CONSTRUCCIÓN CASERA DE ANTENAS WIFI, CELULAR GSM 3G 4G, CONTROL DE ACCESO Y UHF EN GENERAL

CONSTRUCCIÓN CASERA DE ANTENAS WIFI, TELEFONÍA MOVIL CELULAR, SISTEMAS DE CONTROL DE ACCESO Y UHF EN GENERAL

Por Ing. Ramón Miranda, YY5RM ( ramon.miranda811@hotmail.com ).

Saludos Colegas. El avance de la tecnología en el área de las telecomunicaciones, actualmente se ha convertido en una necesidad y forma parte de nuestro exitoso desenvolvimiento en la sociedad, principalmente el uso de telefonía móvil celular, conexiones inalámbricas Wifi, sistemas de control remoto, etc. Por diversos motivos, la mayoría de estos equipos son diseñados para cubrir cortas distancias y bajas potencias de radiofrecuencia. En el presente artículo se describen técnicas para la construcción artesanal de antenas típicamente usadas en las bandas UHF antes mencionadas, las cuales pudieran solventar problemas de  poca cobertura.

Nota:  En caso de requerir otros diseños de antenas direccionales, desde 2 hasta 7 elementos, con sus respectivas hojas Microsoft Excel para calcular en cualquier frecuencia VHF o UHF, se sugiere complementar mediante el enlace: https://yy5rm.blogspot.com/2020/03/construccion-casera-de-antenas-yagis.html
  

  

TEMAS

·       Notas importantes y teoría relacionada con temas del artículo.

·       Antenas Wifi, telefonía móvil celular, sistemas de control de acceso y UHF en general:

Antena Dipolo Plegado con balun coaxial (omnidireccional, bidireccional, direccional y parabólica).

Antena Slim-Jim (omnidireccional).

Antenas Yagis (direccionales).

Uso básico del programa MMANA GAL Basic, para determinar longitudes de antenas.

·       Técnicas para construir antenas Yagis.

·        Comentarios finales.

NOTAS IMPORTANTES Y TEORÍA RELACIONADA CON TEMAS DEL ARTÍCULO

1.      Las ondas de radiofrecuencia se propagan en el espacio a la velocidad de la luz (aproximadamente 300.000.000 metros/segundo). La distancia recorrida por una sola onda se le denomina “longitud de onda (λ)” y al número de veces o ciclos que se repiten dichas ondas al transcurrir 1 segundo se le denomina “frecuencia (en Hertz)”, ambas magnitudes son inversamente proporcionales.  Relacionando con el tema, esto principalmente determina el tamaño y demás dimensiones físicas en el sistema antena (a mayor frecuencia, menor será el tamaño de dicha antena).

1.     Para facilitar el cálculo de la λ (en metros o en milímetros) y frecuencia en Megahertz (MHz) o Gigahertz (GHz) de una señal de radio, se usan cifras constantes provenientes de la simplificación matemática de la velocidad de la luz: 

Se muestran las frecuencias y λ para calcular antenas UHF sugeridas en este artículo:

Nota: Cuando las empresas operadoras de telefonía usan frecuencias diferentes para la transmisión y recepción (subida y bajada), conviene calcular las antenas para nuestra frecuencia de transmisión.

1.    Las antenas omnidireccionales emiten y reciben señales en todas direcciones. Las bidireccionales emiten y reciben en dos direcciones y las antenas direccionales concentran la mayor energía en una sola dirección. El patrón de radiación es un diagrama polar, cuyo(s) lóbulo(s) define(n) las direcciones en las cuales se emiten o reciben señales de una antena.  Mediante el programa MMANA-GAL_Basic, es posible el análisis virtual del mismo:

1.  La posición vertical u horizontal de la antena, determina su polarización.  Para mejores resultados, las antenas de ambos equipos a comunicar, se deben polarizar de igual forma.

θh y θe representan las anchuras de haz de potencia media en los planos eléctricos y magnéticos respectivamente. El plano eléctrico “θe” se genera en el mismo plano del elemento radiador de la antena, mientras que el plano magnético  “θh” se genera perpendicularmente a ésta.

1.    Los cables coaxiales de 75 Ω (impedancia característica de la línea coaxial = Zo) típicamente se usan en sistemas de TV, audio y diversos equipos de solo recepción, pero la mayoría de equipos transmisores de RF tienen una impedancia interna de 50 Ω (impedancia del generador = Zg). Para lograr máxima transferencia de energía, evitar pérdidas por desequilibrios de impedancias (ROE o SWR) y posibles daños en el transmisor; las antenas (impedancia de la carga = ZL) y líneas coaxiales igualmente deben ser de 50Ω (Zg = Zo = ZL = 50 Ω). Cuando la impedancia de la antena es significativamente diferente a la de la línea coaxial (ZL ≠ Zo), es necesario adicionar dispositivos adaptadores de impedancias (balun, adaptador Stub, bobina con derivación, aro Ring, etc.).

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“Exclusivamente en modo de referencia” y suponiendo que las impedancias en el sistema de antena fuesen 100% resistivas, para determinar la ROE (relación de ondas estacionarias), es posible dividir ambas impedancias (en este caso Zo y ZL), usando la mayor como divisor (arriba) y la menor como dividendo (debajo). Ejemplo:  Si la antena es de 200 Ω y el cable coaxial de 50 Ω, entonces, 200 Ω / 50 Ω = 4.0 ROE.

“Realmente” las impedancias en sistemas de antenas son complejas, es decir, tienen porciones reales o resistivas y porciones imaginarias o reactivas, matemáticamente esto hace extenso el tema de la ROE o SWR y complicado de entender en pocas frases, aunque básicamente se debe a que cuando hay desequilibrios de impedancias, parte de la energía que viaja en un sentido (ondas en sentido hacia la carga o antena = incidentes), es reflejada en contrasentido (ondas en sentido hacia el generador o transmisor = reflejadas) y viceversa cuando hay desequilibrios en ambos extremos de la línea de transmisión. En este vaivén de ondas, la relación entre sus amplitudes máximas y mínimas, determinan un vector de módulo fijo denominado “módulo del coeficiente de reflexión” el cual que da lugar a la relación de ondas estacionarias de voltaje, o simplemente ROE.

El rendimiento de una antena disminuye en la medida que incremente el desequilibrio de impedancias. Ejemplo: En caso de conectar un cable coaxial de 50 Ω, directamente hacia una antena Dipolo Plegado de aproximadamente 200 Ω (sin balun), la desadaptación produce 4.0 ROE, por consiguiente, según la gráfica siguiente el rendimiento de dicha antena será el 65%

1.      La longitud eléctrica de la línea coaxial, se mide por la cantidad de λ que caben en él. Las ondas de RF que se propagan  dentro del cable coaxial, tiene una velocidad inferior a la de la luz en el espacio libre (de 66% a 90% menor). Este factor de velocidad de propagación (VP) depende principalmente del material con el cual se construye el aislante entre el conductor central y la malla del mismo cable coaxial. A mayor densidad de dicho material aislante, menor será la VP. Se sugiere usar líneas coaxiales de bajas pérdidas por longitud física, con mayores VP y preferiblemente “menos de 25 λ en longitud eléctrica” (con 30 λ se pudiera perder más de la mitad de la potencia).

Ejemplos de 25 λ de cable coaxial con aislante central de espuma de teflón (foam. VP = 0.82), en diversas frecuencias (preferible calcular con la frecuencia de transmisión):

·     1 λ en UHF Radioaficionados 435 MHz es: 30 / 0.435 GHz x 0.82 = 68.96 cm, entonces 25 λ son: 68.96 cm x 25 = 1724.13 cm (17.24 metros de cable coaxial).

·   1 λ en UHF Talkabout 462 MHz es: 30 / 0.462 GHz x 0.82 = 64.94 cm, entonces 25 λ son: 64.94 cm x 25 = 1623.37 cm (16.23 metros de cable coaxial).

·      1 λ en GSM 850 MHz es: 30 / 0.850 GHz x 0.82 = 35.29 cm, entonces 25 λ son: 35.29 cm x 25 = 882.35 cm (8.82 metros de cable coaxial).

·   1 λ en 4G+ subida 1700 MHz es: 30 / 1.7 GHz x 0.82 = 17.64 cm, entonces 25 λ son: 17.64 cm x 25 = 441.17 cm (4.41 metros de cable coaxial).

·    1 λ en 3G 1900 MHz es: 30 / 1.9 GHz x 0.82 = 15.79 cm, entonces 25 λ son: 15.79 cm x 25 = 394.73 cm (3.94 metros de cable coaxial).

·     1 λ en Wifi 2.4 GHz es: 30 / 2.4 GHz x 0.82 = 10.25 cm, entonces 25 λ son: 10.25 cm x 25 = 256.25 cm (2.56 metros de cable coaxial).

1.      EL balun es un dispositivo balanceador y adaptador de impedancias.

En palabras sencillas, su función balanceadora para antenas Dipolos consiste en distribuir equitativamente la señal RF en ambos brazos, para que éstos irradíen similar energía.

Su función adaptadora de impedancias consiste en transformar las amplitudes de ondas de corriente y voltaje RF, para que la relación resultante entre ambas magnitudes determinen las impedancias adecuadas en cada terminación de dicho balun.

Mediante desfase de ondas de volaje y ondas de corriente, un balun coaxial de relación 4:1, multiplica por 4 cuatro veces la impedancia del cable coaxial, respecto a la antena (200 Ω ↔ 50 Ω). La antena Dipolo plegado YY5RM y algunas Yagis, requieren una longitud ligeramente menor en el balun.

Normalmente la baja impedancia de antenas Yagis, hace que los Dipolos Plegados generen reactancias y alteren su longitud de resonancia. Eliminar parte de la longitud del balun coaxial ayuda a cancelar gran parte de dichas reactancias y mejora el acople de impedancias.

En caso que la impedancia da la antena ronde los 50 Ω, es conveniente acoplar hacia la línea coaxial, mediante balun coaxial de relación 1:1 (50 Ω ↔ 50 Ω). Se muestran 2 ejemplos:

En frecuencias superiores de 500 MHz, debido a las pequeñas dimensiones de la antena, resulta difícil construir el adaptador ganma-matchin para acoplar el elemento excitado hacia la línea coaxial. Las imágenes siguientes muestran un ejemplo para 850 MHz GSM celular:

1.   Las  antenas sugeridas en el presente artículo, requieren ser instaladas en equipos e interfaces de antenas desmontables.
 

Para dispositivos móviles celulares es posible conectar antena externa mediante espira de acople por inducción, aunque no siempre resulta 100% efectivo. Una antena Loop Vertical pudiera servir para tal fin.

Nota importante: Es necesario ubicar en el celular, el lugar donde mejor reciba señal al aproximar la espira de inducción, debido a que algunos teléfonos 3G y 4G pudieran ubicar dicha antena en la zona inferior del mismo (de menor tamaño, como se indica en figura siguiente).

Construir una base con antena para celulares (conecta la antena externa mediante espira de acoplamiento inductivo y ayuda a evitar daños en el pin de carga). Nota: No siempre la espira de inducción se debe ubicar en este lugar de la base, debido a que en algunos celulares se ubica en la zona inferior del mismo.

Lo mejor es adaptar conector para antena externa (esta técnica altera la originalidad del dispositivo móvil).

En frecuencias Wifi, soldar el conector tipo “N” en el cable coaxial requiere habilidades y precisión en el manejo de herramientas, razón por la que se sugiere adquirir una extensión pigtail, los cuales incluyen el cable coaxial de 50 Ω, con conectores macho y hembra los extremos (preferiblemente usar longitudes inferiores de 2,5 metros).

Para sistemas Wifi 2.4 GHz, debido a la gran pérdida de potencia causada por la longitud eléctrica de la línea coaxial, en caso que la distancia entre el ordenador y la antena sea mayor de 2.56 metros, se sugiere usar adaptadores inalámbricos externos, los cuales incluyen un cable de extensión USB de 1.5 metros, que sumado con los 2.56 metros de cable coaxial, logran una longitud total de 4.06 metros.

Si la distancia entre el ordenador y la antena es superior de 4.06 metros, será necesario adquirir cables USB activos (costosos), o adicionar un tramo de cable UTP.

Si dicha distancia es superior de 10 metros (33 ft), se sugiere incorporar alimentación remota de +5 voltios DC en el dispositivo adaptador inalámbrico. Dicha alimentación, preferiblemente debe permitir el reset remoto.

El mayor inconveniente de alimentar remotamente mediante cargador de celular, es la necesidad de disponer de 120 ó 220 voltios en el lugar donde se ubique la antena, además requiere aplicar técnicas para realizar el reset remoto. La ventaja es que permite adicionar cualquier dispositivo calentador, con el propósito de evaporar posibles acumulaciones de humedad en circuitos remotos (en este caso se usó la bobina de un relé, aunque pudiera ser un resistencia de 10 KΩ / 5 Watts para 120 voltios y 20 KΩ para 220 voltios AC.).

Lo ideal es adicionar un circuito integrado regulador de voltaje LM7805 (IC1) cercano al dispositivo USB_Wifi y alimentar desde el ordenador mediante cualquier fuente de poder de 9 VDC, 12 VDC o superior y por lo menos 300 miliamperios (pudiera ser cualquier cable de color amarillo, de la fuente del ordenador).

Para longitudes extremadamente largas, en caso de constantes desconexiones del dispositivo Wifi, a causa de pérdidas de señales de datos en el cable UTP, se sugiere usar doble par trenzado por cada señal:

Notas: Para mejorar la estética y facilidad de montaje, es posible usar conectores RJ-45 para el cable UTP, conector para la fuente de poder, fijación rápida del dispositivo USB_Wifi dentro del cartucho PVC, etc.

C1 = Capacitor de 1000 microfaradios (o mayor) y 16 o 25 voltios.

C2 = Capacitor electrolítico de 100 microfaradios (o mayor) y 10 ó 16 voltios.

IC1 = Circuito integrado regulador de +5 voltios LM7805 ó LM340-T5 (requiere montar en disipador de calor, preferiblemente en posición vertical).

1.    La antena puede quedar protegida de la intemperie, mediante materiales PVC o similar (tuberías o canaletas plásticas). Si desea comprobar que realmente el material elegido es dieléctrico, es posible introducirlo dentro de un horno de microondas, conjuntamente con un vaso plástico lleno de agua. Al encender solo debería calentar el agua.

OTROS POSIBLES USOS DEL WIFI:

1. Amplificar recepción de 3G / 4G / 5G mediante la incorporación de un reflector parabólico en un dispositivo celular, para usarlo como equipo servidor que transmita el internet vía "compartir Wifi", hacia otros dispositivos celulares y ordenadores personales de clientes.

Es posible usar el reflector de una antena parabólica desincorporada por daños, o diseñar un reflector parabólico de forma cilíndrica (mientras más grande, mayor será la ganancia. En este mismo artículo se describe la formula matemática). También se puede probar con reflector plano:

2. Adicionar un router esclavo para crear otra Red a más de 50 metros de distancia del router maestro.

ANTENAS WIFI, TELEFONÍA MÓVIL CELULAR, SISTEMAS DE CONTROL DE ACCESO Y UHF EN GENERAL

ANTENA SLIM-JIM

La Slim-Jim es una antena omnidireccional de 3/4 λ (solo irradia la 1/2 λ superior. Tramo “A” de la gráfica siguiente), la cual no requiere plano tierra artificial (grupo de radiales), de polarización vertical, muy popular y usada por los Radioaficionados en frecuencias VHF y UHF. Su excelente resultado se debe principalmente al patrón de radiación de bajo ángulo vertical.

CÁLCULOS TÍPICOS PARA CONSTRUIR ANTENAS SLIM-JIM

LA ANTENA SLIM-JIM PERMITE AJUSTAR LA IMPEDANCIA QUE MEJOR SE ADAPTE A LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN

Esta antena es atacada mediante un adaptador Stub (tramo “C” en las gráficas), que dependiendo de la altura donde se conecte al cable coaxial (altura “D”, puntos: X = conductor central y Z = malla) permite acoplar impedancias desde 0 Ω, hasta aproximadamente 400 Ω.

Se sugiere construir preferiblemente con alambre de cobre esmaltado o desnudo y proteger contra la intemperie mediante cualquier encapsulado plástico (canaletas o tubos PVC).

ANTENA SLIM-JIM, PROTEGIDA CON TUBO PVC

La separación del pliegue (F) afecta la altura del punto de conexión de la línea coaxial, pero no es tan crítico (cuanto más separado sea el pliegue, se debe aumentar altura de la conexión), típicamente se usa lo máximo que permita el encapsulado plástico y para frecuencias muy elevadas es lo mínimo que permita el doblé del alambre. En las gráficas siguientes se muestran ejemplos de antenas Slim Jim, con longitudes en centímetros:

ANTENA OMNIDIRECCIONAL SLIM-JIM PARA FRECUENCIAS TALKABOUT

ANTENA SLIM-JIM PARA BANDA UHF DE RADIOAFICIONADOS (430 - 440 MHz)

ANTENA OMNIDIRECCIONAL SLIM-JIM, PARA MÓVIL CELULAR GSM

(EN VENEZUELA: MOVISTAR Y MOVILNET)

ANTENA OMNIDIRECCIONAL SLIM-JIM PARA MÓVIL CELULAR GSM

(EN VENEZUELA: DIGITEL)

ANTENA OMNIDIRECCIONAL SLIM-JIM PARA WIFI 2.4 GMz

De requerir mayor información sobre el funcionamiento u hojas de cálculos en línea para otras frecuencias, se sugiere visitar la página del colega M0UKD: 
http://www.m0ukd.com/Calculators/Slim_Jim/index.php  

ANTENAS DIPOLOS PLEGADOS YY5RM Y ESTÁNDAR

El Dipolo Plegado estándar es una antena de 1/2 λ en longitud física, pero que debido al pliegue tiene una longitud total de 1 λ. Es alimentada desde el centro de la misma y acoplada hacía la línea de transmisión mediante un balun coaxial de relación 4:1.

Al igual que cualquier antena variante del Dipolo, en polarización vertical se comporta omnidireccionalmente (emite y recibe señales en todos los 360° alrededor de la antena), mientras que en polarización horizontal se comporta como antena bidireccional. En la imagen siguiente se muestra un sistema de control de acceso, donde el modo bidireccional de la antena aprovecha la máxima cobertura hacía 2 calles perpendiculares al portón, es decir, si los extremos del Dipolo apuntan al Este y Oeste, la mejor cobertura es hacía Norte y Sur.

En la frecuencia de resonancia de la antena Dipolo Plegado estándar, la impedancia en el punto de alimentación ronda los 300 Ω y al ser acoplada mediante un balun coaxial de relación 4:1, se adapta perfectamente en sistemas de 75 Ω, pero la mayoría de transmisores actuales requieren antenas de 50 Ω, lo cual produce pérdidas por desequilibrios de impedancias (1.5 ROE o SWR).

La antena Dipolo Plegado YY5RM, de 1/2 λ -10% y acoplada hacia la línea de transmisión mediante balun coaxial de 171°, se ha diseñado con el propósito de optimizar la eficiencia de radiación, máximo rendimiento del sistema de antena en frecuencias VHF o UHF y minimizar pérdidas causadas por desequilibrios de impedancias en sistemas de 50 Ω.

En la WEB se ha cargado una sencilla hoja Microsoft Excel 2010 para realizar sus cálculos (Folded Dipole calculator_YY5RM.xlsx).  Solo se debe ingresar la frecuencia en MHz.

Enlace para descargar Folded Dipole Calculator YY5RM:
https://mega.nz/#!CjJHhQqK!ZEqE52sA2wUoM8HVHHq-zNTvez_VfKck2NZ5jeYfwaI

Para mayor información sobre el proceso de diseño y funcionamiento de la antena Dipolo Plegado YY5RM, se sugiere lectura del enlace siguiente:

http://yy5rm.blogspot.com/2012/02/antena-dipolo-11-metros-con-coaxial-41.html

A continuación se muestran ejemplos de longitudes (en centímetros) de antenas Dipolos Plegados YY5RM para las frecuencias UHF típicas:

ANTENA DIPOLO PLEGADO PARA RADIOAFICIONADOS UHF ( 430-440 MHz )

ANTENA DIPOLO PLEGADO PARA FRECUENCIAS TALKABOUT

ANTENA DIPOLO PLEGADO PARA TELEFONÍA MÓVIL CELULAR GSM

( EN VENEZUELA: MOVISTAR Y MOVILNET )

ANTENA DIPOLO PLEGADO PARA TELEFONÍA MÓVIL CELULAR GSM

( EN VENEZUELA: DIGITEL.  INCLUYE WCDMA 3G )

ANTENA DIPOLO PLEGADO PARA MÓVIL CELULAR 3G

( EN VENEZUELA: MOVISTAR Y MOVILNET )

ANTENA DIPOLO PLEGADO PARA WIFI 2.4 GHz

A continuación se muestran 2 ejemplos de antenas Dipolos Plegados estándar para sistemas de 75 Ω. En la WEB se ha cargado una sencilla hoja Microsoft Excel 2010 para realizar sus cálculos (Folded Dipole Calculator_75 ohm.xlsx).

Enlace para descargar Folded Dipole Calculator 75 ohm:
https://mega.nz/#!TuY1kKoS!aDVF9RB065Ye79TPQQGHIUtdItmNlYai6eOfXN6GpYM

ANTENA DIPOLO PLEGADO PARA SISTEMAS DE CONTROL DE ACCESO 315 MHz

(USAR CABLE COAXIAL DE 75 OHMIOS)

ANTENA DIPOLO PLAGADO PARA SISTEMAS DE CONTROL DE ACCESO 460 MHz

(USAR CABLE COAXIAL DE 75 OHMIOS)

Estas antenas Dipolos Plegados de 75 Ω pueden recibir señal de TV. La polarización debe ser horizontal, el cálculo de la longitud se debe realizar en la frecuencia del canal de mayor uso y la cual se debe ingresar en la celda de color azul, de la hoja de cálculos Excel:

Para incrementar la ganancia de emisión y recepción de señales en una sola dirección, se sugiere adicionar un elemento reflector detrás del Dipolo Plegado, de mayor longitud (+5% hasta +10%) y distanciado aproximadamente a 1/2 de la longitud de dicho Dipolo.

Otro método para incrementar significativamente la ganancia del Dipolo Plegado YY5RM, es apilar 2, 4 u 8 elementos, conformando una antena de arreglo colineal:

Ejemplo de cálculos para Wifi 2.4 GHz (2400 MHz):

El reto para la antena de arreglo colineal en estas frecuencias, consiste en la construcción artesanal del manifold coaxial divisor de potencia, cuyas longitudes deben ser exactas.

Detalles del manifold coaxial, para la división de potencia

Detalle del balun coaxial (tipo RG58/U). La unión de las 3 mallas se conectan a tierra

·    Para mejorar la relación pecho-espalda de la antena de cualquier antena variante del Dipolo, es posible adicionar un elemento reflector de geometría plana, cilíndrica o tipo esquina, esto ayudará a suprimir señales indeseadas, provenientes desde otras direcciones. La imagen siguiente muestra un ejemplo de reflector cilíndrico mini-parabólico, el cual se usó para suprimir una señal wifi vecina, que eventualmente creaba conflicto al ocupar el mismo canal (además de mejorar la relación pecho-espalda, también ayuda a orientar los lóbulos secundarios de la antena Yagi).

Cuando se usa línea de transmisión (cable coaxial) entre la antena y el transmisor, en VHF o UHF la Dipolo Plegado YY5RM resulta ideal como elemento irradiante en diversos tipos de antenas, incluso como alimentador de antenas parabólicas (para comprender el significado de la imagen siguiente, se sugiere la lectura del archivo "Longitud del cable coaxial y Nodos.pdf":  http://yy5rm.blogspot.com/2011/11/longitud-del-cable-coaxial-y-nodos.html ).

  A continuación se sugieren ideas para trazar moldes de reflectores parabólicos: 

1.   Inicialmente se escoge una distancia focal. Para 2.4 GHz pudiera ser 5 veces la λ, aunque normalmente se usan más de 10 λ. Esta longitud se duplica (ejemplo: 12.5 mm x 5 = 625 mm. Al duplicar = 1250 mm) y se traza perpendicularmente en el centro de la línea directriz (en este caso 1/2 directriz es 919 mm).

2.    La relación f/D, existente entre la distancia focal & el diámetro de la parábola normalmente va desde 0.34 hasta 0.38 (no necesariamente) y determina entre otros el diámetro y la profundidad de la parábola (mientras mayor es la distancia focal, la parábola se hace más plana o de mayor diámetro). Es decir, si elegimos 5 λ como distancia focal y 0.34 de relación f/D, entonces el diámetro de la parábola será 1838 milímetros, es decir: 625 mm / 0.34 = 1838 mm

3.      Para trazar la parábola, mediante una cinta calibrada en milímetros se procede a ubicar todas las distancias que hay desde el foco hasta la parábola, las cuales deben coincidir con las mismas distancias existentes desde la parábola hasta “directriz”.

1.      En la WED es posible descargar software gratuitos para cálculos de parábolas, ejemplo:

1.   También es posible trasladar la directriz paralelamente hasta el origen de la parábola, para matemáticamente convertirla en el eje de coordenadas “X”, dicho eje se divide en partes iguales (de 10 a 20 coordenadas) e ingresarlas en la ecuación de la parábola, para determinar sus coordenadas correspondientes en el eje “Y” ("p es la distancia focal). 

Para facilitar la construcción artesanal de estas parabólicas, es posible aprovechar una antena de TV satelital, desincorporada por daños, incluyendo su dispositivo focal (LNB) para fijar el Dipolo Plegado (más un elemento director). Seguidamente se muestra un típico ejemplo de antena Wifi 2.4 GHz.

CONVERTIR UNA ANTENA TV SATELITAL, EN ANTENA WIFI, 3G, 4G Ó SIMILARES

Las antenas parabólicas desincorporadas por fallas, también se pueden aprovechar para montar en el foco diversos dispositivos tales como, celulares inteligentes (para aumentar la señal de recepción y retransmitir compartiendo wifi), modem de antena no desmontables, modem ban tipo pendrive, etc.

  

ANTENAS YAGIS

Las Yagis son antenas direccionales, compuestas básicamente de tres tipos de elementos (reflector, irradiante y director-es), montados en un soporte lineal denominado “boom“. Suelen usarse en polarización vertical u horizontal, el número de elementos así como sus longitudes, diámetros y distribuciones en el boom (existen otros factores) determinan la ganancia, direccionabilidad, impedancia, diagrama de radiación, formación de lóbulos, etc., el  diseño a escoger dependerá del uso requerido.

Inicialmente se calcula la longitud del elemento irradiante (L1 es la longitud del Dipolo Plegado = 142.5 / F), donde “F“ es la frecuencia en Megahertz (MHz) y el resultado será en metros. Este resultado servirá de referencia para calcular separaciones y longitudes de todos los elementos de la antena Yagi.

Con estos cálculos básicos la antena yagi funcionará bien, aunque para optimizarla se sugiere el uso de programas de simulación y diseño de antenas, como por ejemplo el MMANA-GAL_Basic, en la WEB hay tutoriales sobre su uso.

USO BÁSICO DEL PROGRAMA MMANAGAL Basic, PARA DETERMINAR LONGITUDES DE ANTENAS

Ejemplo para determinar longitudes de una antena Yagi Wifi 2.4 GHz, paso a paso:

1.      Descargar e instalar el programa MMANA GAL Basic.

2.      Abrir la carpeta de archivos de muestra.

:

1.    Seleccionar una antena similar a la requerida, sin importar la frecuencia, preferiblemente para VHF o UHF. En este ejemplo se seleccionó una antena Yagi de 12 elementos, para UHF 430 MHz (ANT\VHF beams\12EL430.MAA).

1.      El programa cargará data de geometría de la antena seleccionada.

1.   Para verificar si es la antena requerida, en el menú se debe seleccionar “Calculate” y analizar la antena mediante la opción “Start”.  El programa mostrará cálculos  de ganancia en dBd y dBi, relación pecho-espalda en dB, componentes R y jX de la impedancia compleja, relación de ondas estacionarias con respecto a 50 Ω, etc.

1.      En “Far field plots” es posible observar si los gráficos del patrón de radiación vertical, horizontal y 3D, son los requeridos.

1.      En “View” se muestra la figura de la antena y corrientes en sus elementos

1.      Volver a seleccionar “Geometry” en el menú principal.

1.1  Originalmente la frecuencia de la antena Yagi seleccionada es 435 MHz, en esta segunda prueba se debe reemplazar por la frecuencia deseada, que en este caso es Wifi 2400 MHz (2.4 GHz).

1.2    Dividir ambas frecuencias, usando la mayor como dividendo y la menor como divisor .

1.3    Para cambiar la geometría de la antena, todas las longitudes de la taba se deben dividir entre el cociente de la división anterior (2400 / 435 = 5.517).

1.     Antes de analizar la antena, se sugiere verificar la forma y geometría resultante, desde la proyección en “XZ”

1.    En el menú “Calculate” seleccionar la frecuencia Wifi (2400 MHz), analizar la antena (Start) y finalmente editar las longitudes de la nueva antena (Element edit). 

1.    Al editar los elementos, con la tecla izquierda del mouse es posible adicionar o eliminar elementos, para volver analizar la antena.

En el menú principal es posible cambiar el idioma del programa (Service / Languaje). Se muestra un ejemplo de cambia al idioma español, donde se muestran resultados de simulaciones en el espacio libre y a diversas alturas sobre el suelo (desde 0.5 hasta 8 metros de altura):

Con básicos conocimientos matemáticos y de Microsoft Office, es posible diseñar hojas de cálculos para determinar longitudes de una misma antena, en diversas frecuencias.

La siguiente hoja Microsoft Excel 2010 realiza cálculos para esta misma antena Yagi vertical, con Dipolo Plegado, balun coaxial, de 12 elementos, 13.65 dBi de ganancia, para frecuencias Wifi, celular GSM, 3G, 4G, 5G, Talkabout, VHF y UHF en general (la antena original es para 435 MHz, la misma es copiada del programa MMANAGAL Basic). Solo se requiere ingresar la frecuencia (en MHz) en la celda de color azul y números en color blanco.

Enlace:

https://mega.nz/#!bqYQlAKB!stJVpdB5W-XQ4ag8DtOVK3kmv5rmleuC8fwu0_FZyXQ

Igualmente  disponible para descargar desde el enlace:  www.qrz.com/db/YY5RM

Imagen:

Enlace para descargar hoja Microsoft Excel, la cual calcula antena Yagi de 6 elementos. De igual forma, solo basta con ingresar la frecuencia (en MHz) en la celda de color azul:
https://mega.nz/file/OrZV2SLB#I0Lq-tsgZWWNH-9aYp0nvlQkVjF9jZqmvzCT__8GNX4

Este tipo de antena se pudiera conectar directamente hacia la línea coaxial, aunque para excelentes resultados se sugiere acoplar mediante balun coaxial de relación 1:1.
Imagen de la hoja de cálculos:

Notas:
Se sugiere complementar el uso del programa MANNA GAL Basic, mediante tutoriales existentes en la WEB.

Notas: En caso que desee realizar ensayos y simulaciones virtuales con las antenas presentadas en este artículo, el enlace siguiente contiene una carpeta que incluye 3 subcarpetas con un total de 151 archivos (ocupa 1.6 Mb) de estas y muchas otras antenas para HF, VHF y UHF, las cuales requieren el programa MMANAGAL Basic para su edición (enlace actualizado el 13/02/2022):

https://mega.nz/folder/SrxAmL4a#aR2oEmWEI4NcVRgafyte_w

Enlace sugerido para descargar el software MMANAGAL:

https://mmana-gal.software.informer.com/3.0/

En caso de requerir hojas de cálculos para diseño de Yagis desde 3, hasta 7 elementos, se sugiere el enlace siguiente:
https://yy5rm.blogspot.com/2020/03/construccion-casera-de-antenas-yagis.html

TÉCNICAS PARA CONSTRUIR ANTENAS YAGIS

Es posible personalizar técnicas para el diseño y construcción de antenas Yagis. Los elementos Dipolo Plegado, reflector y directores deben ser de metal, pero el boom pudiera ser de material PVC. 

MATERIALES REQUERIDOS

·      Una varilla de cobre, 2.5 mm de diámetro (usada como boom de antena). Se adquiere en ferreterías, suelen tener de diversos diámetros y aproximadamente un metro de largo. Son usadas para soldar o rellenar orificios en tuberías de cobre. También pudiera ser de bronce o plata.

·    Un fragmento de cable eléctrico # 4 AWG/600 V: Estos cables son multifilares (varios hilos de alambres), solo se requieren aproximadamente 20 cm y se puede adquirir en ferreterías, o ventas de materiales eléctricos. Procurar que los alambres del cable, no sean muy delgados.

·       Cable coaxial de 50 ohmios: RG58, RG174 ó similar. Para facilitar la conexión es posible adquirir un cable extensión para antenas Wifi (pigtail), los cuales incluyen conectores RP-SMA.

·        Panduits para amarrar cables, conocidos también como “tirrás”.

PROCEDIMIENTOS:

1.    Quitar la chaqueta (forro) del cable eléctrico # 4 y deshilacharlo.

2.    Cortar los hilos de alambre de cobre para construir los elementos de la antena, de longitudes aleatorias pero mayores a las requeridas, como se muestra indica en la fotografía siguiente. 

3.      Ajustar la punta del cautín, para obtener máximo calor

4.      Soldar los elementos al boom como se indica en las fotografías siguientes. El Dipolo Plegado debe soldarse por la cara contraria a la del resto de los elementos.

5.      Realizar el doblé o pliegue del elemento excitado (Dipolo Plegado), igualmente se puede doblar antes de fijar o soldar al boom, pero se hace dificultoso centrarlo. Dependiendo del espesor del alambre, no siempre es posible lograr la separación del pliegue sugerida en los diagramas.

6.      Cortar a la medida (debidamente centrados) el reflector y directores. Empleando herramientas manuales típicas, eventualmente resulta crítico cortar con exactitud. En algunos diseños de antenas Yagis, la geometría de la antena tiene forma cónica, solo para estos casos es posible el uso de regla o escuadra para facilitar y verificar los cortes en los elementos.

7.      Al culminar los cortes, se deben enderezar todos los elementos y darle estética a la antena. Luego, se debe realizar la fijación del boom, hacia el extremo trasero de la antena.

1.   Construir el balun coaxial. Si el boom es metálico, preferiblemente la unión de las tres mallas se bebe soldar a dicho boom. Es conveniente procurar que las conexiones desnudas queden lo más cortas posibles.

1.    Por último, se sugiere proteger la antena contra la intemperie mediante cualquier pintura dieléctrica, barniz, spray, envoltura plástica, tubo o canaletas PVC, etc. En las fotografías siguientes, se aprecian fijaciones al mástil (modo de prueba) y por último la protección PVC

DISEÑOS VARIADOS DE ANTENAS YAGIS:

Antena Yagi horizontal, de 3 elementos para TV UHF (usar balun 1:1 y cable coaxial de 75 ohmios)

Antena Yagi vertical de 5 elementos, para dispositivos celulares GSM, 3G, 4G, 5G y UHF en general (usar balun 1:1 y cable coaxial de 50 ohmios).

ANTENA YAGI WIFI 2.4 GHz, DE 6 ELEMENTOS

ANTENA YAGI DE 8 ELEMENTOS, PARA TELEFONÍA MÓVIL CELULAR GSM 850 MHz

ANTENA YAGI DE 8 ELEMENTOS, PARA TELEFONÍA MÓVIL CELULAR GSM 900 MHz

ANTENA YAGI DE 15 ELEMENTOS, PARA TELEFONÍA MÓVIL CELULAR GSM 850 MHz

ANTENA YAGI DE 10 ELEMENTOS, PARA TELEFONÍA MÓVIL CELULAR 3G 1050 MHz

ANTENA YAGI DE 8 ELEMENTOS, PARA TELEFONÍA MÓVIL CELULAR 4G 2100 MHz

TÉCNICAS PARA CONSTRUIR ANTENA DE ARREGLO COLINEAL

Para mejores resultados, los componentes similares se deben construir con longitudes exactamente iguales. Preferiblemente proteger la antena dentro de tubo PVC.

PARA CULMINAR

Los artículos e imágenes que he publicado, “son de libre uso”, eventualmente son modificados y la última actualización siempre estará disponible para descargar en www.qrz.com (YY5RM en el buscador), o directamente desde los enlaces https://www.qrz.com/db/YY5RM y www.blogspot.com/YY5RM .

Ramón Miranda (YY5RM)

Instructor de Electrónica en el Radio Club Venezolano.

Enlace para descargar el archivo pdf:
(Actualizado el 26-04-2020):
https://mega.nz/file/bi41lbLB#sfVgc1bBlRPBqmRx5LkTqMhGp6YDEIO3cCEJRKTlZj0

(Actualizado el 26-04-2020): https://www.dropbox.com/s/dfnfb9whz22j1bq/Antenas%20wifi_telefonia%20celular%20y%20similares.pdf?dl=0

(Actualizado el 26-04-2020): https://documentcloud.adobe.com/link/review?uri=urn:aaid:scds:US:05667a75-e568-4f8b-ad51-4a945b3fb83e