Antenas  YAGI  OWA

( Optimized Wideband Antenna : antena otimizada para banda larga )

 

Por PY4ZBZ   em 03-08-2006      rev.  29-10-2013

 

Obs.: As medidas dos radiadores são de PONTA a PONTA, não importando o espaço central !

 

Princípio da OWA.

OWA VHF de 4 elementos.

OWA VHF de 6 elementos.

OWA VHF de 8 elementos.

OWA UHF de 6 elementos (d=2,34mm) 

OWA UHF de 6 elementos (d=11mm) 

Antena Yagi OWA 6 elementos para 403 MHz

ZBZ46 para satélites d=9,5mm

ZBZ46BL : antena especial para satélites.

Antena para satélites 4 el. VHF e 6 el. UHF diam.=9,5 mm

OWA UHF 8 elementos (d=12,7mm)

OWA Diamond UHF A430S10 10 elementos

Antenas OWA para 20 e 10 metros, por NW3Z

 

Princípio da antena YAGI tipo OWA :

 

Geralmente, uma antena Yagi é projetada para apresentar o maior ganho possível, ou para ter uma boa relação frente/costas, etc... Mas assim, a impedância de irradiação fica muito menor que 50 ohms (para dipolo aberto), obrigando portanto o uso de algum transformador de impedância, como gamma match ou T-match, etc... E normalmente, uma Yagi com ganho otimizado apresenta uma banda passante relativamente estreita, não permitindo uma boa cobertura da banda toda (ROE alta nos limites).

A antena OWA é uma Yagi otimizada especificamente para apresentar uma banda passante mais larga possível, ou seja, para manter uma ROE baixa numa banda de freqüências mais larga possível. Ela foi criada por WA3FET graças ao uso de programas de simulação de antenas, e descrita por vários autores. (vejam o artigo: OWA.pdf de Cebik W4RNL).  As antenas descritas aqui são todas baseadas em projetos do Cebik. 

Essa banda larga é conseguida ao custo de uma ligeira redução de ganho, mas que é largamente compensada pelo fato de que a antena, apresentando diretamente uma impedância de irradiação de 50 ohms, não precisa de nenhum tipo de adaptador de impedância com gamma match, delta match, etc.. e que sempre introduzem uma certa perda e tornam o conjunto mais seletivo (menor banda passante). 

O elemento radiante da OWA é um simples dipolo aberto, o que facilita muito a sua construção. A principal característica construtiva da OWA é o fato do primeiro diretor ficar muito próximo do elemento radiador. É claro que a posição e tamanho dos demais elementos, principalmente o refletor, também são importantes no projeto da OWA. Outra vantagem da OWA é que não precisa de balun, que teoricamente seria necessário, mas cuja ausência não teve efeito nenhum no comportamento das diversas antenas que já montei e testei. Pode ser usado um balun feito com o próprio cabo, enrolando-o em algumas espiras, próximo ao ponto de conexão do dipolo, ou ainda o balun linear tipo bazooka, como descrito no handbook ARRL, que não introduzem perda.

Apresentarei a seguir alguns exemplos de OWA, calculadas com a ajuda do MMANA, e baseadas em projetos do W4RNL.

 

 

OWA VHF de 4 elementos:

Ganho = 8,7 dBi   (em espaço livre)

Comprimento total dos elementos em mm, feitos com tubo de alumínio, de 11 mm de diâmetro:

R=984      I=938     D1=840     D2=812   

Espaçamento dos elementos em mm, a partir do refletor R :

R=0     I=434     D1=735     D2=1208   

Resultados da simulação e otimização no MMANA (arquivo maa aqui), polarização vertical :

Esta antena é ideal como antena portátil para operação via satélite, combinada com a OWA de 6 elementos para UHF, descrita a seguir. Foto da antena montada por PY4BL :

 

 

 

OWA de 6 elementos VHF

Ganho 10,2 dBi  em espaço livre

   B isolante B=19mm B=25mm E-R
R 1036 1043 1048,2 0
I 1002 1008,6 1013,5 260
D1 940 945,9 950,2 368
D2 916 921,6 925,8 666
D3 916 921,6 925,8 958
D4 876 881,2 884,8 1392

A tabela acima mostra o comprimento dos elementos em milímetros, para boom isolante (ou elementos isolados do boom, ou em contato com o boom em um ponto central apenas), e para boom metálico de 19 e 25 mm de lado ou de diâmetro, com elementos atravessando o boom e em contato nos pontos de passagem. A ultima coluna (E-R) mostra o espaçamento de cada elemento em relação ao refletor R, em mm. Os elementos são barras de alumínio de 6 ou 6,3 mm de diâmetro.

As figuras seguintes, feitas com o MMANA, mostram respectivamente os diagramas de irradiação (para antena polarizada horizontalmente) e a sua ROE (SWR):

Foto da antena montada por Fabio PY4AJ:

 

 

OWA VHF de 8 elementos:

Ganho = 12,4 dBi   (em espaço livre)

Comprimento total dos elementos em mm, feitos com barra redonda de alumínio, de 6,3 mm de diâmetro:

R=1039    I=1004   D1=940   D2=923   D3=925   D4=920   D5=894   D6=843

Espaçamento dos elementos em mm, a partir do refletor R :

R=0   I=223   D1=342   D2=645   D3=1034   D4=1559   D5=2197   D6=2870

Resultados da simulação e otimização no MMANA (arquivo maa aqui), polarização vertical :

Esta ultima figura mostra também o resultado da medição da ROE da antena, feita com um wattímetro direcional Bird. A medição do ganho, feita com um atenuador de precisão da HP, resultou em 10 dB em relação a um dipolo na mesma altura e com o mesmo cabo, (10 dBd) o que confirma os 12,4 dBi calculados.

Efeito do boom sobre o comprimento dos elementos que o atravessam e que estão em contato elétrico nos pontos de passagem nas paredes do boom:

As medidas e a simulação acima consideram os elementos isolados do boom (ou boom isolante) (exceto a medida real da ROE). Mas, efetuando os cálculos publicados por Guy Fletcher VK2KU na QEX, concluímos que no caso desta antena, com boom de 25,4 mm e elementos de 6,3 mm, o refletor deveria ser aumentado em 12 mm. Os demais elementos sofrem um aumento que vai de 11mm a 8 mm, do radiador ao diretor 6.

 Mas, e considerando que:

- a OWA tem uma banda muito maior que os 4 MHz em VHF

 - a OWA apresenta uma típica e rápida subida da ROE no limite superior, 

- o efeito do boom é encurtar eletricamente os elementos (desloca a banda para cima), 

resolvemos não aplicar esta correção. Pois assim a curva da ROE da antena sobe um pouco em freqüência, deslocando esta subida da ROE para fora da faixa dos 2 metros, como ficou comprovado nas medidas efetuadas, e mostradas no gráfico seguinte. Mais um ponto a favor da OWA !:

 

A seguir algumas fotos de uma realização pratica desta antena, feita pelo nosso colega Vespasiano ZZ4VAS (o artista nas fotos). Esse projeto permite que a antena seja facilmente desmontada e dobrada, para operação portátil. A primeira mostra o ZZ4VAS desdobrando o boom, que é articulado com duas dobradiças. No chão estão os elementos e um suporte de madeira (para não interferir na antena) que será fixado no boom e encaixado no cano de metal usado para suportar a antena:

Do lado oposto as dobradiças, detalhe do sistema de travamento:

Detalhes do isolador e suporte do elemento radiante (dipolo aberto), com os bornes de fixação do cabo coaxial, antes e depois de fixado ao boom:

Detalhe da fixação dos elementos, que tem dois pequenos sulcos, separados pela largura do boom, no caso 26 mm, onde se encaixam as presilhas flexiveis de arame de aço, uma de cada lado do boom:

Agora só falta montar o ultimo diretor :

A antena pronta para fazer DX :

 

 

OWA de 6 elementos para UHF:

Ganho 10,2 dBi  em espaço livre.  Elementos de 2,34 mm de diâmetro.

Comprimento total dos elementos em mm, feitos com vareta de solda amarela, de 2,34 mm de diâmetro:

R=346     I=336     D1=316     D2=308     D3=308     D4=296   

Espaçamento dos elementos em mm, a partir do refletor R :

R=0     I=88     D1=125     D2=225     D3=323     D4=469   

Resultados da simulação e otimização no MMANA (arquivo maa aqui), polarização vertical :

Vejam foto da antena aqui

 

 

OWA de 6 elementos para UHF:

Ganho 11,6 dBi  em espaço livre.  Elementos de 11 mm de diâmetro.

Esta antena é um pouco maior que a anterior (boom de 88 cm em vez de 47 cm), mas tem também um ganho ligeiramente maior. Outra diferença é o diâmetro dos elementos: 11 mm.

Comprimento total dos elementos em mm, feitos com tubos de aluminio, de 11 mm de diâmetro:

R=332      I=313     D1=286     D2=280     D3=269     D4=249   

Espaçamento dos elementos em mm, a partir do refletor R :

R=0     I=173     D1=266     D2=429     D3=649     D4=880 

Resultados da simulação e otimização no MMANA (arquivo maa aqui), polarização vertical :

Na foto seguinte, pode ser vista a antena, montada no mesmo boom de uma OWA VHF de 4 elementos.

ZBZ46BL : antena especial para satélites:

Foto da antena ZBZ46BL, montada por Arnaldo PY4BL, que consiste de uma OWA UHF de 6 elementos e 11,6 dBi, montada no mesmo boom de uma OWA de 4 elementos VHF com 8,7 dBi, descritas anteriormente. Ambas são feitas com tubos de alumínio de 11 mm de diâmetro. A elevação foi fixada em 45 graus, azimute variável, e permitiu ótimos contatos via satélites:

Cada antena tem um cabo independente, e os dois são ligados a um diplexador, para utilização em equipamento V/U com apenas um conector. Caso o equipamento tenha conectores separados parar V e U, o diplexador não precisa ser usado.

Um detalhe  IMPORTANTE !  Em UHF, é preciso fazer conexões muito curtas, como mostra a foto seguinte:

 

Antena para satélites 4 el. VHF e 6 el. UHF diam.=9,5 mm

Ganho: 9,6 dBi em VHF e 11,3 dBi em UHF  com boom de 1 metro.

Esta é a minha mais recente antena para satélites (janeiro 2009). Ela é constituída de 2 antenas OWA montadas a 90 graus no mesmo boom quadrado de alumínio com 19 mm de lado. Os elementos são tubos de alumínio de 9,5 mm de diâmetro.

Detalhes das conexões diretas no cabo RGC 58 (evita perdas no conector), impermeabilizado com araldite:

Características da antena de VHF:

Características da antena de UHF:

Medidas:

Comprimento total dos elementos em mm,  tubo de alumínio de 9,5 mm de diâmetro, parte VHF:

R=996      I=969     D1=916     D2=897   

Espaçamento dos elementos em mm, a partir do refletor R :

R=0     I=229     D1=444     D2=944   

 

Comprimento total dos elementos em mm, tubos de alumínio de 9,5 mm de diâmetro, parte UHF:

R=336      I=317     D1=290     D2=284     D3=272     D4=252   

Espaçamento dos elementos em mm, a partir do refletor R :

R=0     I=175     D1=271     D2=435     D3=658     D4=892

 

Simplesmente por razões mecânicas, para que um elemento não cruze com outro no mesmo lugar (e como pode ser visto nas fotos anteriores), a antena de UHF tem o seu refletor 94 mm na frente do refletor da antena de VHF. Assim, os radiadores ficam separados de 40 mm (o de UHF na frente do de VHF), e os diretores da frente separados por 42 mm, sendo o de UHF (D4) na frente do de VHF (D2).

 

 Arquivos para o MMANA : antena VHF  e  antena UHF

 

OWA UHF de 8 elementos :

Ganho 13,1 dBi , elementos com 12,7 mm de diâmetro, boom de 1,40 metros, quadrado de 25 mm de lado. A esquerda na foto seguinte, o refletor R, seguido do radiador I (isolado) e da seqüência de diretores, D1 a D6, que como R, estão atravessando o boom, sem isolação.

As medidas da antena são as seguintes, apos um ajuste fino:

Comprimento total (ponta a ponta) dos elementos em mm, feitos com tubos de alumínio, de 12,7 mm de diâmetro:

R=344      I=310     D1=287     D2=277     D3=277     D4=267   D5=260   D6=253   

Espaçamento dos elementos em mm, a partir do refletor R :

R=0     I=165     D1=253     D2=412     D3=635     D4=865   D5=1111   D6=1357 

 

Detalhes do conector e isolador do radiador. Observe as conexões curtas e de baixa indutância (chapa e fita metálica). Há um espaço de 2,5mm do inicio de cada metade do radiador e o boom. Como o radiador tem 310mm de ponta a ponta, cada metade tem (310-25-2,5-2,5)/2=140mm de comprimento :

Essa realmente é banda larga ! ROE (SWR) abaixo de 1,1 de 428 a 445 MHz :

Diagramas de radiação, com a antena em polarização horizontal. Para polarização vertical, é só trocar os dois diagramas :

O arquivo para simulação no MMANA está aqui.

Nas fotos seguintes, estou instalando a antena na torre de telecomunicações do Gleuder PU4GSV (ou será da NASA ?), sob a supervisão dele e de sua mãe Dona Marlene :