Antena Yagi-Uda

    1. Introdução
    2. As antenas Yagi-Uda são muito utilizadas nas faixas de frequência HF (3 - 30 MHz), VHF (30 - 300 MHz) e UHF (300 - 3000 MHz). Desde que foi apresentada pela primeira vez em 1927 por S. Uda, este tipo de antena foi sujeita a um trabalho exaustivo, analítico e experimental. A antena Yagi-Uda é constituída por um dipolo activo, excitado directamente pela linha de transmissão, e dipolos parasitas cujas correntes são induzidas por acoplamento mútuo. A direcção de máxima radiação é segundo o eixo da antena e é imposta pelos dipolos parasitas directores e reflectores colocados respectivamente à frente e atrás do dipolo excitador.

      O objectivo final deste trabalho é fazer o dimensionamento de uma antena Yagi-Uda para operar no canal 9 (203-209 MHz). A análise e optimização da antena dimensionada será feita utilizando o programa MMAna.

       

       

    3. Procedimentos

 

2.1 Dimensionamento de um dipolo de meio comprimento de onda

a) Com o objectivo de se familiarizarem com o programa MMAna vai-se começar por fazer o dimensionamento de um dipolo de meio comprimento de onda também a funcionar no canal 9. Ele é constituído por tubo de alumínio de 0,8 cm de diâmetro. Coloque-o paralelo ao eixo dos z's. Corrija o seu comprimento de forma que ele se torne ressonante controlando o valor da impedância de entrada.

b) Obtenha os diagramas de radiação nos planos E e H.

c) Obtenha o seu ganho face ao radiador isotrópico e compare-o com o valor obtido teoricamente.

d) Divida por dez o diâmetro do condutor utilizado e repita as alíneas a), b) e c). Comente as diferenças encontradas.

 

2.2 Experiências com uma antena Yagi-Uda de 3 elementos

a) Geometria: seja uma antena Yagi-Uda com apenas 3 elementos (veja a Figura 1), operando no canal 9. O reflector tem comprimento L1=0.520l, o excitador tem comprimento L2 = 0.500l e o director tem comprimento L3 = 0.467l. A distância entre o reflector e o excitador é d12 = 0.250l e entre o excitador e o director é d23 = 0.200l. Todos os elementos utilizam tubo de alumínio de 0,8 cm de diâmetro. Utilize pelo menos 10 segmentos por elemento e ponha a fonte de tensão no centro do excitador. Analise esta antena entre os 206 e 209 MHz. Guarde as principais características (para futuras comparações) sobre a directividade, razão frente/verso e impedância de entrada. Em particular, note que a directividade decai muito rapidamente após atingir seu valor máximo (uma característica quase sempre presente em antenas Yagi e que requer especial atenção no seu dimensionamento).

Figura 1: Antena Yagi-Uda de 3 elementos.

b) Variação do Comprimento do Director: diminua L3 para 0.450l e repita a análise anterior. Depois, repita tudo com L3 = 0.484l. Repare que o comprimento do excitador influi em todas as características da antena. Em particular, repare que a frequência correspondente ao máximo de directividade tende a aumentar na medida em que L3 diminui (desde que as variações de L3 não sejam exageradas).

Após o projecto inicial (por exemplo, com o auxílio de um ábaco apropriado), analisa-se a directividade obtida ao longo da faixa de operação. Geralmente, observa-se o comportamento exemplificado pela Figura 2 (linha cheia). Caso a directividade mínima exigida para a faixa tenha sido violada no extremo superior da faixa, diminui-se lentamente os comprimentos dos directores na tentativa de deslocar o máximo de directividade para uma frequência mais alta (linha tracejada) e com isso satisfazer a directividade exigida. As distâncias entre directores e entre o director e o excitador também afectam as características eléctricas da antena Yagi.

c) Variação do Comprimento do Reflector: partindo da geometria inicial (ou seja, ignore as alterações efectuadas no item anterior), diminua L1 para 0.513l e repita a análise. Depois, repita tudo para L1 = 0.527l. Repare que, apesar da pequena variação de L1, o comprimento do refector influi consideravelmente na razão frente/verso. Porém, a sua influência na directividade não é significativa (em antenas Yagis com diversos directores, a influência do reflector na directividade é ainda menor). Logo, uma vez especificadas as dimensões relacionadas aos directores de forma a obter a directividade exigida, varia-se o reflector (tanto o seu comprimento quanto a sua distância até o excitador) na tentativa de melhorar a razão frente/verso ao longo da faixa de operação.

Figura 2: Variação típica da diretividade da antena Yagi-Uda ao longo da

faixa de operação: diretores maiores (linha cheia) e menores (linha tracejada).

d) Variação do Comprimento do Excitador: a partir da geometria inicial diminua L2 para 0.480l e analise a antena. Repita a análise, agora com L2 = 0.517l. Repare que a variação de L2 basicamente altera apenas a impedância de entrada da antena. Geralmente L2 é alterado no final de um ciclo de optimização para tentar o ajuste fino da impedância de entrada da antena, já que a variação não exagerada do comprimento do excitador pouco altera a directividade e a razão frente/verso da antena Yagi.

 

2.3 Dimensionamento de uma antena Yagi-Uda

a) Vamos por fim dimensionar uma antena Yagi-Uda que satisfaça os seguintes requisitos apresentados:

Antena Yagi-Uda para operar no canal 9 (203-209 MHz) com um ganho mínimo de 10 dBd e com uma variação máxima de 2 dB na faixa de frequência referida acima. Esta antena é para recepção de sinal de TV em que o nível de impedância é de 75W. O COE (coeficiente de onda estacionária) máximo na faixa de operação não deve ser superior a 1.5. A relação frente/verso deve ser superior a 20 dB. Todos os elementos da antena utilizam tubo de alumínio de 0.8 cm de diâmetro.

b) O dimensionamento inicial da antena deve ser obtido utilizando as regras apresentadas nos acetatos. Nomeadamente deve ser obtido:

. número N de elementos da antena (1 reflector, 1 excitador, N-2 directores)

. comprimentos dos elementos e distâncias entre eles

c) Optimização do projecto inicial de forma a satisfazer as especificações podendo ser utilizadas as possibilidades de optimização disponibilizadas pelo programa MMAna.