Antena yagi 270 MHz

ANTENAS Y RADIOPROPAGACIÓN
INGENIERÍA EN TELECOMUNICACIONES
ING. KEVIN J. FIGUEROA MAZA
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA
Código FLA-23 v.00
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1.DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UNA ANTENA YAGI-UDA PARA LA BANDA DE
FRECUENCIAS VHF.
2. Objetivo
Diseñar y modelar mediante el software MMANA-GAL una antena YAGI-UDA que
tenga como frecuencia central de operación 270MHz, correspondiente a la banda
de frecuencias VHF, para ser funcional como instrumento de recepción del sistema
de televisión digital terrestre implementado en Colombia como DVB-T (Digital
Video Broadcasting Terrestrial).
3. Marco Teórico
MMANA-GAL es una herramienta computacional para el análisis de antenas
basada en el método de los momentos MoM1
. El método de los momentos
resuelve la distribución de la corriente en el centro de un alambre conductor
haciendo una predicción cercana a la exactitud de la distribución de líneas de
corriente en una antena. El MoM se basa en la premisa de que una antena es
caracterizada por un conjunto de cables de grosor arbitrario y rectas en el espacio
libre respecto de un plano de tierra [1]. El proceso se inicia con los siguientes
supuestos:
• El radio de los alambres es muy pequeño con respecto a la longitud de
onda y a la longitud del alambre.
• El cable debe ser subdividido en segmentos cortos de manera que el radio
supuesto deba ser pequeño con respecto a las longitudes de los
segmentos.
• Las corrientes en los cables deben dirigirse axialmente (de forma que no
hayan corrientes circunferenciales dentro de los cables).
1
en el electromagnetismo computacional el método de los momentos o también conocido como el método de
los elementos de contornos MoB, es un método de cálculo numérico computacional para resolver ecuaciones
diferenciales lineales parciales que a su vez se han formulado en forma de ecuaciones integrales, esto es en
forma de integrales de contornos.

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Los parámetros que MMANA-GAL emplea son los siguientes:
Parámetros Versión PRO Versión Básica
Segmentos Máximos Hasta 32000 8192
Cables Máximos 3000 512
Fuentes Máximas 200 64
Cargas Máximas 300 100
Archivos Fusionados de
Antenas
2 a 4 Ninguno
Deshacer / Rehacer Ilimitado Ninguno
Cables de
Autoverificación
Si Ninguno
Velocidad de Calculo 150% 100%
Tabla 1. Parámetros de MMANA-GAL.
MMANA-GAL fue introducido originalmente en entorno MININEC de la Apple II
computer, escrito en Fortran para los códigos de métodos numéricos de
electromagnetismo [2]. Las funciones propias del software MMANA-GAL pueden
ser resumidas en los siguientes puntos [3]:
• Tabla para la edición, diseño y definición de la antena.
• Expectativa gráfica de la antena.
• Visor de los patrones de radiación de la antena, tanto horizontal como
vertical.
• Visor del patrón de radiación en 3D.
• Editor de elementos para la antena.
• Editor de cable de la antena.
• Herramientas para la definición y combinación de elementos con diferentes
diámetros.
• Generador de archivos de datos.
MMANA-GAL incluye constantes que se calculan automáticamente en el
programa. Estas constantes pueden ser utilizadas para definir longitudes, las
cuales son:
• R – lambda (wavelength) en metros
• I – 1 inch = 2.54 cm
• F – foot (pie) = 12 inches (pulgadas)

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En la primera pestaña de funciones del software se describe la geometría de la
antena que se desee diseñar y simular, en esta se utilizan las siguientes variables
(las unidades de lambda son en metros a menos que se especifique lo contrario):
X1: eje X la posición de partida del alambre.
Y1: eje Y la posición de partida del alambre.
Z1: eje Z posición de salida del cable.
X2: eje X posición final del alambre.
Y2: eje posición final del alambre.
Z2: eje Z posición final del cable.
R: Radio del alambre (las unidades son en milímetros o lambda).
SEG: Método de segmentación.
En la definición de la geometría se pueden presentar ambigüedades respecto al
sistema de referencias cartesiano, esto porque los elementos de una antena
YAGI-UDA se reparten longitudinalmente y paralelos entre si según la dirección del
lóbulo de radiación principal de la antena, la antena se ubica en el origen del
sistema cartesiano tomando en cuenta que el elemento correspondiente al dipolo
central se ubica en el centro u origen del sistema, de esta forma la matriz en la
geometría se llena respecto a la posición de cada elemento, si longitudinalmente
el dipolo central es instalado axialmente en el eje X entonces todos los demás
elementos directores y reflector se ubicarán paralelamente al eje X, de esta forma
sus longitudes también serán medidas axialmente respecto al eje X, es cuando se
miden las distancias relativas (perpendicularmente) respecto a la posición del
dipolo central utilizando una medida estándar de la antena YAGI-UDA.
La antena YAGI-UDA fue inventada por el DR. SHINTARO UDA y el DR. YAGI
HIDETSUGU en los años 1920s. Estas antenas son ampliamente utilizadas en la
comunicación de radio inalámbrica, de recepción de señal de televisión, etc.
Por consiguiente, todos los elementos que la componen interaccionan mediante la
recepción y la retransmisión de la energía electromagnética, actuando como
elementos parásitos por corrientes inducidas. El importante descubrimiento
consistió en darse cuenta de que la ganancia aumentaba por el estrechamiento de
la anchura del haz del dipolo, es así que mediante los elementos directores en el
haz se centra la energía electromagnética en la dirección deseada, desde el punto
de vista de los materiales usados para su construcción, estos son muy baratos,
por lo que este instrumento se vuelve muy popular hasta ahora [4].
En la Figura 1. Se muestra la disposición espacial de elementos en la antena
YAGI-UDA.

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La antena es descrita como una fila de dipolos receptores de radiación
longitudinal. Un solo elemento activo es alimentado y el resto de elementos
simplemente es excitado por la radiación que los induce, lo que los convierte en
elementos pasivos. La onda, que es irradiada o recibida por el elemento activo,
induce corrientes que influyendo la aquellos elementos pasivos construyen el
patrón característico de radiación de la antena YAGI-UDA. Dependiendo del
número de directores, la ganancia de la antena está entre 10dB y 15dB. Las
longitudes de los elementos no son elegidas al azar, estas se calculan tomando en
cuenta la frecuencia de operación de la antena F c [5].
Habiendo analizado la versatilidad de la antena YAGI-UDA, se procede a
especificar la frecuencia de operación F c para el diseño de la antena. Para esta
práctica se ha escogido una frecuencia central de operación de 270MHz, la cual
corresponde a un punto de operación dentro de la banda VHF del espectro de
radiación electromagnético, esto puede comprobarse viendo la Figura 2. En donde
se ilustra el espectro de radiación electromagnético y las frecuencias superior e
inferior de la banda VHF, las cuales son 300MHz y 30MHz respectivamente.
Según el documento de definición de las especificaciones técnicas de la TDT en
Colombia, en facultades de la comisión de regulación de comunicaciones, en el
cual se establecen los requisitos mínimos que garantizan la compatibilidad de
televisores y set-top boxes (cajas decodificadoras) con la señal radiodifundida de
televisión digital DVB-T que se emite en Colombia, los cuales se relacionan a
continuación:
VHF
54MHz a 72MHz
76MHz a 88MHz
174MHz a 216MHz
Tabla 2. Frecuencias de Broadcasting de TV digital en Colombia
La tabla 2. Muestra el listado actualizado de parámetros técnicos para el estándar
DVB-T2, que han sido identificados para los equipos receptores, analizados a
partir de experiencias internacionales y las propuestas de los diferentes agentes
involucrados en la TDT, entre los cuales se cuentan, el Consorcio de Canales
Privados, la ANDI (Asociación Nacional de Empresarios de Colombia) y la
Subcámara de Electrodomésticos [6]. De esta información puede intuirse que los
equipos de recepción para los canales obligatorios de Colombia operarán en la
banda VHF con el fin de facilitar la transición de la televisión analógica a la
digital, prestando un servicio de broadcasting compatible con los equipos actuales
en el mercado y próximos a comercializarse.

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Estos equipos de televisión necesitarán de una antena de recepción compatible
con esta banda de radiodifusión, funcional y de fácil adquisición o fabricación,
antena la cual es el principal propósito de esta práctica.
4. Materiales, Equipos e Insumos
Equipo de cómputo con el software MMANA-GAL instalado.
5. Reactivos
No aplica.
6. Procedimiento
• Observar en cualquier gráfico de la distribución del espectro electromagnético las
frecuencias correspondientes a la banda VHF. Estas normalmente están entre
30MHz y 300MHz.
• Como un intento de obtener una Fc dentro de la banda VHF se optó solo por la
diferencia de los limites en vez de su promedio real, puesto que así los resultados
serán respecto a una frecuencia mas alta. Para obtener la frecuencia central de
operación de la antena YAGI-UDA, se calcula dicha de límites de operación en la
banda VHF.
Fc=300MHz−30MHz=270MHz Ec.1
• Después de obtener la frecuencia central de operación de la antena YAGI-UDA, se
procede a calcular las dimensiones de la antena:
En el software MMANA-GAL las dimensiones de la antena diseñada se insertan en
la pestaña de geometría, formando una matriz de puntos en un sistema cartesiano.
Esto puede verse en la Figura 3.
λ=
c
Fc
Ec.2
Tomando en cuenta la relación de la velocidad de una onda electromagnética en el
espacio libre y su frecuencia respectiva es posible calcular la longitud de onda:
λ=
3x10
8
270x10
6
[m] Ec.3
λ=1,11[m] Ec.4

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De esta forma, se calculan las dimensiones características de la antena
YAGI-UDA, tomando en cuenta las siguientes relaciones porcentuales: para el
reflector el 100% de la longitud del dipolo de media onda, para el dipolo central el
95% y para los directores el 90% de la longitud del dipolo de media onda.
Reflector=λ
2
=0,55[m] Ec.5
DipoloCentral=0,95 λ
2
=0,53[ m] Ec.6
Director(es)=0,9 λ
2
=0,49[m] Ec.7
Para calcular las distancias relativas al dipolo central de los elementos reflector y
director(es) se toma en cuenta la relación porcentual observada en la Figura 1. La
cual es del 25% de λ para el reflector que en la Ec.8 es D1 y del 34% de λ para el
primer director que en la Ec.9 es D2
D1=0,25λ≈0,25[m] Ec.8
D2=0,34λ≈0,35[m] Ec.9
• Los valores obtenidos por las Ec.2 a la Ec.9 se ingresan en la matriz de valores del
software MMANA-GAL. Como se ilustra en la Figura 3. Asignando también el valor
de w1c para indicar la existencia y posición de la alimentación del dipolo central.
• Luego de establecer la geometría que conforma la antena YAGI-UDA, se dirige
hacia la pestaña de vista y se observa la disposición de los elementos: reflector,
dipolo central y directores, consecutivamente según el crecimiento del eje de las
abscisas en el sistema cartesiano. Esta estructura puede verse en la Figura 3.

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• En la siguiente pestaña de nombre Calcular, se elige el modo de operación de
MMANA-GAL, los cuales pueden ser, REAL, PERFECTO o en el ESPACIO LIBRE.
Para la práctica se ha optado por el ESPACIO LIBRE, en la parte inferior de la
ventana, está un botón indicando el inicio del cálculo “START”. De esta ventana
puede extraerse la información siguiente:
1. R(Ohm): Se refiere a la impedancia que presenta la antena.
2. jX(Ohm): Se refiere a la reactancia que presenta la antena.
3. F(MHz): Frecuencia de operación de la antena.
4. Ga dBi: Ganancia en unidades absolutas de la antena.
5. Ground: Donde se especifica si es un sistema de cuerpo libre o si es un
sistema real.
6. Polar: se especifica la polarización de la antena.
• En la siguiente pestaña se dibuja “plotea” el patrón de radiación del campo radiado
por la antena YAGI-UDA.
• A continuación se puede ver el patrón de radiación en 3D que confirma la
directividad de la antena YAGI-UDA. Como se muestra en las figuras 7, 8 y 9.
7. Nivel de Riesgo
No Aplica

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8. Conclusiones
• De esta práctica se concluye que en la aplicación a necesidades de
recepción a frecuencias de hasta 1240MHz puede emplearse el software
libre MMANA-GAL para el diseño y la simulación de una antena YAGI-UDA
que atienda a las necesidades de la comunicación.
• Es claro que en la transición de los sistemas de televisión en Colombia para
DVB-T se conservaran algunas características para que se garantice la
posibilidad de recepción en electrodomésticos que operen en bandas de
VHF y UHF, estando los canales nacionales en la banda de VHF, por lo que
la implementación de una antena YAGI-UDA es una solución favorable en
cuanto a la facilidad de diseño y en cuanto al costo de manufacturación.
• En las etapas del diseño el software MMANA-GAL ofrece la importante
cualidad de modelar el diseño antes de empezar a construirlo, de esta
forma puede verse el patrón de radiación característico de una antena
YAGI-UDA sin cometer errores en la realidad. Se pudo observar como los
elementos directores alteran el patrón de radiación concentrando el lóbulo
principal del dipolo casi que en una sola dirección, siendo la mayor
efectividad de la antena un lóbulo de radiación lo más directivo posible.
• El método de momentos permite calcular el patrón de radiación al igual que
la impedancia de entrada, información que es necesaria para alimentar las
antenas con óptimos resultados. Se observó que el patrón de radiación
para la antena dipolo de media onda se reparte hacia dos direcciones,
obteniendo la máxima potencia a 90° y a 270°.
• Para obtener un correcto funcionamiento de los dipolos, resulta de vital
importancia conseguir un buen ajuste de las dimensiones de los mismos
durante el desarrollo práctico del diseño, consiguiendo una máxima
transferencia de potencia y un ancho de banda suficientemente amplio para
asegurar que las antenas presenten una buena adaptación en la banda de
frecuencias que se trabaje.
• Esta práctica permitió conocer, a mayor profundidad, cual es el correcto
procedimiento para simular los patrones de radiación de una antena en el
software MMANA GAL. El objetivo general del desarrollo de este tipo de
prácticas es el de observar y analizar los diferentes tipos de
comportamiento de las antenas que se midan con respecto a su potencia.

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• El software MMANA-GAL ofrece la facilidad de observar parámetros
importantes como la impedancia, reactancia y ganancia de la antena, que
nos permiten una mejor visión de nuestro diseño. Y además permite la
optimización del diseño respecto al ohmiaje por defecto del mismo,
adaptándolo así al sistema convencional de 50Ω o 70Ω.

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8. Bibliografía
[1] W. Alezander, «A Tutorial on Moment Method Computer Modeling for
Performance Verification of AM Directional Arrays.,» Crawford Broadcasting
Company, 2012.
[2] R. Lewallen, «MININEC: The Other Edge of The Sword,» 2007.
[3] M. Ryan, «MMANA-GAL Tutorial,» 19 04 2013. [En línea]. Available:
http://www.softpedia.com/get/Science-CAD/MMANA-GAL.shtml. [Último acceso:
20 01 2014].
[4] J. K. Tingwei Guo, «Measuring and Simulating the Antenna Patterns of ISU's
Ground Station.,» International Space University., 2013.
[5] D. Č. "Zbyněk RAIDA, «http://www.urel.feec.vutbr.cz,» 01 01 2014. [En línea].
Available: http://www.urel.feec.vutbr.cz/~raida/multimedia/index.php?nav=4-3-A.
[Último acceso: 20 01 2014].
[6] B. Morales, «Definición de las Especificaciones Técnicas de la TDT-T en
Colombia,» Comisión de Regulación de Comunicaciones , Bogota, 2012.
[7] http://radioaficionado.files.wordpress.com/2008/07/espectro.jpg.
[8] http://gal-ana.de/basicmm/en/

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9. Anexos
Figura 1. Esquema de la Antena YAGI-UDA
Figura 2. Espectro de radiación utilizado en las comunicaciones electrónicas.

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Figura 3. matriz de valores en la pestaña de geometría.
Figura 4. Vista en el sistema cartesiano de la antena.

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Figura 5. Vista de la pestaña de calculo de la antena
Figura 6. Vista del patrón de radiación.

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Figura 7. Patrón de Radiación, vista superior.
Figura 8. Patrón de radiación, vista lateral derecha.

Guía Unificada de Laboratorios
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Figura 9. Vista del patrón de radiación.

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