino y herramienta de desembalaje. Marca con una afilada pero corta 1–2 mm fuera de la línea y archivo a la longitud final. Nunca recortar ambos lados simultáneamente sin medición. Para UHF y bandas de microondas, un calliper digital es esencial. Utilice siempre un balun actual o Pawsey stub en el elemento impulsado para prevenir corrientes de coctus que causan de flujo de SW

Para instalaciones al aire libre, use herrajes de acero inoxidable y nueces de nylon. Aplica Noalox o similar antioxidante a las juntas de aluminio. Frena el boom adecuadamente para el peso del elemento: un Yagi de 10 piezas crea una carga de viento significativa. Utilice un rotador calificado por lo menos 1,5 veces el par de torsión calculado de la zona del viento.

Pensamientos finales

Las longitudes precisas de elementos Yagi provienen de la comprensión de longitud de onda, reconociendo el papel de cada elemento, y siguiendo un proceso de ajuste sistemático. Las fórmulas de semilla — 0.5λ, 0.52λ, 0.45λ — le dan un punto de partida, pero las dimensiones óptimas emergen de ajustes de modelado y de medición respaldados. Ya sea la construcción de una antena ligera de 3 elementos para el trabajo por satélite o un simulador de metal sólido