Introducción

Todo radioaficionado procura que su señal sea oída lo mejor posible, y a la vez escuchar todo lo que es posible oír. Para aquellos que utilicen bandas decamétricas, la antena Yagi representa la mejor elección.

En el número 1 de CQ Radio Amateur (octubre de 1983) se publicó un artículo titulado «Una mirada retrospectiva a la época y al coinventor de la antena Yagi-Uda». En este y en posteriores números de la revista publicaremos estudios más completos. Se revisará la historia de la antena Yagi descubierta en 1926, y que sigue siendo de completa actualidad. En este número trataremos del dipolo básico, de elementos parásitos, de la antena directiva Yagi y de la relación frente/espalda.

El dipolo básico

Es importante revisar las características del dipolo por tres razones: (1) el dipolo es la antena más simple y más utilizada en HF; (2) sirve como patrón de comparación muy útil; y (3) el dipolo constituye el elemento básico de construcción de las antenas Yagi, especialmente el elemento excitado.

El dipolo tiene dos brazos, separados por un aislador central. Cada brazo se conecta al emisor mediante una línea de transmisión. Usualmente se construyen con cable de cobre, pero también pueden realizarse con tubo de aluminio o varillas de otro metal (como las Yagi). El dipolo es una antena que resuena a media longitud de onda. Su longitud total se corta aproximadamente un 5 % en menos de la que sería en el «espacio libre». Esta longitud se determina por la fórmula:

        150
   l = ─────
         f

siendo l la longitud en metros y f la frecuencia en MHz. Con ello se obtiene una longitud de 77,17 metros, para la banda de 160 metros (1.850 kHz) y de 4,9 metros para la banda de los 10 metros (29 MHZ).

En el dipolo simple, la línea de transmisión va a su centro, mientras el resto permanece totalmente aislado.

Las Yagi pueden ser muy largas en las bandas de VHF y UHF. En la foto se muestra una Yagi de la firma Cuhscraft de 11 elementos con una ganancia de más de 11 dB respecto a un simple dipolo. El diagrama de radiación muestra un lóbulo muy estrecho, de 39” para 3 dB para esta antena, y para 4 de éstas apiladas, se consigue una ganancia superior a 17 dB y un lóbulo tan estrecho como 29* para los puntos de 3 dB de ganancia.

El valor teórico de la resistencia de radiación (impedancia en el punto de alimentación) para una antena dipolo de media longitud de onda es del orden de los 72 ohmios, aunque variará según la altura, objetos próximos y otras variables. El dipolo está equilibrado respecto a tierra, debido a la simetría de los dos brazos. Se podría alimentar el

                       GANANCIA EN dB RESPECTO A   GANANCIA EN dB RESPECTO A
NUMERO DE ELEMENTOS      UNA ANTENA DIPOLO DE        UNA ANTENA ISOTROPICA
                              MEDIA ONDA                     PUNTUAL
                              
Dipolo simple                    -                            2,1
Yagi 2 elementos                5,0                           7,1
Yagi 3 elementos                8,0                          10,1
Yagi 4 elementos               10,0                          12,1
Yagi 7 elementos               11,0                          13,1
Yagi 10 elementos              13,0                          15,1
Yagi 15 elementos              16,0                          18,1
Yagi 20 elementos              19,0                          21,1

NOTA: Las Yagi con muchos elementos se utilizan en la práctica solamente en VHF y
UHF, y se mencionan a efectos comparativos.

Figura 1. Tabla de comparación de las ganancias de las antenas Yagi.

dipolo con hilo paralelo, pero por sus pérdidas y radiación se prefiere utilizar cable coaxial. El cable RG-58/U (53 ohmios) y el RG-59/U (73 ohmios) tienen unos 6 mm de diámetro, pueden manejar potencias pequeñas y medias, pero no elevadas potencias. Las pérdidas pueden ser importantes y aumentan con la ROE, la longitud y la frecuencia. Los cables RG-8/U y el

RG-11/U respectivamente, tienen un diámetro de unos 10 mm pero ofrecen mejores características. Hace algunos años se empezó a disponer de un nuevo cable, el RG-8X, con diámetro reducido, alta potencia, poco peso y buenas características, lo cual permite reducir el presupuesto de la instalación sin sacrificar calidad. Es frecuente que al utilizar cable coaxial se utilice un «balun» O adaptador de desequilibrado a equilibrado en la alimentación del dipolo, para mantener su característica de simetría eléctrica respecto a tierra.

Además del simple dipolo, existe el dipolo plegado o doblado, que es apreciado desde hace ya muchos años por algunas especiales características; su punto de alimentación ofrece 300 ohmios en lugar de 72 ohmios. Es también una antena equilibrada respecto a tierra y al igual que el dipolo simple resuena a media onda y puede ser excitado con los armónicos impares. Puede alimentarse con hilo paralelo de 300 ohmios directamente o bien con cable coaxial, en cuyo caso será preciso utilizar un «balun» de relación 4:1. Por su excepcional característica de anchura de banda, este tipo de elemento es a veces utilizado en una formación Yagi. Un dipolo simple ofrece sólo un ancho de banda de + 2 % de la frecuencia central para una ROE inferior a 2:1, mientras que el dipolo plegado tiene un ancho de banda mucho mayor.

En la figura 1 se indica la ganancia en potencia, expresada en decibelios, de varias antenas Yagi referidas a la dipolo simple de media anda y a una antena isotrópica puntual. Las ganancias indicadas son las típicas obtenidas

y no representan los valores máximos, mínimos o teóricos que puedan conseguirse. La ganancia obtenida depende de varios factores, principalmente físicos, como el espaciado entre elementos, número de ellos y longitud total del «boom».

El dipolo de media onda, instalado horizontalmente, tiene un diagrama de radiación bidireccional bastante ancho. La máxima radiación se emite perpendicularmente al eje de la antena, y la mínima por sus puntas (o extremos). Todo ello proporciona una directividad de la antena. Algunos radioaficionados, que disponen de espacio suficiente, se montan dos dipolos en ángulos de 90” con bajadas independientes, conmutando éstas, según se favorezca la señal. En 80 y 40 metros, la diferencia de radiación entre las puntas y-!a perpendicular de la antena es poco acusada, obteniéndose diferencias menores de 6 dB, pero esta diferencia aumenta con la frecuencia. Para 10 metros la diferencia puede llegar a 3 unidades S.

La antena dipolo, aún dentro de su sencillez, alimentada con cable coaxial y con media longitud de onda, sigue siendo una antena que funciona muy bien y es utilizada profusamente por muchos radioaficionados, resultando fácil de instalar, de bajo precio, y que permite emitir con mínimos problemas. A pesar de todo lo expuesto, la diferenCia entre la estación de radioaficionado que llega muy lejos y la que no llega, muchas veces reside, en igualdad de potencias, en el uso de la antena directiva multielemento que actúa como un multiplicador, tanto de potencia como de señal de recepción. Vamos pues a entrar en detalles del funcionamiento de este tipo de antenas y especialmente de la más común de ellas, la Yagi.

Elementos parásitos

Los doctores Hidetsugu Yagi y Shintaro Uda fueron los primeros en proponer este sistema de antena que utiliza un solo elemento excitado, en cuyas proximidades se sitúan los elementos parásitos, bien como reflectores, por causa de reactancia capacitiva, bien como directores por efecto de reactancia capacitiva, dependiendo ello de la longitud y espaciado de los mismos. El nuevo y radical diseño se estudió para su aplicación en VHF, UHF y microondas por los científicos japoneses en las primeras décadas de siglo. Se tardó un poco en considerar su aplicación práctica en HF, en donde se utilizaba la antena Beverage cuando se deseaba obtener mayor directividad que con las dipolos de media onda, Hertz, y convencionales. Los primeros diseños

aparecieron en las publicaciones técnicas para radioaficionados en 1938. Dos años después el tubo de aluminio, base constructiva de las Yagi, se conseguía a mejor precio y era bien conocido,

¿Cómo funciona la antena Yagi? El corazón de la antena es el elemento excitado que recibe la potencia del transmisor a través del cable de alimentación. Los elementos parásitos resuenan y suman la energía a la del elemento excitado. Es muy fácil de entender si miramos como se comporta en recepción. La señal alcanza primero aun elemento parásito, que resuena en la frecuencia y por lo tanto vuelve a radiar la señal; el elemento excitado capta la señal original más la señal radiada del elemento parásito sumándose por lo tanto la intensidad de la señal recibida. Para que esta suma tenga efecto, las señales deben coincidir en fase, y por ello es tan importante cuidar las longitudes físicas y el espaciado o separación de los elementos parásitos.

Lo más importante no es únicamente obtener ganancia de señal en una dirección determinada, sino también conseguir una elevada atenuación para las señales que alcancen la antena lateralmente o por detrás. Este efecto se consigue tanto en recepción como en transmisión, de forma recíproca.

En la práctica, hablamos de la Yagi como una antena directiva, una antena que tiene notables características de direccionalidad y proporciona ganancia.

El alcance de una antena directiva es potencialmente elevado al concentrar toda su energía en una dirección, lo que no hacen una simple dipolo o antena omnidireccional como puede ser una vertical. Una buena antena directiva puede realizar contactos con estaciones que no se oirían con una antena vertical por ejemplo. Vayamos a estudiar las Yagi de dos, tres y más elementos.

La antena directiva Yagi

Las ventajas que ofrece la antena Yagi son bien conocidas. Las diferencias entre las estaciones que efectúan habitualmente contactos DX y las que no lo logran, reside principalmente en la antena utilizada. Cuando se emplea una directiva se logran buenos resultados aún utilizando bajas potencias y transceptores sencillos. Para obtener los mejores resultados en DX y concursos mundiales, la antena Yagi es indispensable. La Yagi sólo es comparable a algunas antenas muy especializadas como la rómbica o ciertas cúbicas.

Las antenas Yagi de 2 ó 3 elementos son muy populares y resultan muy directivas. Proporcionan considerable ganancia y potencia, lo que no puede conseguirse con un simple dipolo o una vertical. La antena debe incorporar un sistema de giro para poder apuntar a cualquier dirección. Las Yagi pueden ser monobandas o multibandas. Vamos a considerar en esta primera parte

Yagi con dos directores, un elemento excitado y un reflector. La Yagi puede montarse vertical u horizontalmente. Los elementos metálicos suelen realizarse con tubo de aluminio y se fijan al soporte central mediante fuertes abrazaderas. El espaciado entre elementos varía de 0,15 a 0,25 de la longitud de onda. La alimentación se hace mediante la conexión del cable de alimentación al elemento excitado, que está cortado eléctricamente por la mitad, igual que se haría con un dipolo de media onda. También se puede utilizar un adaptador gama (gamma match) para el ajuste de impedancia (en este caso todo el sistema queda a potencial de tierra), lo que es una protección contra las descargas eléctricas

Figura 2. Dibujo esquemático de una Yagi de 4 elementos.

Esta Yagi monobanda es la «Big Sticker» de la firma KLM, diseñada para 20 metros. Para obtener mayor ancho de banda, ganancia y relación F/E, dispone de dos elementos excitados. Consigue una ganancia de 9,7 dB respecto al simple dipolo, y una F/E de 30 dB. Su peso es de 30 kilos, el soporte central tiene 13 metros y el elemento más largo 11,3 metros. (Foto cortesía de KLM Electronics, Inc.).

solamente las monobandas. Usualmente las Yagi se montan horizontalmente; es decir, con los elementos paralelos a tierra, aunque pueden montarse verticalmente. En 10 metros es útil disponer de una Yagi vertical para enlazar con estaciones móviles, esto es muy común en los 11 metros (CB) y aún más en VHF y UHF en donde las comunicaciones entre repetidores y estaciones móviles se efectúan con polarización vertical. La Yagi de 2 elementos proporciona un buen compromiso entre ganancia y estructura mecánica. Esta requiere mayor espacio y robustez para 3 o más elementos. Usualmente la Yagi de 2 elementos se compone del elemento excitado y de un elemento reflector. El espaciado entre ambos es de 0,15 de la longitud de onda, pero la efectividad “se mantiene aún reduciéndolo sólo a 0,10. La ganancia total es de 5,0 dB respecto a un dipolo de media onda y la relación de ganancia frente/espalda es de 12a 15 dB.

La Yagi de 3 elementos probablemente es la más popular de las antenas directivas. Exhibe una ganancia de 8,0 dB respecto a un dipolo de media

- Onda y la relación de ganancia frente/espalda es de 15 a 20 dB. La separación entre elementos puede ser de 0,15 a 0,25 longitudes de onda, siendo 0,2 muy común. El espaciado de los directores no es muy crítico. El denominado espaciado ancho es muy aconsejable tanto para el reflector como para el director, al objeto de obtener mayor ganancia, ajuste de frecuencia de resonancia y adaptación de impedancias. Pero el espaciado ancho obliga a reforzar la estructura mecánica del soporte central o «boom», especialmente en las bandas más bajas en que se utiliza la Yagi, como es en los 20 metros. La figura 1 muestra la tabla de ganancia comparativa de las antenas Yagi.

Las Yagi con más de 3 elementos se utilizan ampliamente en VHF y UHF. A mayor cantidad de elementos se obtiene mayor ganancia. Una Yagi de 4 elementos puede suministrar 10 dB de ganancia respecto al dipolo de media onda y una relación de ganancia frente/espalda de 20 a 25 dB. La figura 2 incluye un diagrama simplificado de una Yagi de 4 elementos.

Las antenas Yagi de 4 ó mas elementos presentan problemas especiales. Uno de ellos se presenta cuando el espaciado de los elementos es inferior a0,2 longitudes de onda. En este caso, la resistencia de radiación del elemento excitado puede ser muy baja, por lo que las pérdidas en los conductores pueden ser muy elevadas hasta el punto de anular la ganancia adicional. Los elementos deberán hacerse con tubo grueso de 12 a 25 mm de diámetro, lo que favorece el disponer de menor resistencia óhmica, así como un factor Q más bajo. Si bien la antena Yagi de 4 elementos representa una mejora en ganancia tanto en recepción como en emisión, no obstante al poner más elementos puede quedar limitada por los problemas mecánicos o eléctricos al ser más reducido el espaciado entre dichos elementos.

Ganancia y relación frente/espalda

La curva de ganancia de una antena Yagi, con respecto a la frecuencia, tiene un máximo por encima de la frecuencia central de diseño y disminuye rápidamente por debajo de la misma. Así, por ejemplo, una Yagi con dimensionado para 14,150 MHz puede evidenciar una diferencia de ganancia de 1 dB o mayor, al pasar del 1 % de frecuencia más baja que la citada a un 1% más alta. La ganancia empieza a caer bruscamente pasados estos límites. A partir del 3 % de desviación de la frecuencia de diseño, la ganancia puede ser nula o presentar atenuación (ganancia negativa). El ancho de banda para una Yagi de 3 elementos queda limitado a un 2 % de la frecuencia de diseño.

La máxima relación de ganancia frente/espalda coincide exactamente con la máxima ganancia frontal. La ganancia frente/espalda (F/E) disminuye rápidamente en los extremos de la banda y depende de varios factores como la longitud del soporte central y de objetos próximos a la antena, como otras antenas, y puede variar al girar la misma.

Puesto que la impedancia del elemento excitado varía con el espaciado y la frecuencia, es importante indicar que si se desea un ajuste muy preciso de la antena para una frecuencia determinada, este ajuste deberá hacerse antes de conectar la línea de transmisión al elemento excitado. La resonancia y el acoplamiento de la antena están íntimamente relacionados, por lo que es necesario efectuar pruebas sucesivas de ambos para tener la seguridad de que todo es correcto. La mayoría de diseños de antenas directivas multielemento, han previsto que la antena completa esté a potencial de tierra para seguridad del radioaficionado, disposiciones o normas eléctricas y facilidad de ajuste. También la mayoría de ellas dispone de un adaptador de impedancia tipo gama (gamma match) para la adaptación de la línea de transmisión a la antena. Posteriormente nos extenderemos sobre los sistemas de adaptación.

¿Qué representan unos pocos decibelios de ganancia frontal, o de incremento de la relación de ganancia F/E? El aumento en ganancia sobre un dipolo de media onda o una vertical es realmente muy importante.

Pongamos por ejemplo un aumento

ELEMENTO PRIMER SEGUNDO
FRECUENCIA EXCITADO REFLECTOR DIRECTOR DIRECTOR
(kHz) (metros) (metros) (metros) (metros)

14.050 10,20 10,74 9,70 9,50
14.250 10,06 10,58 9,55 9,35
21.050 6,81 7,16 6,46 6,33
21.300 6,72 7,68 6,39 6,25
28.050 5,11 5,38 4,85 4,75
28.600 5,01 5,27 4,76 4,65

Este tabla muestra el dimensionado para una antena Yagi de 4 elementos, utilizando un
espaciado de 0,2 longitudes de onda entre elementos. Para espaciado inferior, próximo a
0,15 longitudes de onda, deberá aumentarse la longitud de cada elemento ligeramente,
pero con la separación de 0,2 se obtiene mayor ancho de banda y más ganancia:

Para otras frecuencias próximas se puede hallar el dimensionado por interpolación. Este
dimensionado también puede aplicarse a las directivas de 2 ó 3 elementos.

Las dimensiones ofrecen suficiente aproximación para obtener directamente buenos
resultados. No obstante, si se desea la máxima ganancia, o relación F/E, se precisará
efectuar ajustes o retoques de todo el conjunto.

Figura 3. Dimensiones de una Yagi de 4 elementos para 10, 15 y 20 metros, fonía y CW.

de 6 dB, esto equivale a incrementar la potencia de transmisión cuatros veces y a subir una unidad S en recepción. En otras palabras, disponiendo de 100 vatios pasaríamos a radiar 400 vatios en la dirección de la directiva y ello puede significar el hacer DX y sobrepasar a otras señales en concursos, expediciones y pile-up. El extremo opuesto, basándose en esto, es intentar obtener el último decibelio posible de ganancia en la antena. Esto puede llevar a la realización de una antena mostruosa, mecánicamente complicada y cara. No hay duda de que uno o dos decibelios nos pueden ayudar cuando en un concurso encontramos cien estaciones contestando o llamando a la misma estación. Este último decibelio es el que lograríamos pasando de espaciado corto a espaciado ancho, utilizando más metros de torreta y cable coaxial especial. El último detibelio nos saldría muy caro. Resulta más espectacular obtener una ganancia de 5 dB cuando estamos en una zona media, como es pasar de un antena vertical a una directiva de 2 ó 3 elementos.

Para acabar, diré que de las antenas directivas, la Yagi es la que más se utiliza actualmente. También es posible apilar Yagi para obtener mayor ganancia y directividad, aunque estas técnicas se aplican principalmente a las frecuencias de VHF y UHF. Puedo recomendar el libro «Antenna Book» publicado por la ARRL y que contiene detalles sobre estos temas.

En la figura 3 se detalla el dimensionado para antenas monobanda con 4 elementos. En próximos números trataremos de antenas multibanda, su construcción y ajuste. Hasta entonces.

73, Karl, W8FX