El documento presenta el diseño y simulación de una antena Yagi-Uda de 6 elementos (un reflector, un elemento alimentado y 4 directores) para una frecuencia de 2.4 GHz utilizando el software HFSS. Incluye cálculos matemáticos para determinar las dimensiones de cada elemento y su posicionamiento, así como los pasos seguidos en HFSS para la construcción de la geometría y la asignación de fronteras de radiación. El objetivo es emplear los conocimientos adquiridos para el cálculo y diseño de esta antena direcc

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INGENIERÍA EN SISTEMAS ELECTRÓNICOS Y DE
TELECOMUNICACIONES
PROPAGACIÓN Y ANTENAS
Proyecto FINAL
ANTENA YAGI-UDA
RODEA AGUILAR ELISEO 15-011-0501
GRUPO: 1101
PROFESOR: ING. TIRADO MÉNDEZ JOSÉ ALFREDO

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ÍNDICE
MARCO TEÓRICO……………………………………………………………………………………………………3
OBJETIVO…………………………………………………………………………………………………………….4
DESARROLLO……………………………………………………………………………………………………….4
CONCLUSIONES……………………………………………………………………………………………………15
BIBLIOGRAFIA…………………………………………………………………………………………………….15

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MARCO TEÓRICO
La antena Yagi es una antena direccional inventada por el Dr. Hidetsugu Yagi de la
Universidad Imperial de Tohoku y su ayudante, el Dr. Shintaro Uda (de ahí al nombre Yagi-
Uda). La invención del Dr. Yagi (patentada en 1926) no fue usado en Japón en un principio,
ya que su idea era para utilizarse en la guerra como arma radioactiva.
Una antena Yagi está formada por un elemento alimentado (conectado al emisor o al
receptor) formado por un simple dipolo o un dipolo doblado llamado también "radiador".
Además de ese elemento, la antena tiene uno o varios elementos aislados llamados
elementos parásitos. Éstos pueden estar situados delante del elemento alimentado,
refuerzan el campo hacia adelante y se llaman directores. Los elementos situados detrás se
llaman reflectores.
Su funcionamiento se basa en una corriente que circula en el elemento alimentado
irradiando un campo electromagnético, el cual induce corrientes en los "elementos
parásitos" de la antena. Las corrientes inducidas en esos elementos irradian también
campos electromagnéticos que a su vez inducen corrientes en los demás. Finalmente, la
corriente que circula en cada uno de los elementos es el resultado de la interacción entre
todos los elementos. La fase y la amplitud de la corriente que circula en el elemento parásito
dependerán de la distancia entre los dos elementos y de la longitud y diámetro de este
último.
La antena Yagi de banda ancha nos permite cubrir varios canales de TV a la vez, aunque
sacrificando la ganancia. Para considerar este tipo de antena es necesario hacer ajustes en
la distancia entre los elementos para obtener, junto con el ancho de banda deseado, la
ganancia óptima. Como la antena Yagi utiliza elementos alimentados y parásitos, es común
aumentar el número de elementos alimentados a 2 o 3; estos dipolos se cortan a la
frecuencia media del ancho de banda.
HFSS
HFSS es un solucionador comercial de métodos de elementos finitos para estructuras
electromagnéticas de Ansys. El acrónimo significa simulador de estructura de alta
frecuencia. HFSS es una de varias herramientas comerciales utilizadas para el diseño de
antenas y el diseño de elementos complejos de circuitos electrónicos de radiofrecuencia,
incluidos filtros, líneas de transmisión y empaques. Fue desarrollado originalmente por el
profesor Zoltan Cendes y sus estudiantes en la Universidad Carnegie Mellon. El Prof.
Cendes y su hermano Nicholas Cendes fundaron Ansoft y vendieron HFSS de manera

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independiente bajo una relación de marketing de 1989 con Hewlett-Packard, y se
agruparon en los productos de Ansoft. [1] En 1997, Hewlett-Packard adquirió Optimization
Systems Associates Inc. (OSA), una compañía fundada por John Bandler en 1983. La
adquisición de HP fue impulsada por la necesidad de HP de una capacidad de
optimización para HFSS. [2] Después de varias relaciones comerciales durante el período
1996–2006, HP (que se convirtió en Agilent EEsof EDA division) y Ansoft se separaron: [3]
Agilent con el aclamado por la crítica [4] FEM Element y Ansoft con sus productos HFSS,
respectivamente. Ansoft fue adquirido más tarde por Ansys.
OBJETIVO:
Emplear todos los conocimientos adquiridos para el cálculo y diseño de una antena Yagi
de 6 elementos (reflector, radiador y 4 directores) por medio del software HFSS.
DESARROLLO:
La antena Yagi-uda está constituida por los siguientes elementos principales:
• Driver. - Es el único elemento “activo”, ya que está conectado a una fuente de
energía electromagnética por una línea de transmisión y este es un elemento dipolo.
• Reflector. – Este elemento refleja la señal o la onda electromagnética del driver
• Director. – Concentra la energía electromagnética en el mismo sentido del driver,
estos se conocen como “elementos parásitos”.
Esta antena puede estar constituida por más directores, eso dependerá de las necesidades
y las características particulares del diseñador.
CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO:
1. Driver. – Se diseña considerando que la longitud será proporcional a 0.47 ʎ (lambda)
aproximadamente.
2. Reflector. – Su longitud será aproximada a 0.5 ʎ
3. Director. - Su longitud será aproximada de 10% a 20% más pequeño que la longitud
LE (longitud del excitador).
4. La separación entre el reflector y el driver debe variar entre 0.15 y 0.25 ʎ (de acuerdo
con Antenna theory and design - Stutzman), ya que la ganancia alcanza un valor
máximo.
5. La distancia entre los directores varía desde 0.2 a 0.35 ʎ (se puede modificar de
acuerdo al espesor). Nota: para arreglos grandes, se sugieren longitudes grandes y
para arreglos pequeños, se sugieren arreglos pequeños.

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6. Después de 11 directores, ya no es conveniente en cuanto a costo-beneficio, ya que
la ganancia después de estos 11, es de 0.2 dB.
Fig. 1 Elementos principales que componen una antena Yagi-uda
Cálculos matemáticos para una antena que radia a una frecuencia de 2.4 GHZ:
Primero se tiene que realizar el cálculo de la antena dipolo (driver), ya que de ahí se partirá
para el diseño de la antena Yagi-uda
Para empezar, se debe calcular la longitud de onda ʎ, la cual es bajo la siguiente ecuación:
𝜆 =
𝐶
𝐹
………………………………Ec. 1
Donde:
ʎ= Longitud de onda
C=velocidad de la luz
F=frecuencia
𝜆 =
𝐶 = 3𝑥1011
𝑚𝑚/𝑠
𝐹 = 2.4𝑥1091/𝑠
= 125𝑚𝑚
Una vez conocida ʎ, obtendremos ʎ/2 y ʎ/4 para la longitud y media longitud física de
nuestros brazos de la antena
𝑙 =
λ
2
………………………………Ec. 2

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Donde l es la longitud física del dipolo y de la cual obtendremos la siguiente ecuación:
l
2
=
λ
4
………………………………Ec. 3
Donde l/4 será la longitud de uno de los brazos del dipolo
Sustituyendo la Ec. 2, obtendremos que la longitud de nuestro dipolo es:
𝑙 =
125mm
2
= 62.5𝑚𝑚
Y
𝑙/2 =
125mm
4
= 31.25𝑚𝑚
También debemos considerar tanto el diámetro del alambre como la separación entre
brazos del dipolo, para este caso se considerará un diámetro de 4mm y una separación
proporcional a el diámetro.
Nota: hay que considerar que son dimensiones teóricas, ya que, en la práctica, se genera
el “campo de contorno” en cada uno de los extremos de los brazos, esto obliga a que se
genere un alargamiento eléctrico y que la antena tenga una longitud “ʎ/4+l’ “, y ocasionará
que no se trabaje a la frecuencia deseada. Es por esto que se sugiere trabajar de 0.48ʎ a
0.49ʎ.
Una vez obteniendo todos estos datos, se procede a realizar los demás cálculos para la
antena Yagi-uda.
Para el diseño del reflector se considera:
𝐿𝑅~0.5 ʎ………………………………Ec. 4
𝑆𝑅~0.15 𝑎 0.25 ʎ…………….…….…Ec. 5

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Sustituyendo la EC.4
LR= 62.5mm
Sustituyendo la EC.5 a 0.15 ʎ
SR= 19mm
Donde:
LR=Longitud del reflector
SR=Separación que existe entre el reflector y el driver
Para el diseño del “Excitador” o Driver, se considera:
𝐿𝐸~0.47 ʎ…………………………………Ec. 6
𝑆𝐷~0.2 𝑎 0.35 ʎ … … … … … … … … … … … … Ec. 7
Sustituyendo la EC.6
LE=64mm
Sustituyendo la EC.7 a 0.2ʎ
SD=25
utilizando la Ec. 3, tenemos que:
Lbrazo= 31.35mm ~ 32mm

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Donde:
LE=Longitud del excitador
SD=Separación entre directores
Lbrazo=
λ
4
Para el diseño del director 1 se considera:
𝐿𝐷~ 10 𝑎𝑙 20% 𝑚á𝑠 𝑝𝑒𝑞𝑢𝑒ñ𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝐿𝐸 + 𝐿𝑠𝑑 … … … … … … … … … … … … Ec. 8
Sustituyendo la Ec.8 a un 15%
LD=54
Lsd= 4mm
SD=25
Donde:
LD= Longitud del director
Lsd= longitud de separación entre los brazos del dipolo
SD= Separación entre directores
Para el diseño de los demás directores se consideran los mismos datos que el director 1
Para el diseño de las fronteras de radiación (aire), se considera:
Que cubra todo el elemento que se va a analizar no importando la geometría, siempre y
cuando cumpla con dicha condición (aunque se recomienda una simetría semejante a la
figura que se analizara).

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La distancia de cualquier elemento radiador, hacia la orilla del elemento que lo rodea, debe
ser mínimamente ʎ/4 (~ 32mm) de la frecuencia de operación (en este caso de la frecuencia
de 2.4 GHZ)
Para las operaciones correspondientes, se realizó un programa en una hoja de cálculo
donde se ingresan los siguientes datos:
1. Frecuencia
2. Diámetro del alambre
3. Número de directores
CÁLCULOS PARA ANTENA YAGI-UDA
PROPORCIONA
LA
FRECUENCIA
EN GHZ
PROPORCIONA
EL Ø
DEL
ALAMBRE
INDICA EL
NÚMERO
DE
DIRECTORES
2.4 4 4
Tabla 1. Ingreso de datos para entena yagi-uda
FRECUENCIA C=3+E11 [mm] ʎ l=0.48ʎ l=ʎ/4
distancia entre
monopolo
(Ş)
Ø del alambre -longmm
2.40E+09 3.00E+11 125 60 30 4 4 4
-X Y Z -DX DY DZ
-2 0 0 -26 2 0
X Y Z DX DY DZ
2 0 0 26 2 0
X Y Z -DX DY DZ
62 0 0 -120 32 0
POSICIÓN VOLUMEN
POSICIÓN VOLUMEN
BRAZO_2
POSICIÓN VOLUMEN
PUNTO DE INICIO AIRE (FRONTERAS DE RADIACIÓN) ʎ/4
BRAZO_1
Cálculo para antena dipolo
Tabla 2. Cálculo de antena dipolo

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driver lE=0.48ʎ
LE
reflector l=0.5ʎ
LR
director l=10 o
20% más pequeño
que el driver
LD
separación entre
el reflector y el
driver
(SR) es de 0.15 a
0.25 ʎ
separación entre
directores
(SD) es de 0.2 a
0.35 ʎ
64.00 62.5 54 19 25
-X Y Z -DX DY DZ
31 0 0 63 2 0
X Y Z DX DY DZ
28 23 0 56 2 0
X Y Z -DX DY DZ
27 52 0 54 2 0
X Y Z -DX DY DZ
27 81 0 54 2 0
X Y Z -DX DY DZ
61 -32 -32 125 #¡REF! #¡REF!
REFLECTOR
POSICIÓN VOLUMEN
Cálculo para antena yagi-uda
DRIVER
POSICIÓN VOLUMEN
DIRECTOR_1
POSICIÓN VOLUMEN
DIRECTOR_2
POSICIÓN VOLUMEN
AIRE
POSICIÓN VOLUMEN
Tabla 3. Cálculo de antena yagi-uda
POSICIÓN VOLUMEN
X Y Z DX DY DZ
REFLECTOR 31 0 0 63 2 0
DRIVER 28 23 0 56 2 0
DIRECTOR_1 27 52 0 54 2 0
DIRECTOR_2 27 81 0 54 2 0
AIRE 61 -32 -32 125 195 64
Tabla 4. Coordenadas para el diseño de la antena yagi-uda en HFSS

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Una vez obtenidos los cálculos, se procederá a realizar el diseño y simulación apoyándonos
del programa HFSS.
Fig. 1 ambiente en HFSS
Se trabajará en el plano “YZ” y se procederá a ingresar el reflector, driver, los 4 directores y
la frontera de radiación. (ver figura 2)
Fig. 2 diseño en HFSS de una antena yagi-uda

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Para diseñar el puerto, tenemos que pasar al plano “XY”, ya que tiene que ser paralelo a la
maya de otra forma, no se podría construir, esto es para “decirle a mi antena” de qué
forma la voy a polarizar.
Fig. 3 construcción del puerto
Posteriormente se asignarán las fronteras de radiación, obviamente considerando lo antes
mencionado sobre la distancia mínima de ʎ/4.
Fig. 4 Representación del cuerpo de radiación

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En nuestro puerto vamos a seleccionar “lumped port”, ya que es el elemento que puede
ponerse dentro de nuestra caja de radiación y declaramos nuestra línea de integración la
cual debe estar sobre un mismo plano, ya que de lo contrario marcaria un error en la
simulación.
Fig. 5 Declaración de la línea de integración.
Posteriormente se realiza un análisis a una frecuencia en este caso de 2.4 GHZ a un número
de pasos de 20 y un máximo delta de 0.002.
Una vez creado el “set up_1”, se agregará un barrido en frecuencia de 1 a 3 GHZ y se
graficará con el fin de encontrar el ancho de banda y su frecuencia de resonancia (ver fig.
6)
Fig. 6 Ancho de banda y frecuencia de resonancia

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Una vez acoplada la antena, se procede a declarar la esfera de radiación y graficarla.
Fig. 7 Esfera de radiación
Para poder apreciar un poco más la directividad, se graficarán los patrones de radiación
en 2 planos para observar la ganancia y la magnitud, las cuales son de:
Ganancia 9.9 dB
Magnitud del lóbulo posterior -6.96 dB
Fig. 8 Ganancia y magnitud del lóbulo posterior

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Hay que recordar que un factor muy importante al diseñar antenas directivas es que la
diferencia entre el lóbulo principal y el lóbulo posterior debe ser lo más grande posible para
que el desempeño sea mucho mejor.
CONCLUSIONES:
Para hacer un óptimo diseño de cualquier tipo de antena, es necesario tener bien asentadas
las bases, ya que un mal cálculo conlleva a pérdida de tiempo, mal aprovechamiento de
ancho de banda, mal direccionamiento e incluso pérdidas económicas.
HFSS es un excelente programa para entender y conocer un poco más a detalle el
comportamiento y el funcionamiento de cualquier tipo de diseño de antenas, además de su
patrón de radiación, entre muchas otras funciones.
BIBLIOGRAFIA:
1.-Q&A With Zoltan Cendes, Founder, Chairman, And CTO Of Ansoft Corporation, by Jim Pomager,
Editor in Chief, RF Global Net Archived 2007-10-27 at the Wayback Machine
2.-HP Acquires Optimization Systems Associates, Expands CAE Software Portfolio
3.-...In July 2001 Ansoft announced that it would purchase Agilent's HFSS product line...
4.-"Max's Chips and Dips: Cool News from Agilent EEsof". Archived from the original on 2008-06-
07. Retrieved 2008-02-14.