Projeto de Antena Yagi-Uda para Telecomunicações

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UNIVERSIDADE EDUARDO MONDLANE 
 
FACULDADE DE ENGENHARIA 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELETROTÉCNICA 
Curso de Engenharia Electrónica (Laboral) 
 
 
Antenas e Propagação de Ondas 
Trabalho de Pesquisa 
 
Tema: 
PROJECTO DE UMA ANTENA YAGI-UDA 
 
 
 
 
 
DISCENTES: 
Bié, Milton Alberto 
Mussá, Abú João 
Vuvo, Ivan Ismael 
 
 
Docente Regente: 
Eng. Adélio F. Tembe, MsC 
Docente Assistente: 
Eng. Luís Massango 
 
 
 
Maputo, 05 de junho de 2018 
Índice 
1. Introdução ................................................................................................................................ 1 
2. Projecto de uma Antena Yagi-Uda .......................................................................................... 2 
2.1. Conceito de Antena .......................................................................................................... 2 
2.2. Parâmetros Fundamentais de uma Antena ....................................................................... 2 
3. Antenas Yagi-Uda ................................................................................................................... 4 
3.1. Constituição da Antena Yagi-Uda.................................................................................... 5 
3.2. Análise Teórica ................................................................................................................ 5 
3.3. Caracterização do Elemento Excitador ............................................................................ 6 
4. Yagi-Uda de Três Elementos ................................................................................................... 7 
5. Yagi-Uda de N Elementos ....................................................................................................... 8 
6. Projecto de uma antena Yagi-Uda para Rádio ......................................................................... 9 
6.1. Cálculos: ........................................................................................................................... 9 
7. Resultados do simulador (Yagi Calculator)........................................................................... 12 
8. Conclusões ............................................................................................................................. 13 
9. Referências Bibliográficas ..................................................................................................... 13 
 
 
 
Índice de Figuras 
Fig. 1 Diagrama de Radiação .......................................................................................................... 3 
Fig. 2 Diagrama de radiação ilustrativo da diretividade ................................................................. 3 
Fig. 3 Polarização das antenas ........................................................................................................ 4 
Fig. 4 Configuração da antena Yagi-Uda ....................................................................................... 5 
Fig. 5 Antena Yagi-Uda de 3 elementos ......................................................................................... 7 
Fig. 6 Diagrama de radiação da Yagi-Uda de 3 elementos ............................................................. 8 
 
 
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1. Introdução 
Um elemento fundamental para o bom funcionamento de todos os sistemas de telecomunicações 
que fazem uso de ondas de rádio é a antena. Sem ela o sistema não funciona e com uma má antena, 
mesmo empregando a melhor tecnologia do mundo não é possível ter um sinal satisfatório. Dessa 
forma, é fundamental para todo individuo das telecomunicações entender como funcionam as 
antenas. Existem vários tipos de antenas usadas nas telecomunicações, porém o presente trabalho 
visa detalhar o funcionamento da antena Yagi-Uda e as suas aplicações. 
Antena Yagi-Uda é um tipo de rádio-antena desenvolvido por Hidetsugo Yagi, professor da 
Universidade de Vohoku, Japão, e por seu colega e assistente Shintaru Uda. Este tipo de antena 
foi descrito nos anos de 1926 e 1927 em artigo intitulado: Procedimentos do ERE (Engineering 
Radio Experience). Apesar da antena ter ostentado o nome YAGI, o próprio Dr. Yagi a chamou 
de antena Yagi-Uda em reconhecimento ao seu colega e assistente. 
 
 
 
 
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2. Projecto de uma Antena Yagi-Uda 
2.1.Conceito de Antena 
Antenas são dispositivos criados essencialmente para transmitir e/ou receber informação na forma 
de energia eletromagnética. A invenção da antena, por volta de 1906, foi um marco para a 
comunicação sem fio. A principal função de uma antena é converter energia eletromagnética 
guiada pela linha de transmissão em energia eletromagnética irradiada, da mesma forma, este 
padrão atua também no sentido inverso, ou seja, a antena transforma energia eletromagnética 
irradiada pelo ar em energia eletromagnética guiada. Assim, a utilização desse dispositivo é 
fundamental em qualquer sistema de comunicação sem fio onde exista radiofrequências. 
 
2.2.Parâmetros Fundamentais de uma Antena 
a) Diagrama de Radiação 
O diagrama de irradiação de uma antena pode ser definido como uma função matemática ou 
representação gráfica das propriedades de irradiação da antena em função das coordenadas 
espaciais. O diagrama de radiação consiste em uma representação espacial da energia irradiada em 
função da posição do observador ao longo de uma superfície de raio constante. 
 
 
 
 
 
 
 
b) Ganho 
 Fig. 1 - Diagrama de Radiação 
 
3 
 
Quando fala-se de ganho, isso não significa que uma antena possa "amplificar" os sinais que 
transmite ou que recebam. Uma antena é um elemento passivo tanto na transmissão como na 
recepção de sinais. Não existem elementos que possam introduzir um ganho efetivo num sinal de 
uma antena. Usa-se o termo ganho para expressar a capacidade que uma antena tem para receber 
sinais de uma determinada direção quando a comparamos com uma antena usada como referência. 
Se uma antena concentra a energia transmitida numa certa direção ela possui um ganho, pois a 
intensidade da energia na direção considerada é maior do que uma antena comum tomada como 
referência que irradie o sinal com a mesma intensidade em todas as direções. O mesmo é válido 
para uma antena receptora. O ganho pode ser determinado pela expressão: 
 
Ga (dB) = 10 log (P1/P2) 
 
Onde: 
Ga = ganho em dB (decibel) 
P1 = potência da antena em mW 
P2 = potência da antena padrão em mW 
 
 
c) Diretividade 
Uma esfera pode ser considerada uma antena ideal. Ela irradia ou recebe sinais com a mesma 
intensidade em todas as direções. 
Evidentemente, para as aplicações práticas pode não ser interessante ter um padrão de irradiação 
desse tipo. Na prática, as antenas devem concentrar os sinais em determinadas direções. Para isso, 
seus formatos raramente são esféricos, mas sim planejados para se obter um comportamento 
diretivo. Podemos então falar na diretividadede uma antena como a sua capacidade de concentrar 
sinais e expressar isso através de um diagrama: 
 
d) Polarização 
Fig. 2 Diagrama de radiação ilustrativo da 
diretividade 
 
4 
 
Os campos elétrico e magnético que correspondem à uma onda transmitida ou recebida por uma 
antena possuem uma orientação específica. Os campos magnéticos e elétrico são perpendiculares 
um ao outro. O modo como eles aparecem numa antena transmissora ou devem ser captados por 
uma antena receptora determina a sua polarização. Uma antena com polarização vertical não 
recebe de maneira eficiente sinais que chegam com uma polarização horizontal. Uma vez que os 
sinais de televisão normalmente são polarizados horizontalmente, a polarização horizontal das 
antes torna-se eficiente. 
 
3. Antenas Yagi-Uda 
Uma das antenas mais utilizadas em sistemas de telecomunicações e a antena Yagi-Uda. Este tipo 
de antena foi primeiramente descrita e analisada em um artigo do professor japonês S. Uda, em 
Março de 1926. Entretanto, estas antenas só se tornaram mundialmente conhecidas depois da 
publicação, em 1928, de um artigo em inglês assinado por H. Yagi, colega do professor Uda. 
A antena Yagi-Uda e muito utilizada na prática por ser leve, de baixo custo, de fácil construção, 
por apresentar grande diretividade e ganho considerável. Ela pode operar como transmissor ou 
receptor, sendo muito aplicada como antena de TV e de celular. A sua estrutura e composta por 
dipolos, sendo um elemento excitador, um elemento refletor e os demais elementos parasitas ou 
diretores. 
Fig. 3 Polarização das antenas 
 
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3.1.Constituição da Antena Yagi-Uda 
 Refletor - localiza-se atrás do excitador e tem a função de radiar mais energia em uma 
direção do que em outra, diminuindo assim a relação frente-costa. 
 
 Excitador - é alimentado diretamente por uma fonte de corrente (ou de tensão), 
normalmente o seu tamanho e menor que o refletor e maior que os diretores. 
 
 Diretores - são elementos parasitas, cujos tamanhos variam de acordo com a distância 
entre os elementos, o numero destes, a espessura e a largura de banda pretendida. 
Neste arranjo de dipolos, a onda eletromagnética emitida pelo excitador induz uma corrente no 
parasita que, por sua vez, re-irradia parte da energia recebida. A fase da corrente neste elemento 
depende do seu comprimento e da distância de separação entre ele e o elemento ativo. Esta fase, 
combinada com a amplitude da corrente determina o diagrama de radiação da rede. O campo 
distante da Yagi e, assim, a soma dos campos emitidos pelo excitador e parasita. 
 
3.2.Análise Teórica 
Para fazer a análise teórica, todos os elementos parasitas da Figura 4 são retirados e somente o 
elemento excitador e caracterizado. Posteriormente, um elemento parasita e introduzido nas 
proximidades do excitador e uma análise dessa estrutura e realizada. Por fim, um novo parasita e 
colocado na estrutura e um estudo do seu comportamento e efetuado. 
 
Fig. 4 Configuração da antena Yagi-Uda 
 
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3.3.Caracterização do Elemento Excitador 
O elemento excitador é um dipolo que consiste em um irradiador com uma determinada 
distribuição de corrente ao longo do seu comprimento. 
A distribuição de corrente para este elemento pode ser descrita com uma boa aproximação por: 
 
 
Esta distribuição assume que a antena e alimentada no centro e que a corrente e nula nos 
extremos. Através de várias manipulações algébricas e conhecimento em eletromagnetismo, o 
campo elétrico irradiado por um dipolo pode ser determinado como: 
 
E a expressão para o campo magnético para a região de campo distante pode ser dado por: 
 
O dipolo apresenta campo elétrico e magnético somente nas direções de θ e ф, respectivamente. 
Para as outras direções não há componentes de campo. 
 
Vários são os parâmetros característicos a serem estudados para esta estrutura, os mais relevantes, 
aqui discutidos são: potencia irradiada, diretividade, diagrama de radiação e outros parâmetros, 
como impedância de entrada, relação frente-costa e ganho, A potencia irradiada pode ser obtida 
 
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integrando a densidade de potência, dada através do vetor de poyting, em uma superfície fechada 
arbitraria que envolve a antena. 
4. Yagi-Uda de Três Elementos 
A Yagi-Uda de três elementos e muito utilizada na faixa de HF. Esta estrutura e formada por um 
elemento refletor, um excitador e outro diretor. 
Nesta figura, o arranjo e alinhado na direção z, com o elemento excitado de comprimento le, 
posicionado na origem, o elemento diretor de comprimento ld a uma distância dd da origem e o 
elemento refletor de comprimento lr a uma distância dr da origem. 
Na seguinte estrutura o elemento excitador e alimentado por uma fonte externa e irradia um campo 
eletromagnético. Este campo, por sua vez, induz correntes nos demais elementos que passam 
também a irradiar campos eletromagnéticos. Os campos irradiados por cada elemento somam-se 
em amplitude e fase de tal forma que o diagrama de radiação resultante tem um máximo na direção 
definida pelos elementos diretores. 
A expressão do campo elétrico total irradiado por estes dipolos pode ser escrita como: 
 
 
Onde Er(θ), Ee(θ) e Ed(θ) são respectivamente os campos oriundos dos elementos refletor, 
excitador e diretor. 
Conhecendo a expressão analítica para o campo irradiado por um dipolo finito e fazendo uma 
análise geométrica do arranjo, pode-se escrever as expressões para os seguintes campos: 
 
Fig. 5 Antena Yagi-Uda de 3 elementos 
 
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A impedância de entrada da antena será: 
 
 
 
5. Yagi-Uda de N Elementos 
A estrutura da Yagi-Uda de n elementos e composta por um elemento ativo, um refletor e vários 
elementos parasitas ou diretores. O número de elementos diretores, bem como a distância entre 
eles pode variar, influenciando as características da antena. Experimentos e simulações mostram 
que o aumento do número de elementos refletor não melhora muito a diretividade da antena Yagi. 
Entretanto, o acréscimo do número de elementos diretores na antena leva a um incremento no 
ganho máximo. Um exemplo dessa rede e dado na figura 4. 
O campo total irradiado pela antena Yagi de n elementos e obtido através do somatório dos campos 
individuais: 
Fig. 6 Diagrama de radiação da Yagi-Uda de 3 elementos 
 
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A impedância de entrada da antena Yagi–Uda é dada por: 
 
 
6. Projecto de uma antena Yagi-Uda para Rádio 
O projecto da antena Yagi-Uda será dimensionado para trabalhar em UHF, na faixa aproximada 
de 1GHz. A antena terá um elemento um elemento reflector, um elemento excitador (dipolo 
dobrado) e 4 elementos directores. 
Para o cálculo, serão usadas as seguintes fórmulas aproximadas: 
6.1.Cálculos: 
c= Velocidade da Luz = 299792458 m/s ≈ 300M m/s 
f = Frequência de trabalho = 1000MHz 
 
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λ = c/f = 300 / 1000 
λ = 0,3m 
 
 Cálculo do comprimento do Dipolo Ldp 
Ldp = 142,4 / f(MHz) 
Ldp = 142,4 / 1000 
Ldp = 0,1424m 
 
 Cálculo do Refletor LR 
LR = 150 / f(MHz) 
LR = 150 / 1000 
LR = 0,15m 
 
 Cálculo dos comprimentos dos 4 directores 
m = 135 / f(MHz) 
m = 135 / 1000 
m = 0,135m 
 
n = 133 / f(MHz) 
n = 133 / 1000 
n = 0,133m 
 
p = 130 / f(MHz) 
p = 130 / 1000 
p = 0,13m 
 
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q = 129 / f(MHz) 
q = 129 / 1000 
q = 0,129m 
 
 
Distância entre os elementos 
A distância entre o dipolo e o refletor será de 24cm; entre o dipolo e o 1º diretor será de 9cm; entre 
os dois primeiros diretores será de 12,5cm; e entre os últimos diretores será de 5cm. 
Os restantes cálculos são de caracter complexo para serem desenvolvidos neste trabalho. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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7. Resultados do simulador (Yagi Calculator) 
 
 
 
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8. Conclusões 
As antenas Yagi-Uda são muito utilizadas em sistemas de telecomunicações, devidas as suas 
características peculiares: grande diretividade e ganho considerável. Um modelamentoteórico e 
empírico deste tipo de antena foi estudado ao longo deste trabalho e pode-se perceber que a medida 
que se aumenta o número de elementos na Yagi-Uda, a antena torna-se mais diretiva. 
Nota-se uma ligeira divergência nos valores calculados comparativamente com os valores obtidos 
nas simulações, isto deve-se ao facto do simulador considerar condições ideais e não reais. 
Os cálculos do ganho e da directividade são de caracter complexo para serem feitos manualmente, 
porém foi possível obter os seus resultados por meio do simulador. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
9. Referências Bibliográficas 
BALANIS, C. A., 1938, Antenna theory: Analysis and design, Nova York. 
 
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ESTEVES, L. C., 1980, Antenas – Teoria Básica e Aplicações, São Paulo, Brasil. 
MOREIRA, F. J. S., 2005, Prática de Antenas, GAPTEM – Grupo de Antenas, Propagação e 
Teoria Eletromagnética, Departamento de Engenharia Eletrónica, Universidade Federal de Minas 
Gerais, Brasil. 
RIOS, L.G., Perri, E. B., 2002, Engenharia de Antenas, São Paulo, Brasil. 
VIEZBICKE, P. P., 1976, Yagi Antenna Design, National Bureau of Standards Technical Note 
688, Estados Unidos.