A punto: la antena Yagi

Si miraste hacia arriba mientras conducías por una calle suburbana en los EE. UU. en cualquier momento durante los años 60 o 70, sin duda habrás notado un bosque de antenas de televisión. Cuando la televisión por aire era la única opción, la gente hacía todo lo posible para captar señales, con antenas a veces de proporciones enormes volando sobre los tejados.

Las antenas exteriores prácticamente desaparecieron durante el último tercio del siglo XX cuando los proveedores de cable se volvieron dominantes, descartados como reliquias antiestéticas de una era triste y pasada de opciones limitadas y mala recepción. Pero ahora los tacaños cortadores de cables como el suyo están empezando a hacer crecer ese bosque que alguna vez fue espeso, esta vez colocando antenas para recibir programación digital por aire. Muchas de las nuevas antenas hacen afirmaciones escandalosas sobre el rendimiento o promocionan que están diseñadas específicamente para HDTV. Por supuesto, todo esto es una tontería de marketing, porque entonces, como ahora, casi todas las antenas de televisión son simplemente alguna forma del diseño clásico de Yagi. La física de esta antena es fascinante, al igual que la historia de cómo se inventó la antena.

Lo que se conocería como la antena Yagi comenzó a principios de la década de 1920 en el laboratorio del profesor Shintaro Uda en la Universidad Imperial de Tohoku en Sendai, Japón. El Dr. Uda trabajaba en la banda VHF y buscaba formas de hacer que las antenas fueran más direccionales. Mientras experimentaba con una antena de bucle resonante, descubrió que colocar un bucle estático cerca de la antena tendía a alejar la señal de un patrón omnidireccional, casi como si el bucle actuara como un reflector.

Junto con su colega Hidetsugu Yagi, Uda experimentó con diferentes configuraciones. Finalmente reemplazaron la antena de cuadro con un dipolo simple y agregaron elementos adicionales, a los que llamaron directores, en un largo brazo para darle más forma al haz. Utilizando ocho directores en un brazo de madera de 15 metros montado en el techo de su laboratorio, Uda y Yagi pudieron comunicarse a una distancia de 135 km a 68 MHz, una tarea nada fácil en ese momento.

Habiendo denominado su invento “antena direccional de proyector de ondas”, era inevitable que la antena llevara el nombre de alguien. Cómo llegó a atribuirse únicamente al Dr. Yagi es una historia de traición por parte de Yagi con un toque de ingenuidad por parte de Uda. El Dr. Uda publicó los primeros artículos en japonés sobre la antena, pero por razones desconocidas, el Dr. Yagi solicitó patentes japonesas y estadounidenses para la antena sin mencionar a Uda. La patente japonesa fue asignada a la Marconi Company en Inglaterra, mientras que la patente estadounidense fue a RCA. Sin mencionar a Uda, y con el Dr. Yagi recorriendo el mundo de habla inglesa para discutir "su" antena en varias conferencias de ingeniería de radio, la antena gradualmente se convirtió simplemente en la "antena Yagi" o el "conjunto Yagi".

Irónicamente, gracias a las rivalidades entre servicios y a la mentalidad de silo en el Japón imperial, fue sólo la captura de un radar británico durante la Batalla de Singapur en 1942 lo que introdujo el invento local al ejército japonés. Los oficiales de inteligencia japoneses ni siquiera consideraron que "Yagi" fuera un nombre japonés; supusieron que era simplemente una palabra clave inventada por los británicos.

Las principales características de la antena Yagi-Uda son su alta direccionalidad y su alta ganancia. Dado que la longitud de cada elemento debe estar cerca de una fracción de la longitud de onda de la señal, es más práctico para las frecuencias más altas, principalmente por encima de 30 MHz. Sin embargo, eso no quiere decir que no pueda usarse para longitudes de onda más largas: muchos radioaficionados trabajan las bandas de 20 my 40 m a través de un Yagi grande.

Como en el diseño original del Dr. Uda, un Yagi consta de un único elemento impulsado paralelo y coplanar con al menos dos elementos parásitos. Un diseño mínimo es un elemento reflector único ubicado "detrás" del elemento impulsado (en relación con la dirección de la señal de radio) y un elemento director único frente al elemento impulsado. Es probable que una antena práctica tenga múltiples directores, cuantos más haya, más estricta será la direccionalidad y mayor la ganancia, al menos hasta cierto punto.

Esto le da al Yagi su aspecto característico: un brazo horizontal con múltiples elementos dispuestos perpendicularmente. Por supuesto, existen algunas variaciones: algunos Yagis tienen múltiples reflectores o tienen una disposición de reflectores en esquina. Y algunas antenas, en particular las de televisión, tienen los elementos parásitos barridos hacia atrás en ángulo en lugar de perpendiculares al brazo. Además, los elementos pueden disponerse horizontal o verticalmente, dependiendo de la polarización deseada.

Para comprender el diseño del Yagi, recordemos que una vieja antena dipolo en el espacio libre tiene un patrón de radiación que es el lado más fuerte de la antena. Esto da como resultado dos grandes lóbulos en la parte delantera y trasera de la antena, con poca señal en los extremos. El elemento impulsado de un Yagi es simplemente un dipolo de media onda o, a veces, un dipolo plegado para aumentar la impedancia. Los elementos parásitos dan forma y dirigen el haz mediante interferencias constructivas y destructivas.

Como descubrió el Dr. Uda, los elementos parásitos pueden acoplarse de forma inductiva o capacitiva al elemento impulsado. Los elementos inductivos son ligeramente más largos que los de media onda, mientras que los elementos capacitivos son ligeramente más cortos. Todos los directores son más cortos que la media onda y, por lo tanto, están acoplados capacitivamente, mientras que el reflector es más largo y está acoplado inductivamente. La diferencia con la media onda ideal es pequeña: normalmente sólo del 10% al 15%.

Tanto el reflector como los directores funcionan reirradiando energía desde el elemento impulsado. La separación de los elementos parásitos con respecto al elemento conducido determina la fase de la señal rerradiada. El reflector, al ser inductivamente reactivo, vuelve a irradiar energía desfasada 180° con respecto al elemento accionado. El espaciado se establece de manera que esto cause interferencia destructiva en la parte posterior de la antena, mientras que al mismo tiempo esté casi en fase con la señal transmitida desde el frente de la antena. Esto da como resultado una interferencia constructiva, aumentando la potencia del frente. De manera similar, los directores acoplados capacitivamente están espaciados de modo que irradian energía más o menos en fase hacia adelante, mientras que irradian fuera de fase hacia atrás.

El resultado es una señal muy amplificada hacia los directores y casi ninguna detrás del reflector. Y recordemos que la teoría de las antenas afirma que cualquier antena que transmita también puede recibir, y con las mismas características. No importa si el elemento accionado en un Yagi es accionado por un transmisor de potencia de 100 vatios conectado a la línea de alimentación o por unos pocos microvatios captados desde una torre de televisión distante. La direccionalidad y la ganancia serán las mismas. Y los Yagis pueden tener una ganancia notable: hasta 20 dBm cuando se diseñan correctamente.

Por muy útil que sea la antena Yagi, está lejos de ser perfecta. Debido al tamaño crítico y al espaciado de los elementos parásitos, los Yagis tienen un ancho de banda relativamente estrecho. Además, la direccionalidad de la antena puede ser un inconveniente, ya que requiere que la antena se gire para apuntar más o menos exactamente al transmisor o al receptor.

Pero si necesita captar una única señal distante, esa direccionalidad es justo lo que necesita. La Yagi es una antena de caballo de batalla y, dado el impacto que ha tenido, probablemente sea correcto y bueno que muchos se hayan referido a ella como la antena Yagi-Uda.