4. Antenas Planas Multibanda
1.3. Diseño de la antena multibanda FM y TDT
El quinto objetivo especifico planteado en este proyecto fue el desarrollo de una antena mul- tibanda que integra los servicios de FM y TDT. El desafio mas grande que presenta este proyecto es el diseño de una antena multibanda, siendo una de las bandas de ancho de banda ultra ancho como lo es la banda de TDT.
Figura 3.6: Dimensiones Antena de TDT
Figura 3.7: Antena de TDT sobre el modelo computacional simplificado del vehículo.
Como base para el diseño de esta antena se evaluaron una serie de posibilidades de antena multibanda, como se muestra en la Tabla 3.2. De ahí se decidió utilizar el monopolo meandro y la antena Bat Wing. Para poder diseñar apropiadamente dicha antena, es necesario enfocarse en ambas bandas al mismo tiempo, ya que al diseñar dos antenas por separado y unirlas, se generan efectos de acoplamiento mutuo y de afectación en la impedancia de la antena que complicarían el proceso. Es debido a esto que se tomó la decisión de implementar una antena de tipo monopolo miniaturizada junto con dos estructuras en arreglo con el fin de utilizar el monopolo para la banda de FM y los arreglos para la banda de TDT.
La antena anteriormente descrita se muestra en la Figura 3.8. Debido a que un monopolo que funcione en la banda de FM sería de un tamaño superiór al de la ventana, se opta por realizar
Antena Impedancia Ancho de banda Figura Antena Fractal [2] Bajo Bajo, Multibanda 2.9 Antena Bat Wing [8] Apropiada Ultra Ancho 2.10
Antena para FM [9] Apropiada Ancho 2.11 Antena Mesh Grid [10] Aceptable Ancho, Multibanda 2.12 Antena Monopolo Meandro [11] Apropiada Ultra Ancho 2.13 Antena Dipolo Meandro [13] Apropiada Apropiado 2.15 Antena Monopolo de doble banda [20] Apropiada Ultra ancho, Multibanda 2.23 Tabla 3.2: Antenas analizadas para como base para la implementación de la anena de TDT.
una estructura en la que se miniaturiza dicha antena. Así como en el caso de la antena para TDT, se utiliza para la miniaturización una estructura en forma de meandros, ya que esta estructura aprovecha de mejor manera el espacio y permite alcanzar un acople apropiado en la banda requerida. Los arreglos de antenas para la banda de TDT, son 4 antenas loop diseñadas para que la frecuencia de resonancia de cada una esté cerca de la otra y con eso se logra incrementar el ancho de banda.
Se realiza una optimización mediante una variación paramétrica de los parámetros mostrados en la Figura 3.8. Gracias a este diseño se alcanza el ancho de banda de TDT. El resultado de la variación paramétrica de la antena se muestra en la Figura 3.9. De ahí se selecciona la geometría que presenta las mejores características de acople. El arreglo de la izquierda genera una resonancia en la parte baja de la banda de TDT y el arreglo de la derecha una resonancia en la banda alta.
2. Viabilidad de la Implementación de una antena Multi-
banda para TDT, Radio FM y Radio AM
Una vez realizada la antena multibanda de FM y TDT, se procedió a analizar la viabilidad e integrar los servicios de radio AM dentro de la antena multibanda diseñada. El proceso de diseño utilizó técnicas de miniaturización para la banda de FM en la cual la longitud de onda es de ordenes de magnitud inferior a la de AM. Por esta razón se puede concluir que para alcanzar una antena de las especificaciones técnicas solicitas en este proyecto de un S11<- 10 en todo el ancho de banda entre 810kHz y 1450kHz. El metodo FEM (Finite Element Method) no es adecuado para ser utilizado en elementos electricamente pequeños.Por esta razón se considera que no es factible con los recursos existentes diseñar una antena que funcione en la banda de frecuencia requerida en conjunto con las otras dos bandas.
Figura 3.8: Antena multibanda de FM y DVB-T
Figura 3.9: Resultado del análisis paramétrico de la antena multibanda sobre el modelo del vidrio.|S11|[dB]
Capítulo 4
Resultados
1. Implementación
Con el fin de construir las antenas deseñadas, se utiliza tinta conductora la cual contiene li- madura de plata. El objetivo es generar las pistas sobre el vidrio, utilizándolo como sustrato. La tinta utilizada tiene una resistencia eléctricaR<0,02milΩ2. La conductividad de las pistas
realizadas con la tinta de plata se comprobó en DC mediante un multimetro digital. La re- sistencia total de la antena de TDT en DC fue deR=9,6Ω, y para la antena multibanda de
R=18Ω. Las antenas construidas se muestran en la Figura 4.1
Para la alimentación de estas antenas, se construyeron una línea en microcintas con un co- nector SMA de chasis. Estas líneas se conectan a las antenas y el plano de tierra se conecta al chasis del carro, el cuál funciona como plano de tierra de estas antenas. El conector SMA se conecta por medio de un cable deZ0=50Ωa el analizador vectorial de redes portatil ZVH8
de la marca Rohde & Schwarz. Con esto se comprueba el acople de las antenas.
El molde utilizado para imprimir las pistas de las antenas con la tinta conductora se realiza mediante un ploter de corte sobre papel adhesivo de vinilo. Este corte se pega en el vidrio y sirve como base para el trazado de las pistas con la tinta conductora. Este proceso se muestra en la Figura 4.2.
Una vez completada el proceso de impresión de las pistas de la antena sobre el vidrio se procede a interconectar la antena con la linea de MS que sirve de alimentación. Para este proceso se suelda una linea de cobre a la línea de MS y esta a su vez se suelda a la pista conductora generada en el vidrio. Adicionalmente en la antena de TDT, se realiza la conexión de la las quasi-mangas al plano conductor de la línea MS igualmente con soldadura de estaño. Con este proceso se culmina la construcción de las antenas en el vehículo. Este proceso se muestra en la Figura 4.3
(a) Antena de TDT (b) Antena Multibanda TDT-FM
Figura 4.1: Antenas construida en el vidro.
Figura 4.3: Conexión de la antena con la línea MS.
El resultado final se muestra en la Figura 4.4. Los paneles interiores del vehículo fueron remo- vidos con el fin de retirar las ventanas para que el proceso de construcción fuera simplificado.
(a) (b) (c)
La impresión de las pistas requería que el vidrio se ubicara en forma horizontal, para evitar que por gravedad la limadura de plata contenida en la tinta conductora por su mayor peso se concentrara en la parte inferior de la pista. De esta manera se asegura mayor uniformidad en la conductividad de las diferentes pistas de las antenas.
Figura 4.4: Antena de TDT sobre el Vehículo.
2. Plataforma de Medición
Con el fin de realizar las medidas en el vehículo de la mejor manera posible, se utilizo un espacio en el que se tenían mas de 3 metros a la redonda sin obstáculos. Este espacio se muestra en la Figura 4.5. De esta manera se reduce el impacto de diferentes estructuras en las antenas. Adicionalmente, y con el fin de que el modelo computacional fuera lo más cercano posible a la implementación real, se realizo la medición con todas las puertas del vehículo cerradas.
Ya que por el tamaño del vehículo, no era posible realizar pruebas indoor, para la medición del S11 de las antenas, se conectó el analizador vectorial de redes portátil ZVH8 de la marca Rohde & Schwarz. En la Figura 4.6, se muestra la plataforma de medición utilizada. En esta se conectan las antenas al analizador utilizando un cable de bajas perdidas. El analizador se calibro utilizando el kit de calibración para un puerto FSH-Z28 el cual permite calibrar el equipo entre DC y 8 GHz. La calibración se realizo satisfactoriamente tomando en cuenta la longitud del cable entre 100kHz y 1GHz. Este rango de frecuencias se escogió debido a que
Figura 4.5: Espacio para realizar la medición.
permite apreciar el comportamiento en impedancia de la antena en las diferentes bandas de interés ( AM, FM, TDT).
La plataforma de medición requerida para lograr una apropiada medición del patrón de radia- ción de las diferentes antenas del proyecto requeriría una cámara Anecoica de unas dimen- siones superiores a cualquiera de las cámaras anecoicas existentes en el país. Adicionalmente se requiere de un tornamesa dentro de la cámara Anecoica para rotar el vehículo y ver el comportamiento de la antena en todos los ángulos. Debido a esto no se realizaron medidas de patrón de radiación de la antena.
3. Antena de TDT
Utilizando la plataforma de medición anteriormente descrita, se procede a hacer la medición de la antena diseñada para la banda de TDT. La medición realizada sobre esta antena se muestra en la Figura 4.7. En esta figura se muestra la comparación del S11 de la antena simulada utilizando el modelo simplificado, el S11 de la antena simulada con el modelo sobre el vehículo y de la medición de la antena construida sobre el vidrio en el vehículo. La medición muestra una alta similitud con la antena simulada. El ancho de banda es superior en la medición que en la simulación, por lo que la antena puede ser utilizada en la aplicación requerida.