La 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 antenas que 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.

Muchos habrán leído, escuchado o utilizado lo que se conoce como “Dummy Load” o “Carga Fantasma”. Es un dispositivo que se usa para realizar ensayos y ajustes en los transmisores y receptores de radio. Es una carga resistiva pura que posee un valor en Ohms idéntico al del equipo con el que se está trabajando. Es decir, le “hace creer” al equipo que está conectado a una antena ideal. Por lo tanto, cuando construimos una antena y luego la ajustamos hasta lograr un rendimiento óptimo, estamos buscando dos cosas muy importantes. Una es hacerla resonar en su máxima amplitud, dentro de la frecuencia de trabajo deseada y lo segundo es que represente para el equipo una carga resistiva pura, por más que un puñado de caños (o tubos) de aluminio no se parezcan en nada a una resistencia tradicional.

A este valor se lo conoce como resistencia de radiación de la antena y se encuentra en el punto de alimentación de la antena. Un término más general es el de “impedancia” de una antena que además de implicar la componente resistiva pura, suma los valores reactivos que por mucho que lo intentemos, nunca llegan a anularse. Dicho de otro modo, podremos lograr una excelente antena, pero nunca será una carga resistiva pura. Siempre existirán reactancias inductivas y capacitivas residuales. Además, no estamos trabajando con corriente continua, por esto, el término más apropiado y usado es “impedancia de antena”.

Volviendo a 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 no 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.

El adaptador gamma es ideal para trabajar con líneas de alimentación des-balanceadas y además, es muy simple de implementar en forma mecánica; es decir, es fácil de construir. El principio de funcionamiento de este sistema es el acoplamiento capacitivo de la línea de transmisión al irradiante en un punto donde la impedancia sea óptima (coincidente con el cable coaxial) para lograr la máxima transferencia de energía hacia el irradiante. Se construye utilizando un pequeño tubo de aluminio o cobre, dentro del cual se introduce un trozo de conductor central de cable coaxial RG213. Esa sección, introducida dentro del tubo mencionado, sería una continuación del conductor central de la línea de transmisión que llega a nuestra antena.

Dentro de ese tubo estaremos construyendo un capacitor (o condensador) donde las placas que intervienen son: el conductor central utilizado y el tubo. Una longitud apropiada de este conductor central fijará la frecuencia de trabajo y resonancia del elemento activo mientras que el puente físico (abrazadera que cierra el capacitor creado) que puede desplazarse desde el centro de la antena a la periferia determinará el punto de menor ROE (Relación de Ondas Estacionarias) o SWR (Standing Wave Ratio). No te preocupes ahora por esto, lo veremos al final del montaje, pero vale aclararlo para comprender y asimilar la teoría de funcionamiento de este tipo de antenas.

Por lo tanto, si en el punto central del dipolo tendremos un potencial que tiende a cero, podemos realizar como material de soporte (de todos los elementos) un tubo de aluminio o de cualquier otro metal rígido. Los elementos pasivos, que también resonarán a la frecuencia de corte que posean, funcionarán en forma análoga y de esta manera podemos tener todos los elementos montados sobre un “boom”. Algunos textos lo mencionan como “pluma”, pero no te acostumbres a llamarlo de ese modo ya que el mundo entero lo llama “boom”. La maravilla de la radio y las ondas electromagnéticas permiten que este sistema funcione, ya que suena extraño el hecho de colocar toda la antena a tierra o GND, a través del boom. Sin embargo, el análisis teórico nos demuestra que, además de ser posible, es una forma de lograr una construcción metálica resistente a las inclemencias climáticas y es lo que permite la estadía permanente de las antenas en lo alto de las torres.

Nada nos impide utilizar un boom de material aislante, como el plástico o la madera, ya que el funcionamiento de la antena no se basa en la interconexión entre elementos, sino en la resonancia de los mismos. Usar un boom metálico es aprovechar una ventaja eléctrica que otorga el sistema, al presentar un potencial nulo en el centro de cada elemento que interviene en la formación. Nosotros utilizaremos un boom de madera ya que deseamos usar la antena en forma móvil y realizar una construcción sencilla. Tú puedes elegir el material que creas conveniente, sea metálico o aislante; el resultado será el mismo.

En la próxima entrega estaremos viendo las dimensiones de los elementos, la distancia de separación entre cada uno de ellos y te explicaremos como se ajusta este tipo de antenas. Por supuesto que haremos ensayos de comparación con respecto a una sencilla antena de un cuarto de onda, es decir, respecto a una antena “considerada” sin ganancia.