Diseño de antenas activas interiores para la televisión digital en Cuba

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(1)Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “DISEÑO DE ANTENAS ACTIVAS INTERIORES PARA LA TELEVISIÓN DIGITAL EN CUBA” Autor: Yasmany García Galindo Tutor: Ing. Tuan E. Cordoví Rodríguez. Santa Clara 2015 "Año 57 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “DISEÑO DE ANTENAS ACTIVAS INTERIORES PARA LA TELEVISIÓN DIGITAL EN CUBA” Autor: Yasmany García Galindo e-mail: [email protected] Teléfono: 52564516 Tutor: Ing. Tuán E. Cordobi Rodríguez e-mail: [email protected] [email protected] Teléfono: 42-224367 Santa Clara 2015 "Año 57 de la revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Automática, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. Nunca consideres el estudio como una obligación, sino como una oportunidad para penetrar en el bello y maravilloso mundo del saber. Albert Einstein La inteligencia consiste no sólo en el conocimiento, sino también en la destreza de aplicar los conocimientos en la práctica. Aristóteles.

(5) ii. DEDICATORIA. Dedico el presente trabajo a mis padres, a quienes le debo todo lo que soy. A mi media naranja, quien compartió conmigo todos los momentos buenos y malos durante mis estudios en la Universidad. A mi hijo, que gran parte de mi esfuerzo y dedicación se lo debo a él..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. Primeramente a mis padres, por su preocupación en la supervisión de mis estudios. A mi mujer en especial, por su constante interés y apoyo. A mi hijo Raydán por impulsarme, aunque él no lo sepa, a cumplir mis metas. A mi hermano y a mis abuelas, en especial a Lucia que tanto se preocupó por mí durante mis estudios. A mis tías y a mi suegra. A mi tutor Tuán y al técnico Dayron por su apoyo desinteresado. Y a todos aquellos que de una forma u otra ayudaron con este trabajo y en mi formación profesional..

(7) iv. TAREA TÉCNICA. 1. Búsqueda bibliográfica y estudio de trabajos relacionados con el tema. 2. Análisis de los diseños realizados, basados en diferentes parámetros y criterios de diseño. 3. Obtención de los parámetros principales a partir del software empleado. 4. Construcción del diseño seleccionado. 5. Comprobación de los resultados teóricos con las mediciones prácticas.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. El presente trabajo está encaminado al diseño de antenas activas interiores para la TDT en Cuba, esto debido a los nuevos cambios tecnológicos en los que está inmersa la televisión en el país y al aceptado interés de la Empresa Antenas Villa Clara de participar en estas transformaciones. El empleo del elemento activo constituye algo novedoso ya que en el país no se había construido o diseñado anteriormente una antena así con fines de recepción de la señal televisiva y en este caso se emplearon amplificadores MMICs que facilitan el diseño y presentan mejores características que los conformados con transistores. Para dar cumplimiento al propósito marcado se analizaron varios documentos con los que se pudieran estudiar las características de las antenas para el posterior diseño con la ayuda del software CST.MicroWave.Studio 2014. Las mediciones con las antenas físicas ya conformadas mostraron resultados satisfactorios con el canal 32 que fue el monitoreado. Los niveles de potencia, ROE, las pérdidas por retorno, relación señal a ruido, MER y BER se mostraron dentro de los márgenes aceptados..

(9) vi TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1. 1.1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA................................................................. 4. Televisión Digital Terrestre (TDT) ......................................................................... 4. 1.1.1. Pincipales parámetros para medir la calidad de la TDT ................................... 5. 1.1.2. Compresión de señal ......................................................................................... 6. 1.1.3. Ventajas de la TDT ........................................................................................... 7. 1.1.4. Pricipales características de un canal de TDT .................................................. 8. 1.1.5. TDT en CUBA .................................................................................................. 8. 1.2. Antenas ..................................................................................................................... 9. 1.2.1. Concepto de antena ........................................................................................... 9. 1.2.2. Parámetros en la recepción ............................................................................. 10. 1.2.3. Patrón de radiación ......................................................................................... 10. 1.2.4. Directividad .................................................................................................... 11. 1.2.5. Ganancia ......................................................................................................... 12. 1.2.6. Ancho de haz (ángulo de -3db) ....................................................................... 12. 1.2.7. Relación Delante – Atrás (F/B) ...................................................................... 13. 1.2.8. Impedancia en el punto de alimentación ......................................................... 13.

(10) vii 1.2.9 1.3. Razón de Onda Estacionaria (ROE) ............................................................... 14. Antenas para la recepción de TDT ......................................................................... 15. 1.3.1. Antenas Exteriores .......................................................................................... 15. 1.3.2. Antena Yagi .................................................................................................... 16. 1.3.3. Antena Log-Periódica ..................................................................................... 16. 1.4.. Antenas interiores................................................................................................... 18. 1.4.1. Características de las Antenas Interiores en TDT ........................................... 18. 1.4.2. Antena de Lazo ............................................................................................... 19. 1.4.3. Antena Pajarita ................................................................................................ 20. 1.5.. Amplificadores de altas frecuencias....................................................................... 21. 1.5.1. Características de los Amplificadores ............................................................ 21. 1.5.2. Transistores de alta frecuencia ........................................................................ 22. 1.5.3. Circuitos Integrados Monolíticos de Microondas ........................................... 23. 1.5.4. Ventajas y desventajas de los MMIC ............................................................. 24. 1.6.. Conclusiones del capítulo ...................................................................................... 26. CAPÍTULO 2.. DISEÑO Y SIMULACIÓN .................................................................... 27. 2.1. Breve descripción del software .............................................................................. 27. 2.2. Diseño de la Antena de Lazo ................................................................................. 28. 2.2.1. Implementación en CST ................................................................................. 29. 2.2.2. Optimización y análisis del comportamieno de la Antena de Lazo ................ 31. 2.3. Diseño de la Antena Pajarita .................................................................................. 32. 2.3.1. Primera modificación del diseño .................................................................... 33. 2.3.2. Segunda modificación del diseño ................................................................... 35. 2.4. Amplificador MMIC a emplear ............................................................................. 37.

(11) viii 2.4.1. Diseño de la placa de circuito impreso ........................................................... 39. 2.5. Materiales empleados ............................................................................................. 42. 2.6. Conclusiones del capítulo ...................................................................................... 46. CAPÍTULO 3.. RESULTADOS Y ANÁLISIS ................................................................ 47. 3.1. Instrumentos de medición empleados .................................................................... 47. 3.2. Prototipo de Antena de Lazo .................................................................................. 49. 3.3. Prototipo de Antena Pajarita .................................................................................. 50. 3.4. ROE y Pérdidas por Retorno medidas ................................................................... 51. 3.5. Medición del Patrón de Radiación ......................................................................... 54. 3.6. Módulos Activos .................................................................................................... 55. 3.6.1. Mediciones de la respuestas de frecuencias .................................................... 55. 3.6.2. Mediciones en la Empresa Antenas Villa Clara ............................................. 57. 3.6.3. Mediciones en la Base Aérea Villa Clara ....................................................... 58. 3.7. Valoración Económica ........................................................................................... 59. 3.8. Conclusiones del capítulo ...................................................................................... 59. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 60 Conclusiones ..................................................................................................................... 60 Recomendaciones ............................................................................................................. 61 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 62 ANEXOS .............................................................................................................................. 64 Anexo I: Patrones de radiación en coordenadas polares- .............................................. 64 Anexo II.. Instrumentos de medición. .......................................................................... 65. Anexo III:. Circuitos Impresos. ..................................................................................... 67. Anexo IV:. Hoja de datos de los amplificadores MMIC. .............................................. 69.

(12) ix Anexo V:. Mediciones. ................................................................................................. 71. Anexo VI:. Mediciones de ganancia del amplificador. .................................................. 73. Anexo VII:. Mediciones de antenas pasivas y activas. ................................................ 76.

(13) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Durante las últimas décadas la humanidad ha desarrollado tecnologías enfocadas al mejoramiento de la transmisión de información mediante redes de telecomunicaciones y el aprovechamiento del espectro radioeléctrico para los servicios de telecomunicaciones, incluyendo la parte atribuida al servicio de televisión terrestre radiodifundida. En la actualidad se está viviendo la transformación global de este servicio en el que la TDT (Televisión Digital Terrestre) representa una revolución en la transmisión de programas junto a una gran flexibilidad en los contenidos emitidos siendo posible mezclar un número determinado de canales de video, audio y datos en una sola señal. Desde hace varios años en el país se ha ido evaluando la idea de iniciar la instalación de la tecnología para la radiodifusión digital, esto debido a que el mundo de hoy se encuentra completamente inmerso en una carrera tecnológica donde lo analógico ya va en desuso y lo digital va a la vanguardia. Ya hoy es un hecho y la televisión digital está inundando cada uno de los rincones del país. Pero televisión digital conlleva a un cambio de la tecnología analógica por la digital, por ejemplo, de los televisores analógicos por digitales; además hay que lograr la convergencia de servicios que se logra con la televisión digital. Por otra parte la TDT presenta problemas no favorables a la hora de la recepción ya que cualquier problema con la recepción la señal se dejaría de ver ya que, la señal se ve o no, por tanto esto hace que se necesiten antenas capaces de alcanzar los requisitos necesarios para una correcta recepción lo que nos lleva a la búsqueda o perfeccionamiento de diseños que cumplan con los requisitos de recepción de televisión digital en el país..

(14) INTRODUCCIÓN. 2. La Empresa Antena de Villa Clara es una institución que juega en papel fundamental en los cambios científicos-tecnológicos en los que se encuentra inmerso el país con respecto a la TDT y se encamina a desarrollar nuevos modelos de antenas que satisfagan las necesidades imperantes en estos momentos. Las antenas activas interiores son los diseños de mercado más sencillos en la actualidad, que incorporan un elemento activo el cual es necesario para garantizar la recepción en lugares distantes del transmisor, este elemento pudiera ser una de las complicaciones del trabajo ya que no son fáciles de conseguir y se necesita importarlo. Estas antenas son muy cómodas para su instalación dentro de los hogares; por lo que la razón principal del proyecto es probar un nuevo diseño de antena que tiene la tarea de sustituir las clásicas antenas exteriores como las Yagi, las cuales quedan estéticamente desagradables en los edificios y los hogares. Además se pretende desarrollar un modelo de fácil y económica fabricación que pueda competir con las importaciones extranjeras y cumpla con los requisitos de recepción del país. Para ello en el presente trabajo se plantea como objetivo general diseñar antenas activas interiores para la recepción de la televisión digital en Cuba y para esto se pretende analizar los principales modelos de antenas activas interiores y así diseñar varios modelos. Además simular los modelos seleccionados con la ayuda del software CST MicroWave.Studio 2014, para el análisis de los principales parámetros, así como realizar el diseño físico de las antenas, para su análisis real en el campo, de forma tal que nos permita corroborar y comparar los resultados obtenidos mediante la simulación. Además analizar las principales propuestas de amplificadores de RF para la confección del módulo activo. Para dar cumplimiento a los objetivos propuestos para este trabajo se plantearon una serie de tareas prácticas y de investigación entre las que se proponen como primero realizar un análisis sobre los fundamentos teóricos de las antenas para la televisión digital, principalmente de las interiores que presentan elementos activos. Segundo realizar un estudio sobre las características más ventajosas de los modelos de antenas seleccionados así como definir una herramienta de simulación que permita evaluar las características de diseño. Y por último comparar los resultados obtenidos durante las simulaciones con las mediciones reales de los modelos físicos..

(15) INTRODUCCIÓN. 3. El trabajo se ha conformado por tres capítulos en los cuales se abordan las siguientes temáticas: Capítulo 1: Se enfoca en el análisis y estudio bibliográfico de las antenas empleadas para la televisión digital y en sus principales parámetros así como, en los fundamentos teóricos y prácticos de la TDT y sus características en el país. Capítulo 2: Se realiza el diseño de los modelos escogidos, la simulación de los mismos y el análisis de los resultados de la simulación así como, se diseñará el amplificador que se utilizará. Capítulo 3: Se establecen comparaciones entre las simulaciones y los resultados obtenidos de las mediciones reales. El trabajo también contará de conclusiones donde se establecerá un análisis crítico de los resultados obtenidos en correspondencia con los objetivos trazados. También presentará recomendaciones que tomarán en consideración aquellos aspectos que puedan enriquecer y perfeccionar el estudio realizado en futuras investigaciones. Además presentará recomendaciones bibliográficas en las que se conformará un listado de la bibliografía consultada siguiendo las normas establecidas. Los anexos incluirán aquellos aspectos del trabajo que, por su longitud o complejidad, no se incluyen en el texto de la tesis pero que auxilian a una mejor comprensión de lo que se expone en ella..

(16) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. CAPÍTULO 1.. 4. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. En el capítulo se exponen las principales características de la Televisión Digital y se realizara énfasis en las propias del país. Se analizan los principales parámetros de las antenas y se caracterizan las antenas interiores activas. Por otra parte se analizan los amplificadores de RF con transistores BJT y los amplificadores con tecnología MMIC. 1.1. Televisión Digital Terrestre (TDT). En la televisión analógica, los parámetros de la imagen del sonido se representan por las magnitudes analógicas de una señal eléctrica, en donde el transporte de esta señal analógica hasta los hogares ocupa muchos recursos. En la televisión digital estos parámetros analógicos se representan mediante señales digitales en código binario, es decir usando los dígitos ¨1¨ y ¨0¨. El Proceso de digitalización de una señal lo realiza el conversor análogo/digital, el cual se encarga de comprimir la señal, almacenarla y transportarla con un mínimo de recursos sin degradar la calidad del video ni del audio. Los canales radioeléctricos de la televisión digital ocupan el mismo ancho de banda (6 MHz) que los canales utilizados por la televisión analógica pero, debido a las técnicas de compresión de las señales de imagen y sonido (MPEG), tienen capacidad para un número variable de programas de televisión en función de la velocidad de transmisión, pudiendo oscilar entre un único programa de televisión de alta definición ¨HDTV¨ (gran calidad de imagen y sonido) a cuatro programas con calidad técnica similar a la actual ¨SDTV¨(Guerrero and Ramos, 2009). La emisión de TV-Digital logra emitir entre 4 y 6 señales de definición estándar, o dos señales en alta definición, ocupando el mismo espacio radioeléctrico que una señal.

(17) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 5. analógica. Estas señales comparten prácticamente toda la infraestructura de la cadena de transmisión con lo cual se logran importantes ahorros de costo y de consumo de energía. Buena parte de las transformaciones centrales que en los últimos lustros atraviesa el medio televisivo tienen que ver con la digitalización y compresión de la transmisión de señales. En contraste con la televisión tradicional, que emite de manera analógica, la televisión digital codifica sus señales en forma binaria, permitiendo una gestión más eficiente del servicio con la posibilidad de brindar más y mejores opciones añadidas(Albornoz and Leiva, 2012). La televisión digital ha acabado por identificarse con la reconversión de las redes de distribución de programación a pesar de contar con una historia de más de medio siglo sobre sus espaldas. Los tradicionales sistemas de televisión hertziana o terrestre en abierto, edificados a escala nacional a lo largo de la segunda parte del siglo pasado, son los que en los últimos años están siendo reformulados a partir de complejos procesos de digitalización con importantes y diversas implicaciones de tipo económico y tecnológico-industrial, pero también sociocultural. 1.1.1 Pincipales parámetros para medir la calidad de la TDT Los principales parámetros para medir la calidad de la televisión digital terrestre son los siguientes(Miñana, 2011):. . Nivel de señal: Es la señal de TDT que se recibe en la toma de la. vivienda o local, la cual procede de la antena a través de un cable coaxial, se mide en dBµVo en dBm. El valor recomendable oscila entre 45 y 70 dBµV.. . El BER (Bit Error Ratio): Es el parámetro fundamental que nos. determina la calidad de la señal demodulada (trama de transporte) de los sistemas de televisión digital terrestre (se mide después del descodificador del Reed Solomon). Cuantifica el número de errores de bit de una trama sea cual fuere el origen del error (falta de nivel de señal, C/N pobre, distorsiones, etc.). Por lo tanto, midiendo tan solo este parámetro y manteniéndolo por debajo de los límites de decodificación correcta, se asegura la calidad de la señal recibida. Dependiendo de cuántos bits.

(18) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 6. erróneos lleguen, la señal se hará más o menos decodificable. Al ser el BER quien cuantifica los bits erróneos que están llegando al receptor, si esa cantidad de bits transformados sobrepasa una determinada cantidad, el receptor será incapaz de corregirlos. El valor mínimo que puede tomar el BER es de 1* 10−11. . MER (Modulation Error Ratio): define un factor que nos informa de la. exactitud de una constelación digital. Esta es una herramienta cuantitativa que permite valorar cómo es de buena una señal modulada digital. Se puede expresar tanto en dB como en tanto por ciento. Valores menores a 30 dB son deseables para moduladores digitales comerciales, cuando más elevado sea el valor del MER significa que se pueden interpretar mejor los símbolos recibidos por el demodulador y por consiguiente la interferencia entre símbolos (IES) será menor. Este parámetro también se puede llamar C/N o diagrama de constelaciones. 1.1.2 Compresión de señal El audio y video se pueden comprimir digitalmente, lo cual permite una mayor cantidad de señales por un mismo canal. El estándar de compresión más usado es MPEG-2, el cual es un esquema híbrido de codificación inter-trama e intra-trama, combina la codificación predictiva con la codificación de transformada discreta de coseno DCT. La DCT es un algoritmo matemático (conversión del dominio del tiempo hacia el dominio de la frecuencia), que es aplicado a un bloque de 8x8 elementos de imagen, dentro de un cuadro. La DCT elimina redundancia en la imagen a través de la compresión de la información contenida en 64 pixeles. Posee un cuantizador que otorga los bits para los coeficientes DCT más importantes, los cuales son transmitidos. Con el MPEG-2 se genera velocidades de pixel de 5 a 10 Mbits/s. También se está empezando a usar el MPEG-4 el cual es un algoritmo de compresión de videos y gráficas, basado en la tecnología MPEG-1, MPEG-2 y Apple Quick Time. Sus usos principales son como flujos de medios audiovisuales, el vídeo en cd, las videoconferencias, las videollamadas y la emisión de televisión. Los archivos MPEG-4 pueden transmitir video e imágenes con menos ancho de banda que JPEG, pueden mezclar video con texto, gráficas, y capas de animación 2D y 3D. Con el uso de MPEG-4 se puede.

(19) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 7. duplicar la eficiencia del MPEG-2, por lo que uno de los usos del MPEG-4 es en la televisión digital HD (High Definition). En general, una señal estándar (270Mbps) sin compresión necesitaría 80 MHz para ser transmitida: equivalente a más de 13 Canales de 6 MHz. En cambio, una señal de Alta Definición (1,500 Mbps) sin compresión necesitaría 420 MHz para ser transmitida: equivalente a 70 Canales de 6 MHz(Gálves, 2012). 1.1.3 Ventajas de la TDT Suele señalarse que la televisión digital terrestre (en adelante, TDT) presenta una serie de ventajas tales como:. •. La potencial multiplicación de señales hertzianas de televisión.. •. Un mejor aprovechamiento del espectro radioeléctrico.. •. Una mayor robustez y calidad de la señal.. •. La posibilidad de un consumo asincrónico a través del almacenado. de programas en discos duros de decodificadores. •. La ocasión de ofertar un conjunto de servicios –algunos de éstos. interactivos– que pueden estar relacionados o no a la programación televisiva(Albornoz and Leiva, 2012). •. Más canales, a diferencia de la televisión analógica, dónde cada. frecuencia o canal corresponde a un único programa, la TDT permite la difusión de como mínimo 4 programas por frecuencia. •. Más calidad de video y sonido.. •. Posibilidad de diferentes formatos de sonido y video como por. ejemplo sonido en sistema Dolby 5.1 o video en formato panorámico 16:9. •. No hay interferencias ni problemas de recepción de imagen, como. por ejemplo imagen doble o con nieve. •. Acceso a aplicaciones interactivas gracias a la tecnología MHP que. permite acceder por ejemplo servicios como previsión del tiempo, concursos o encuestas durante los programas(Quiroz, 2012)..

(20) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 8. 1.1.4 Pricipales características de un canal de TDT Imagen, sonido y datos por un mismo canal se unen a la interactividad y al aumento de canales. Este nuevo canal presenta unas características propias: • Gran cantidad de canales, tanto televisivos como radiofónicos. • Posibilidad de emisión en formato panorámico. • Posibilidad de emisión en Alta Definición. • Posibilidad de emisión de aplicaciones informáticas junto con la emisión de TV. • Gracias a las técnicas de difusión de contenidos utilizadas en la TDT, se puede producir la presencia simultánea de muchos usuarios interactuando con la misma aplicación (como ya sucede, por ejemplo, con las webs o aplicaciones de Internet). • Por contrapartida, las posibilidades de interacción se ven limitadas al depender de una electrónica de consumo de penetración por el momento limitada: el decodificador (STB) que debe implementar el estándar MHP (Multimedia Home Platform). • Los mecanismos para que el usuario pueda interactuar con las aplicaciones TDT no están maduros pero están evolucionando y mejorando (por ejemplo con la utilización del eDNI como tarjeta de comprobación de identidad). 1.1.5 TDT en CUBA Al igual que en televisión analógica, en la difusión de televisión digital terrestre los proveedores de servicios deben planificar las zonas de coberturas de acuerdo a un nivel de intensidad de campo mínimo necesario, aunque a diferencia de la televisión analógica, este no solo depende de la banda de frecuencia seleccionada, sino también de otros factores. En el país la empresa Radiocuba es la encargada de brindar el soporte técnico de los servicios de difusión detelevisión y radio, por este motivo es de vital importancia conocer todos los factores que influyen en el valor de intensidad de campo antes mencionado para la TDT(Rodríguez, 2013)..

(21) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 9. En Cuba se ha decidido recientemente la adopción del estándar de televisión digital chino DTMB en su versión de 6MHz, el cual posee más de cien modos de configuración de transmisión, cada modo puede variar en los siguientes parámetros: • Razón de código (FEC): 0.4, 0.6 ó 0.8. • Constelación de símbolos: 4QAM-NR, 4QAM, 16QAM, 32QAM ó 64QAM. • Profundidad del Entrelazado Temporal: 240 ó 720 símbolos. • Longitud de la cabecera: PN420, PN595 ó PN945. • Cantidad de portadoras: C = 3780 ó C = 1. Existe un compromiso entre el modo a utilizar y la carga útil de información que puede ser transmitida, como es de esperar, un fortalecimiento de la señal representa una disminución de esta carga útil. En el país en correspondencia con la programación que se quiere brindar en la primera etapa, se ha seleccionado elsiguiente modo de transmisión: • Razón de código (FEC): 0.6. • Constelación de símbolos: 64QAM. • Profundidad del Entrelazado Temporal: 720 símbolos. • Longitud de la cabecera: PN420. • Cantidad de portadoras: C = 3780. Este modo de transmisión permite una tasa binaria máxima de 18.2 Mb/s(Alonso and Alonso, 2013). 1.2. Antenas. Son múltiples las antenas que se encuentran hoy en el mercado para fines de recepción de la televisión digital, las mismas en su mayoría cumplen con estos propósitos y sin dudas presentan características relevantes que las diferencian de otras. 1.2.1. Concepto de antena. La definición formal de una antena es un dispositivo que sirve para transmitir y recibir ondas de radio. Convierte la onda guiada por la línea de transmisión (el cable o guía de onda) en ondas electromagnéticas que se pueden transmitir por el espacio libre..

(22) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 10. En realidad una antena es un trozo de material conductor al cual se le aplica una señal y esta es radiada por el espacio libre. Las antenas deben de dotar a la onda radiada con un aspecto de dirección. Es decir, deben acentuar un solo aspecto de dirección y anular o mermar los demás. Esto es necesario ya que solo nos interesa radiar hacia una dirección determinada. Las antenas también deben dotar a la onda radiada de una polarización. La polarización de una onda es la figura geométrica descrita, al transcurrir el tiempo, por el extremo del vector del campo eléctrico en un punto fijo del espacio en el plano perpendicular a la dirección de propagación. Para todas las ondas, esa figura es normalmente una elipse, pero hay dos casos particulares de interés y son cuando la figura trazada es un segmento, denominándose linealmente polarizada, y cuando la figura trazada es un círculo, denominándose circularmente polarizada(Miñana, 2011). 1.2.2. Parámetros en la recepción. Una antena capta de una onda incidente sobre ella parte de la potencia que transporta y la transfiere al receptor. La antena actúa como un sensor e interacciona con la onda y con el receptor, dando origen a una familia de parámetros asociados con la conexión circuital a éste y a otra vinculada a la interacción electromagnética con la onda incidente(Aznar et al., 2002). Los parámetros de las antenas, tanto en recepción como en transmisión, se puede decir que son similares por lo que se analizaran algunos de interés para la investigación. 1.2.3. Patrón de radiación. El patrón de radiación no es más que un diagrama o gráfica polar que representa intensidades de campo o densidades de potencia en diversas posiciones angulares en relación con una antena. Si la gráfica de radiación se traza en términos de intensidad del campo eléctrico o de densidad de potencia, se llama gráfica de radiación absoluta (es decir, distancia variable y potencia fija).Si se grafica la intensidad de campo o densidad de potencia con respecto al valor en algún punto de referencia, se llama gráfica de radiación relativa (es decir, potencia variable, distancia fija)(Núñez, 2012). Por tanto se puede definir como la representación gráfica de las características de radiación en función de la dirección angular. La onda electromagnética radiada se compone.

(23) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 11. de un campo eléctrico E (V/M) y uno magnético H (A/m) los cuales son perpendiculares entre sí y a su vez son perpendiculares a la dirección de propagación que es radial, desde la fuente hacia el infinito. En las figuras 1.1 y 1.2 se muestran algunos diagramas de radiación típicos(Miñana, 2011).. Fig.1.1. Diagramas de radiación en 3D o polares.. Fig.1.2. Diagramas típicos de radiación.. 1.2.4. Directividad. Se define como la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección, a una distancia, y la densidad de potencia que radiaría a la misma distancia una antena isotrópica, a igualdad de potencia total radiada como se muestra en la figura 1.3.. Si no se especifica ninguna dirección angular, se sobreentiende que la directividad se refiere a la dirección de máxima radiación. Una antena isotrópica tiene directividad igual a 1 (D=1)(Miñana, 2011)..

(24) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 12. Fig.1.3. Directividad.. 1.2.5. Ganancia. Es la facultad de una antena de concentrar la potencia radiada hacia una dirección dada, o inversamente absorber de manera efectiva la potencia incidente en ella desde tal dirección(Jordan and Balmain, 1978, Hernández, 2011).Es la capacidad de la antena en transformar la energía electromagnética interceptada en voltajes y corrientes sobre la línea de transmisión o impedancia de carga. La Ganancia de una antena se expresa en dB como la relación de la potencia máxima obtenible y la potencia de una antena de referencia que suele ser la isotrópica (se dan como dBi) o en relación a un dipolo de media onda (dBd). Cuando mayor es la ganancia menor es el ángulo solido de captación de señal o sea que la antena es más direccional. Es importante que la antena se apunte precisamente a la fuente de señal(Mártony, 2014). 1.2.6. Ancho de haz (ángulo de -3db). Es la separación angular de las direcciones en las que el diagrama de radiación de potencia toma el valor mitad del máximo. En el diagrama de campo es la excursión angular entre las direcciones en las que el valor del campo ha caído a 0,707 el valor del máximo..

(25) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 1.2.7. 13. Relación Delante – Atrás (F/B). Es la relación entre la ganancia de la antena (Fig. 1.4) en la dirección de máxima radiación y la ganancia de la antena en cualquier otra dirección comprendida entre 90 º y 270º de la dirección de máxima radiación(Miñana, 2011).. Fig.1.4. Relación Delante-Atrás.. 1.2.8. Impedancia en el punto de alimentación. Al referirse a la impedancia de la antena suele entenderse por tal a la que puede medirse en sus terminales, es decir, en el punto de alimentación o de conexión a la línea de transmisión. Es importante conocer con precisión la impedancia si se desea transferir la máxima potencia del amplificador de salida del transmisor a la antena, o bien extraer de ésta la máxima potencia de una onda incidente cuando se usa como receptora. Excepto para las antenas más simples, el procedimiento analítico para calcular la impedancia suele resultar sumamente complejo y laborioso y, en la práctica, los valores de impedancia obtenidos analíticamente para antenas relativamente simples, se utilizan como referencia en el diseño. En la práctica, el valor deseado de impedancia se obtiene mediante un procedimiento de prueba y error, midiendo la impedancia y ajustando las dimensiones de la antena hasta obtener el valor más cercano posible al deseado..

(26) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 14. En realidad, la impedancia del punto de alimentación, aún de las antenas más simples, varía considerablemente con la presencia de otros objetos conductores cercanos y se dice, en tal caso que la antena se acopla con dichos objetos. Por otra parte se puede definir como la relación entre la tensión y la corriente en sus terminales de entrada. Dicha impedancia es en general compleja. La parte real se denomina resistencia de antena y la parte imaginaria, reactancia de antena. En TV, se trabaja con impedancias de 75 Ω. Si la impedancia no presenta parte reactiva a una frecuencia se dice que es una antena resonante. Se define la resistencia de radiación (Rr) como la relación entre la potencia total radiada por una antena y el valor eficaz de la corriente en sus terminales de entrada, elevada al cuadrado. Se refine la resistencia óhmica (RΩ) de una antena como la relación entre la potencia disipada por efecto de pérdidas resistivas y la corriente en sus terminales al cuadrado. Por lo tanto la resistencia de antena (Ra) se puede considerar como la suma de la resistencia de radiación y la resistencia óhmica(Miñana, 2011). En la figura 1.5 se muestra un esquema con la ecuación de la impedancia.. Fig.1.5. Ecuación de Impedancia.. 1.2.9. Razón de Onda Estacionaria (ROE). La razón de onda estacionaria es una característica de la antena que indica el grado de adaptación de la antena con el resto del medio. Mientras mayor sea el grado de adaptación, menor potencia será reflejada y, por lo tanto mayor cantidad de ésta será irradiada por la antena al espacio libre. Un valor de ROE igual a uno implica que la antena está.

(27) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 15. completamente adaptada y un 100% de la potencia está siendo transmitida. Esto ocurre en un caso ideal. En la práctica, un buen nivel de adaptación se logra con un ROE igual a 2, que equivale a que un 90% de la potencia transmitida está siendo irradiada por la antena. Por lo tanto se debe tener un valor para la ROE menor o igual a 2 para considerar a las antenas con un buen nivel de adaptación. 1.3. Antenas para la recepción de TDT. Para este propósito existen tanto antenas interiores como exteriores. Para recibir señales de TV digitales de todas las cadenas, es importante que la antena pueda recibir canales VHF (canales del 7 al 13 en el país) y UHF (canales del 14 al 51). Algunas antenas sólo proporcionan buena recepción de canales VHF o UHF, pero no de ambos. Por ejemplo, la recepción de las “orejas de conejo” de interiores por lo general necesita ampliarse con una antena de “bucle” o “pajarita” para poder recibir señales de canales UHF(Commission, 2009). Una. antena. de. TV. digital. debe. cumplir. básicamente. las. siguientes. características(Miñana, 2011): - Tener una buena captación de la señal, sobre todo en zonas de señal débil. - Evitar la captación de señales reflejadas en edificios, montañas u otros obstáculos causantes de las dobles imágenes o imágenes fantasma. - Evitar también reflexiones de señal en el propio sistema - Ser afectada por el mínimo posible de interferencias. - Ser adecuada para el mayor número de canales posible. 1.3.1. Antenas Exteriores. Son las antenas que típicamente que se colocan en la fachada de los edificios o en la cubierta. Las antenas que se suelen utilizar son las Yagi (Fig.6) para UHF, aunque se debe prestar atención a su comportamiento para las frecuencias altas de UHF, donde se ubican.

(28) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 16. los canales digitales, aunque poco a poco esto irá cambiando cuando la banda de 790 a 862 MHz quede libre. Aquí se describen varias de estas antenas partiendo de las más sencillas: 1.3.2. Antena Yagi. Esta antena es utilizada para la recepción de señales de televisión desde los inicios de la misma, se puede decir que es la antena clásica en la recepción de las señales televisivas. La misma está constituida por varios elementos paralelos y coplanarios que suelen ser dipolos. Estos dipolos pueden actuar como elemento activo, directores o reflectores. Los elementos directores dirigen el campo eléctrico, los activos radian el campo y los reflectores lo reflejan. Los elementos no activos se denominan parásitos, la antena Yagi puede tener varios elementos activos y varios parásitos. Su ganancia está dada por: G = 10 log n (Donde n es el número de elementos por considerar). Para obtener una antena Yagi (Fig. 1.6) de banda ancha es necesario hacer ajustes en las distancia entre los elementos para obtener, junto con el ancho de banda deseado, la ganancia óptima(Miñana, 2011).. Fig.1.6. Antena Yagi. 1.3.3. Antena Log-Periódica. Este tipo de antena es otro modelo clásico de antena muy utilizado en el ámbito televisivo. Las mismas son una clase de antenas independientes de la frecuencia, y surgieron del trabajo inicial de V. H. Rumsey, J. D. Dyson, R. H. DuHamel y D. E. Isbell en Ia Universidad de Illinois, en 1957. La ventaja principal de estas antenas es su independencia de resistencia de radiación y de la distribución de la radiación, respecto a la frecuencia. Las.

(29) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 17. antenas log-periódicas (Fig. 1.7) tienen relaciones de ancho de banda de 10:1 o mayores. La relación de ancho de banda es el cociente de la frecuencia máxima entre la mínima de operación satisfactoria de una antena. Se usa la relación de ancho de banda con más frecuencia que la mención del porcentaje del ancho de banda entre la frecuencia central. Las antenas log periódicas no sólo son un tipo, sino más bien una clase de antenas porque tienen muchos tipos distintos, algunos de los cuales son bastante extraños. Las antenas logperiódicas pueden ser unidireccionales o bidireccionales, y tener una ganancia directiva de baja a moderada. También se pueden alcanzar altas ganancias usándolas como elementos de una red más complicada. La estructura física de una antena log-periódica es repetitiva, y eso causa un comportamiento repetitivo de sus características eléctricas. En otras palabras, el diseño de una antena log-periódica consiste en una figura geométrica básica que se repite, pero con distintos tamaños. Un conjunto básico log-periódico de dipolos es quizá lo que más se acerca un período logarítmico a una antena convencional. Esto consiste en varios dipolos de distintas longitud y distancia, que se alimentan de una sola fuente en el extremo pequeño. La línea de transmisión está en zigzag entre los puntos de alimentación de pares adyacentes de dipolos. La distribución de la radiación para una antena log-periódica básica tiene la radiación máxima alejándose del extremo pequeño. Las longitudes de los dipolos y su distancia se relacionan en tal forma que los elementos adyacentes tienen una relación constante entre sí(Tomasi, 2003).. Fig. 1.7. Antena Log-Periódica..

(30) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 1.4.. 18. Antenas interiores. En zonas de señales fuertes se puede utilizar una antena dentro del recinto donde se encuentra el televisor. En VHF se utilizan dos varillas telescópicas movibles cuya longitud se ajusta según la banda, extendida para los canales bajos y más cortas para los altos. En zonas de señales fuertes las antenas más empleadas son los dipolos en forma de V con varillas telescópicas para el caso de VHF y antenas de lazo para UHF. Como se reciben múltiples reflexiones de la señal la calidad recibida de las transmisiones analógicas es muy pobre y debe ajustarse cada cambio de canal. El diagrama de radiación es direccional y similar al dipolo de media onda. Las antenas lazos presentan características de impedancia de aproximadamente 200Ω o 300Ω(Mártony, 2014). La recepción de la señal en interiores sufre fuertes distorsiones por multitrayecto, debido a reflexiones de paredes internas, así. como de estructura externa, incluso el. movimiento del cuerpo humano puede alterar significativamente la distorsión de la señal en interiores, causando ecos y variaciones en la intensidad del campo. 1.4.1. Características de las Antenas Interiores en TDT. Aquí se muestran las características más básicas de las antenas interiores en TDT:. . Son capaces de captar tanto la banda VHF (170MHz a 230MHz) como la. UHF (470 a 872MHz) . Suelen tener una Ganancia de 2 a 3 dB las pasivas, cuando se le. incorporan elementos activos pueden variar de 20 a 30 dB. . Generalmente necesitan un decodificador de TDT. . Son omnidireccionales, ya que suelen ser simples dipolos lo que no. permite encarar directamente la antena a un repetidor y por este motivo no son tan eficaces. . Para que sean eficientes conviene que estén cerca del transmisor, de lo. contrario se le incorporaría un elemento activo.  Son económicas ya que no requieren de muchos elementos. En las figura 1.8se muestran varios ejemplos de antenas interiores..

(31) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. DVB-T9021A. DVB-T829A. WS-328. A218-002. 19. AVR-AV686. QA-705F. Fig. 1.8.Antenas interiores y Amplificadores para VHF y UHF importadas. 1.4.2. Antena de Lazo. Son muchos los modelos de antenas que desde tiempos de antaño han servido como un fin al propósito de transmitir y recibir datos, sonidos e imágenes. Un ejemplo de estos modelos de antenas, que presentan características de ser simples, baratas y versátiles lo conforman las antenas de lazo. Este tipo de antenas toman formas diferentes como un rectángulo, cuadrado, triángulo, elipse, círculo y muchas otras configuraciones. Por la simplicidad en análisis y construcción, el lazo circular es lo más popular y ha recibido la atención más amplia. Se ha mostrado que un lazo pequeño (el circular o el cuadrado) equivale a un dipolo magnético infinitesimal cuyo eje es perpendicular al plano del lazo. Es decir, los campos radiados por un lazo (circular o cuadrado) eléctrico pequeño son matemáticamente de la misma forma que los radiados por un dipolo magnético infinitesimal..

(32) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 20. Las antenas redondas se subdividen usualmente en dos categorías, eléctricamente pequeños y eléctricamente grande. Eléctricamente las antenas pequeñas son esas cuya eslora total (la circunferencia) es usualmente menor que la décima parte de la longitud de onda(C<λ/10). Sin embargo, los lazos eléctricamente grandes son esos cuya circunferencia está acerca de una longitud de onda en espacios libres(C∼λ).La mayor parte de las aplicaciones de antenas redondas se agrupan en las altas frecuencias (HF de 3 a 30 MHz), en frecuencias muy altas (VHF 30 a 300 MHz) y UHF (300 a 3000 MHz). Pero las pruebas hechas en el campo, demuestran que dichas antenas encuentran aplicaciones en rangos de frecuencias de microondas. Este tipo de antena es mala para la radiación ya que presentan baja ganancia y son rara vez empleadas para la transmisión en la radiocomunicación. Cuando son usadas en cualquier aplicación, se le encuentra usualmente en el modo receptor, como en radios portátiles y localizadores, donde la eficiencia de la antena no es tan importante como la relación señal a ruido. Son también utilizadas como sondas para medidas del campo y como antenas direccionales para la navegación de ondas radioeléctricas. El patrón del campo de las antenas eléctricamente pequeñas de cualquier forma (cuadrado, circular, elíptico, rectangular, etcétera.) es similar al de uno dipolo infinitesimal con una perpendicular nula para el plano del lazo y con su máximo a lo largo del plano del lazo. Como la eslora total del lazo aumenta y su circunferencia aborda una longitud de onda de espacios libres, el máximo del patrón cambia de posición en el plano del lazo para el eje del mismo que es perpendicular a su plano. La resistencia de la radiación del lazo puede ser aumentada, y puede hacerse comparable a la impedancia característica de las líneas de. transmisión práctica,. aumentando (eléctricamente) su perímetro y / o el número de vueltas(Balanis, 2005). 1.4.3. Antena Pajarita. La Antena Pajarita nos es más que una aproximación geométrica de la antena bicónica, cuyo diseño pretende mantener, tanto como sea posible, las características eléctricas de la antena de referencia. El ángulo del dipolo presenta valores entre los 300 y 900 , el cual es de suma importancia a la hora de determinar la impedancia de la antena, lo cual hay que tener en cuenta para lograr una buena adaptación de impedancia para reducir al mínimo las.

(33) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 21. pérdidas por reflexión en la línea de transmisión (Balanis, 2005). Este dipolo tiene una ganancia positiva porque él no irradia igualmente en todas direcciones. El ancho de banda se incrementa cubriendo toda la banda UHF. Consiste en dos triángulos que pueden ser confeccionados con láminas metálicas. Por otro lado las hojas del dipolo mariposa pueden ser dobladas a 90° o a un ángulo menor en dependencia de la frecuencia llegando hasta 45°, a saber disminuir el ángulo, en dependencia de que aumente la frecuencia, o mantenerse planas(Chavés, 2010). 1.5.. Amplificadores de altas frecuencias. Los amplificadores de estado sólido para altas frecuencias son utilizados para aplicaciones de media y baja potencia. Los circuitos como los bulbos son empleados en la parte final de la etapa de salida de los transistores de potencia. Las características, el comportamiento, el desempeñó y la construcción son diferentes para cada tipo de amplificadores, de entre los cuales se pueden mencionar a los BJT (Bipolar Juction Transistor) y a los FET (Field Effect Transistor) entre otros. Se ha comprobado que los transistores a frecuencias altas, se describen de una manera más acertada si estos están caracterizados por parámetros S(Jiménez, 2001). 1.5.1 En. general,. Características de los Amplificadores los. amplificadores. presentan. características. que. describen. su. funcionamiento y limitaciones en una banda de frecuencia. Las características de los amplificadores pueden ser descritas en función de múltiples parámetros y dependiendo de la aplicación a la que esté enfocado. Las características de los amplificadores de bajo ruido (LNA) se mencionan a continuación(Jiménez, 2001). . Ganancia, que está definida por la potencia de salida y de entrada del. sistema. 𝐺= . 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑖𝑛. Figura de ruido, que define la relación señal a ruido del amplificador..

(34) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. . 22. Eficiencia, la cual está definida por:. 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 =. 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑑𝑐𝑖𝑛 + 𝑃𝑖𝑛. Donde 𝑃𝑑𝑐𝑖𝑛 es la potencia del amplificador en dc. . Ancho de banda, definido por: 𝐵𝑊 = 𝑓𝐻 − 𝑓𝐿. Donde: 𝑓𝐻 es el límite en frecuencia más alto de operación. 𝑓𝐿 es el límite en frecuencia más bajo de operación. 1.5.2. Transistores de alta frecuencia. Los transistores Bipolares son ampliamente utilizados en el espectro de las radio frecuencias (RF). Actualmente, con las innovaciones en los transistores de efecto de campo y las mejoras en frecuencia de los BJT, ambos transistores pueden ser utilizados para aplicaciones, tanto de baja potencia y alta frecuencia como alta potencia y baja frecuencia. Las razones por las cuales es más utilizado el BJT son básicamente por su bajo costo de fabricación. Existen muchos tipos de BJT construidos para aplicaciones específicas y de propósito general, transistores de para bajas y altas frecuencias. Para las aplicaciones de altas frecuencias existen transistores de propósito general y transistores con funciones y características específicas, así como transistores de banda angosta y de banda ancha. Además de las características de las bandas de operación del transistor, otra importante consiste en la inmunidad al ruido que presenten. Los transistores de bajo ruido por su construcción no incrementan el ruido en el sistema en el que operan, aunado a esto su figura de ruido puede ser mejorada con una adecuada red de acoplamiento. Los transistores bipolares tienen tres terminales, debido a esto, se puede aplicar señal a una de estas terminales y tomar otra como salida, dejando la tercera terminal común o a tierra, lo cual permite tres posibles configuraciones(Jiménez, 2001):.

(35) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. . 23. Amplificador Base Común (ABC). La señal de entrada se aplica al emisor, la señal de salida se toma del colector y la base se conecta a tierra. . Amplificador Emisor Común (AEC). La señal de entrada se aplica a la base, la señal de salida se toma del colector y el emisor se conecta a tierra. . Amplificador Colector Común (ACC). La señal de entrada se aplica a la base, la señal de salida se toma del emisor y el colector se conecta a tierra. 1.5.3. Circuitos Integrados Monolíticos de Microondas. El circuito integrado monolítico de microondas (MMIC) es un tipo de dispositivo del circuito integrado (IC) en el cual todos los elementos activos y pasivos del circuito son fabricados en el mismo sustrato de semiconductor, como arseniuro de galio (GaAs). Otros materiales que pueden ser utilizados como sustratos son alúmina, ferrita y berilio. Los sustratos ideales tienen constante dieléctrica alta, pureza alta y constante espesor, factor bajo de disipación o pérdida contigua y alta conductividad térmica. El dispositivo funciona en el alcance de frecuencia de microondas de 300 MHz para 300 GHz. El MMIC es un dispositivo cuyo circuito equivalente se puede ver en la figura 1.9. Se caracteriza por un gran ancho de banda, que en algunos tipos puede llegar hasta 8 GHz o superior y una ganancia muy constante a lo largo de todo el margen de frecuencias. A esto se añade una gran estabilidad y una circuitería muy sencilla, pues basta una resistencia y dos condensadores para su funcionamiento.. Fig. 1.9. Circuito equivalente MMIC..

(36) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 24. En las figuras 1.10 se puede ver el encapsulado de estos dispositivos, que tienen un tamaño muy pequeño, aproximadamente dos milímetros de diámetro, en este caso se muestra el MAR-3. El terminal de entrada está identificado por un punto de color o blanco, según el fabricante. Este terminal está cortado de forma inclinada para una mejor identificación. El terminal de salida es el opuesto al de entrada y los otros dos terminales se conectan a tierra.. Fig. 1.10. Encapsulado. En otros tipos, por ejemplo de la serie MAV, el terminal marcado con un punto de color es el terminal de salida y el tamaño de la cápsula es mayor, unos cuatro milímetros(Pérez, 2012). 1.5.4. Ventajas y desventajas de los MMIC. Posiblemente la principal ventaja de los MMIC (Microwave Monolithic Integrated Circuits) para soluciones discretas sea que con esta tecnología se consigue una figura de ruido menor. Otra gran ventaja es la combinación de funciones multicircuitales sin necesidad de interconexión cableada, lo que permite la producción de líneas microcinta compactas. Además las ventajas de MMIC’s incluyen costo bajo de producción, tamaño pequeño y peso ligero, fiabilidad, función de reproducibilidad buena, de banda ancha y capacidad de producción en masa. En la tecnología MMIC, tanto los componentes activos como los pasivos son creados en el propio sustrato, con lo que reduce en gran medida el tamaño del circuito y los problemas que tenía la tecnología MIC o híbrida..

(37) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 25. Sin embargo, estas soluciones discretas tienen también sus propias desventajas, especialmente en las aplicaciones portátiles modernas con circuitería compactada y períodos de implantación en el mercado muy cortos. Otra desventaja es que una vez creado el circuito es muy poco ajustable, la mayoría de sus características de funcionamiento no son modificables, por lo que el proceso de diseño ha de ser muy exhaustivo y requiere modelos precisos de física y química para elementos activos y pasivos. Dicho proceso requiere de programas software que permitan sintetizar, analizar y perfilar circuitos lineales y no lineales. Es por eso que muchos fabricantes poseen “bibliotecas” con modelos existentes, que permiten al diseñador de MMIC saber la actuación esperada por parte de un dispositivo sin tener que caracterizarlo experimentalmente. Se podrían resumir los beneficios y mejoras de la figura de ruido con las siguientes especificaciones típicas de este tipo de circuitos integrados: . Mayor linealidad y bajo ruido.. . La integración del circuito de corriente, el cual simplifica el diseño de la. red de acoplamiento. . Realimentación interna, la cual facilita la adaptación de impedancias a lo. largo de un ancho de banda mayor. . Estabilidad incondicional a lo largo de un mayor rango de frecuencias. . El modo de ganancia FET requiere solo una toma positiva.. Todos estos beneficios se traducen en un circuito compacto con un ciclo de diseño menor si se compara con su aproximación discreta, lo cual los hace más apropiados para soluciones portátiles con limitaciones de espacio. Las características de los sistemas que operan en las bandas de RF y Microondas pueden ser optimizadas mediante la integración de componentes en MMIC. Es corriente usar componentes que no pertenezcan a esta familia pero a costa de aumentar la complejidad y el coste del diseño. El uso de componentes MMIC es un medio rápido y.

(38) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 26. efectivo en coste. Sin embargo cuando se trata de diseñar MMIC’s a medida hay que tener en cuenta que su coste y tiempo de desarrollo son importantes por lo que solo en casos de grandes series o en aplicaciones especiales como en espacio, es aconsejable. Mediante el uso de soluciones MMIC a medida se pueden mejorar las características del sistema, así como la funcionalidad y fiabilidad. Además se reduce el número de componentes, el tamaño del circuito, peso y consumo de potencia, así como los tiempos de ensamblado(Pérez, 2012). 1.6.. Conclusiones del capítulo. En el presente capítulo quedaron expuestos los principales parámetros y características de la TDT en cuanto a la calidad y compresión de la señal así como sus principales ventajas. Además se definieron los principales parámetros de las antenas, principalmente las características de las antenas interiores. Por otra parte se eligieron dos modelos típicos de antenas interiores como propuestas de diseño..

(39) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. 27. CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. En este capítulo se realiza el diseño de dos propuestas de antenas interiores. Se realizará la simulación por software de las mismas para el análisis de los parámetros característicos de las mismas como son: la Razón de Onda Estacionaria (ROE), Ganancia, Patrón de Radiación, entre otros. También se realiza el diseño de amplificadores con tecnología MMIC que presentan características favorables en la recepción de la televisión digital. 2.1. Breve descripción del software. El software que se empleará será el CST MICROWAVE Studio 2014. Dicho software es un paquete totalmente destacado para el análisis y diseño electromagnético en el rango alto de la banda de frecuencia. El mismo simplifica el proceso de insertar la estructura que se desea simular, siendo esto posible a través de la utilización de un poderoso y sólido modelado frente-final el cual está basado en el núcleo ACIS de modelado. Un fondo de gráficos fuertes simplifica la definición del dispositivo aún más. Después que el componente es modelado un procedimiento de enramado totalmente automático (basado en sistema experto) se aplica antes de que el mecanismo de simulación comience. El simulador plasma la Aproximación Perfecta de Contorno, PBA en inglés, y su extensión de la técnica de hoja delgada (Thin Sheet Technique en inglés), la cual aumenta la precisión de la simulación en un orden de magnitud comparable con los simuladores convencionales. Como ningún método funciona igualmente bien para todos los dominios de aplicación, el software contiene cuatro técnicas diferentes de simulación: Solucionador transiente, Solucionador de dominio de frecuencia, Solucionador de Modo Propio (Eigen mode en inglés), Solucionador de análisis modal, lo cual cubre mejor sus aplicaciones particulares..

(40) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. 28. Además se suman otras características que hace de este software, una potente, cómoda y muy versátil herramienta para todo aquel vinculado al diseño de dispositivos de alta frecuencia o simplemente para todo aquel interesado en el conocimiento de dispositivos como es el caso de las antenas(Viera, 2007). 2.2. Diseño de la Antena de Lazo. Para el diseño de la antena loop o Antena de Lazo primeramente se debía definir las dimensiones características de la antena como son el radio (a) del lazo y del material empleado (b). Eléctricamente en los lazos grandes se puede asumir el criterio de que la circunferencia del lazo (𝐶𝑙 ) es aproximadamente igual a la longitud de onda (𝜆) por tanto, se define 𝐶𝑙 como(Ávila et al., 2013): 𝐶𝑙 = 2𝜋𝑎 ≃ 𝜆 Dónde para definir 𝜆 se trabajará con la frecuencia central o frecuencia de trabajo 𝑓0 . 𝑓0 =. 𝑓0 =. 𝑓𝑚á𝑥 + 𝑓𝑚𝑖𝑛 2. 704 + 470 = 587 𝑀𝐻𝑧 2. Por tanto: 𝜆=. 𝐶 300 = = 0.511 𝑚 𝑓0 587. 𝐶𝑙 = 2𝜋𝑎 = 0.511 𝑚 Luego el radio del lazo queda definido por: 𝑎=. 0.511 = 0.0813 𝑚 ≃ 81.3 𝑚𝑚 2𝜋. El radio del material empleado se definió de 4 mm aproximadamente ya que se piensa emplear alambre de cobre para el diseño..

(41) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. 29. 2.2.1 Implementación en CST Al estar definidos las dimensiones fundamentales de la antena se realiza el diseño en CST y se establece la alimentación de la antena empleando un puerto discreto de 300 Ω, ya que dicho valor es característico para este tipo de antenas así como, la disposición del lazo a lo largo del eje x que proporciona polarización horizontal, luego se procede a la simulación del diseño. La figura 2.1 muestra la implementación en dicho software.. Fig. 2.1.Antena loop con radio a = 81,3mm. Con las dimensiones descritas anteriormente, la frecuencia de resonancia cae en 625 MHz, la cual se encuentra alejada de la frecuencia de central (587 MHz) dentro del ancho de banda de trabajo requerido (470 – 704 MHz). También se puede observar en la figura 2.2 que el ancho de banda, para una ROE por debajo de 2, de esta antena es considerablemente inferior que el deseado ya que se consigue una pérdida por retorno por debajo de los -10 dB para un ancho de banda de 117 MHz es decir sólo un 50 % del ancho de banda esperado. A continuación se muestra el ancho de banda obtenido para la simulación y el ancho de banda con el que se quiere trabajar y el obtenido..

(42) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. 30. 𝐵𝑊𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 = 704 − 470 = 234 𝑀𝐻𝑧 𝐵𝑊𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑜 = 686.31 − 564.41 = 121.9 𝑀𝐻𝑧. Fig. 2.2.Pérdidas por retorno. En la figura 2.3 se muestra el comportamiento de la ROE para el rango de frecuencia, se hace evidente que queda completamente desplazada de la frecuencia central y los valores no son los óptimos para el correcto desempeño de la antena.. Fig. 2.3. ROE. Los resultados obtenidos durante la simulación evidencian que es necesario pasar a la optimización del modelo para corregir los valores de ancho de banda y de ROE..

(43) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. 31. 2.2.2 Optimización y análisis del comportamieno de la Antena de Lazo Al proceder con la optimización de prototipo diseñado se obtuvo un valor del radio del lazo de 97 mm aproximadamente. La frecuencia de resonancia para este caso se acercó más a la frecuencia de trabajo para un valor aproximado de 565 MHz pero el ancho de banda disminuyó considerablemente ya que para valores inferiores a los -10 dB se alcanza solo un ancho de banda de 52 MHz aproximadamente (Fig. 2.4). Este valor es producto a que la antena loop o de lazo presenta como característica una Q (relación entre la fc y el BW) alta con relación a otros tipos de antenas.. Fig. 2.4. Pérdidas por retorno. La ROE si mejoró su comportamiento alcanzándose valores por debajo de 2 para el centro de banda donde se encuentra el canal 32. La figura 2.5 muestra los resultados.. Fig. 2.5. ROE..

(44) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. 32. En la figura 2.6 se muestra el patrón de radiación en el centro de banda así como la ganancia (3.89 dBi) de la antena que se presenta dentro de los valores característicos de las antenas de lazo.. Fig. 2.6- Patrón de radiación en 3D. En el Anexo I se presenta el patrón de radiación en coordenadas polares de la Antena de Lazo. 2.3. Diseño de la Antena Pajarita. Para llegar al diseño de la Antena Pajarita se ha demostrado en la práctica que en el dipolo el ángulo del triángulo es primordial a la hora de determinar la impedancia de la antena, lo cual hay que tener en cuenta para lograr una buena adaptación de impedancia y así reducir al mínimo las pérdidas por reflexión en la línea de transmisión (ROE), para este modelo se empleó un ángulo de 900 como prueba inicial y se mantuvo durante todo el modelado. El espacio de aire del punto de alimentación es otro criterio a tener en cuenta, ese espacio de aire no debe ser mayor que λ/10, el cual varía el comportamiento de ROE y la impedancia del punto de alimentación, buscando así un buen acople de impedancia con la línea. Actualmente no existe un procedimiento exacto para diseñar la Antena Pajarita solo algunos métodos que giran en torno a la longitud de onda (𝜆) donde se le dan valores a.

(45) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. 33. la longitud del dipolo y se simula hasta alcanzar los valores de los parámetros en análisis. En la figura 2.7 se muestra el modelo implementado(Chavés, 2010).. Fig. 2.7.Antena Pajarita. Luego de la simulación en CST se pudo obtener como resultado de la ROE un valor que se corresponde con lo esperado ya que el mismo se encuentra por debajo de 2 como se puede apreciar en la figura 2.8 y como se ha demostrado es una cifra adecuada para la recepción.. Fig. 2.8. ROE. 2.3.1. Primera modificación del diseño. Los resultados alcanzados luego de la simulación llegaron a ser bastante aceptables dentro de los márgenes establecidos por la práctica pero, no se cumplía con los propósitos.

(46) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. 34. que se habían establecidos para el diseño en cuanto a los valores de ROE. Lo que llevó a un cambio en el modelo por lo que usando las opciones del software se procedió a curvear las puntas de los dipolos a través de la herramienta ¨Blendedges¨ con lo que se logró el siguiente modelo (Fig. 2.9), así como mejores resultados que los anteriores.. Fig. 2.9. Primera modificación. Fig. 2.10. ROE. Como se puede apreciar se corrobora lo anteriormente dicho, los valores de ROE disminuyeron para un mejor comportamiento, figura 2.10..

(47) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. 2.3.2. 35. Segunda modificación del diseño. En la búsqueda de seguir optimizando el diseño para lograr mejores registros de ROE y ganancia se acogieron criterios de diseños como el empleo del dipolo doblado, este dipolo es más económico y la obtención de los materiales necesarios es más fácil, por otro lado nos da fiabilidad en la predicción de su comportamiento, presenta relativamente alta impedancia, pero su limitación fundamental es que es cortado para una sola frecuencia, sin embargo con el dipolo pajarita se aumenta el ancho de banda lográndose un mejor comportamiento de las características de impedancia y directivas para todo el rango de frecuencia(Chavés, 2010). Por lo que se tomó un valor de 900 luego de algunas pruebas para el ángulo de inclinación ya que se demostró que a medida que aumentaba el ángulo de inclinación disminuía la ganancia. A continuación se muestra la antena diseñada (Fig. 2.11) y los resultados de ROE (Fig. 2.12), patrón de radiación en 3D (Fig. 2.14) y de pérdidas por retorno (Fig. 2.13) las que no se habían mencionado anteriormente porque no existieron cambios significativos en las anteriores simulaciones y el ancho de banda abarcó todo el rango de frecuencias (470 MHz – 704 MHz).. Fig. 2.11.Segunda modificación..