Antena Yagi-uda De 5 Elementos Vhf

ANTENA YAGI-UDA DE 5 ELEMENTOS PARA VHF

Mário Mateus, CT1AHM. [email protected] Página Web. http://pwp.netcabo.pt/0316988701

A operação em QRP requer sempre sistemas de irradiação bem dimensionados e ajustados. Este requisito assume particular importância quando se opera em VHF. Basta fazer uma busca na Internet e, de imediato, temos acesso a uma quantidade de projectos de antenas dos mais variados tipos e para as mais diversas frequências. Da mesma forma são inúmeros os projectos divulgados em revistas e em livros, nomeadamente nos Handbook. Encontram-se também vários programas de cálculo que permitem fazer o dimensionamento e a simulação de antenas. Há já algum tempo que procurava um projecto para a realização de uma antena YagiUda para a banda de VHF e, foi exactamente numa destas buscas, que encontrei um documento publicado em 1976, pelo National Bureau of Standards. Este documento apresenta a colecção de uma série de resultados obtidos pela experimentação de antenas Yagi, de variadas configurações. Estas antenas devem o seu nome aos professores Hidetsugu Yagi e Shintaro Uda, da Tohoku Imperial University (actual Universidade de Tohoku), no Japão e, que entre os anos 1926 e 1930 efectuaram uma série de experiências com antenas que, na sua versão original, eram compostas por um dipolo, um reflector e um director. Relativamente a estas antenas, descrevendo o seu funcionamento de forma simplificada, dir-se-ia apenas que a energia com que se excita o dipolo induz nos outros elementos (aqui considerados parasitas, por serem passivos) correntes de amplitude e fase que dependem, individualmente, do comprimento de cada um destes e ainda da sua distância relativamente ao elemento excitado, o dipolo. Em consequência desta distribuição de correntes, e das suas fases relativas, conseguese que o campo electromagnético gerado, tenha maior intensidade na direcção frontal (para onde apontam os directores) e menor na direcção oposta (o lado do reflector), adquirindo assim características direccionais. Nestas antenas, o ganho de potência está assim relacionado com o número de elementos parasitas que a compõem, o que tem naturalmente influência no comprimento físico da estrutura que suporta estes elementos, também denominado de “boom”.

Características adimensionais optimizadas:

A Tabela 1, transcrita do citado documento, apresenta os valores correspondentes às dimensões de uma antena de 5 elementos com um comprimento de boom igual uma fracção de 0,8 do comprimento de onda da frequência de interesse ( 0,8 xλ ). Comprimento do boom, λ

0,8

Comprimento do reflector, λ

0,484

Comprimento dos directores, λ

D1

0,437

D2

0,429

D3

0,437 0,20

Espaçamento entre directores, λ

Tabela 1 – Valores optimizados para o comprimento dos elementos considerando uma relação entre o diâmetro dos elementos e o comprimento de onda,

d

λ

= 0,0058 .

Dimensionamento da antena para a frequência de 145,000 MHz:

Utilizando os valores tabelados, dimensionam-se os comprimentos dos vários elementos começando por calcular o comprimento de onda

λ=

300 = 2,0689 m 145,000

D1 = D3 = 0,437 x 2,0689 = 0,903 m D 2 = 0,429 x 2,0689 = 0,888 m

REFLECTOR = 0,484 x 2,0689 = 1,001 m DIPOLO = 0,95 x

2,0689 = 0,983 m 2

Estas são as dimensões que deveríamos tomar considerando que os elementos se encontram isolados do boom. No entanto, na opção construtiva tomada, os elementos cujo diâmetro é de 12 mm atravessam o boom, pelo que os seus comprimentos têm que ser

corrigidos. Esta correcção é função da relação entre o diâmetro equivalente do boom e o comprimento de onda a que corresponde a frequência. Para a construção do boom utilizou-se um tubo de alumínio de secção quadrada de 20 mm de lado. Fazendo a equivalência entre a secção do tubo quadrado e a secção de um tubo de secção circular equivalente, obtêm-se um diâmetro de 22,56 mm, correspondendo-lhe uma correcção de

0,007 × λ , ou seja 14 mm.

Com as correcções efectuadas as dimensões, em metros, são as indicadas na Tabela 2. Os comprimentos indicados devem ser cortados com uma tolerância de 0,003 × λ , o que neste caso corresponde a ±6 mm. Comprimento de boom, m

1,66

Comprimento do reflector, m

1,015

Comprimento do dipolo, m

0,983

Comprimento dos directores, m

Espaçamento entre directores, m

D1

0,917

D2

0,902

D3

0,917 0,414

Tabela 2 – Dimensões dos elementos da antena com as correcções aplicadas Após a construção, foi necessário retocar o comprimento dos directores – alterando as suas frequências de ressonância – para tornar a antena ressonante na parte central da banda (145,000 MHz). Na figura 1 apresentando-se os comprimentos finais dos vários elementos. Refira-se, no entanto, que estas dimensões poderão variar ligeiramente dependendo do diâmetro

0,414 m

0,900 m

0,414 m

0,892 m

0,900 m

0,414 m

0,983 m

1,012 m

dos elementos e da secção do boom.

0,414 m

Figura 1 – Esquema com as dimensões finais da antena

Figura 2 – Antena depois de finalizada

Sistema adaptador para o cabo de alimentação: Numa antena Yagi de 5 elementos, a impedância no ponto de alimentação é muito baixa, por volta dos 20 Ohms, não permitindo a ligação directa entre esta e uma linha de alimentação de 50 Ohms. Em qualquer sistema de transmissão é necessário um bom acoplamento entre a linha de alimentação e a antena, para que a transferência de energia se faça de modo eficiente. Pela opção construtiva tomada, o “boom” é electricamente neutro pois contém o ponto médio dos elementos. Relativamente ao elemento excitado, a sua impedância varia em função da distância ao centro, tomando um valor muito elevado nas extremidades (alguns milhares de Ohms) e um valor nulo no ponto médio (por estar em curto-circuito). Pretendendo-se alimentar esta antena com um cabo coaxial de 50 Ohm, optou-se naturalmente por um adaptador do tipo gama cujas características se ilustram na Figura 3.

dipolo

D e C

d D = Ø12 mm d = Ø 4 mm com 17mm de comprimento e = 6,5 cm C = 19pf

Figura 3 – Esquema e características dimensionais do gama match A adaptação é efectuada de forma iterativa, fazendo deslizar a barra de curto-circuito, e, e ajustando o condensador variável, C, controlando a relação de ondas estacionárias (ROE) para o valor mais baixo possível. Utilizando este procedimento de ajuste, deve-se utilizar um troço de cabo coaxial cujo comprimento físico corresponda a meia onda eléctrica, ou um múltiplo de meia onda. Este método baseia-se no comportamento característico de uma linha de transmissão com um comprimento eléctrico igual meia onda, a qual, estando carregada com uma determinada impedância numa das extremidades, a faz reflectir exactamente da mesma forma na extremidade oposta.

Figura 4 – Condensador de ajuste.

Figura 5 – Gama-match.

No protótipo construído utilizou-se um condensador de lâminas variável, no entanto pode-se utilizar um condensador coaxial construído com dois tubos de diâmetro diferente fazendo-se deslizar o de menor diâmetro, dentro do tubo de maior diâmetro. Usualmente este condensador é facilmente construído com um tubo e um troço de cabo coaxial do qual se retira a malha de blindagem.

Ensaio para a determinação do diagrama polar da antena:

Uma vez terminada a montagem e afinação da antena, procedeu-se a ensaios complementares para a determinação do diagrama polar de radiação. Estes ensaios foram efectuados com a colaboração do colega Rogério, o CT1PL, que é um radioamador muito interessado em questões de antenas, e que anda sempre envolto em experiências e construção de antenas, pelo que não foi necessário solicitar-lhe ajuda duas vezes, pois de imediato se prontificou a colaborar. Para o ajuste do gama-match da antena utilizou-se o analisador MFJ 269, tendo-se obtido uma ROE de 1:1,1 na frequência de 145,000 MHz.

R.O.E. 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 143

143,5

144

144,5

145

145,5

146 MHz

Figura 6 - Relação de ondas estacionárias (R.O.E.) Com vista à determinação do diagrama polar, colocou-se a antena no topo de um mastro em fibra de vidro (anteriormente uma cana de pesca) que permite colocar a antena à altura de 3 m do solo.

Figura 7 – Antena e mastro de suporte

O sinal recebido pela antena foi monitorizado pelo medidor de intensidade de campo, rodando-a de 10º em 10º, e os valores lidos em dBm, foram anotados directamente numa folha Excel e que viriam a permitir traçar, posteriormente, os diagramas polares.

Para os colegas que tenham interesse, o artigo onde se descreveu a construção do medidor de campo, podem encontrá-lo publicado no nº 311, de Maio de 2007, na revista QSP, ou descarregá-lo directamente na página web http://pwp.netcabo.pt/0316988701.

Figura 8 – Medidor de intensidade de campo

Figura 9 – Sistema de medição dos ângulos

Para gerar o campo, utilizou-se um emissor com uma potência de 1W e ligado a uma antena colocada no tejadilho do automóvel que se encontrava à distância aproximada de 25 m.

Figura 10 - Emissor utilizado nos ensaios

Figura 11 - Ensaio em curso com o veículo ao fundo

Antena Yagi 5 Elementos - VHF 0º 340º

350º

10º

0

20º

330º

30º -5

320º

40º

-10

310º 300º

50º 60º

-15

290º

70º

-20

280º

-25

80º

270º

-30

90º 100º

260º 250º

110º

240º

120º

230º

130º

220º

140º 210º

150º 200º

190º

170º

160º

Plano H

Plano V

180º

Figura 12 – Diagramas polares da antena Após as medições efectuadas, obtiveram-se os diagramas polares nos planos vertical e horizontal, estando estes de acordo com os diagramas teóricos esperados. Não é demais relembrar que a proximidade do solo, bem como as reflexões nos obstáculos nas proximidades de uma antena contribuem, como é sabido, para a deformação destes diagramas. Esta antena possui um ganho de 9 dB, relativamente a um dipolo, o que equivale a um ganho em potência de aproximadamente 7,9 vezes. Desta forma, um emissor com 1 Watt de potência ligado a esta antena, colocaria no mesmo ponto a mesma intensidade de sinal que um emissor de 7,9 Watt ligado a um dipolo simples. Os resultados aqui apresentados, irão por certo motivar muitos dos colegas a experimentar novas construções e também ajudá-los na caracterização das suas antenas. Para aqueles que estejam interessados na construção da antena descrita, recomendo que sigam as medidas apresentadas na figura 1, e utilizem tubos com as secções referidas. Terminaria mas não sem antes expressar de novo os meus agradecimentos ao colega Rogério, CT1PL, não só pelo auxílio prestado durante os ensaios, bem como pela reportagem fotográfica que permitiu obter as fotografias aqui apresentadas.