Diseño de antenas directivas para comunicaciones Trunking

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(1)Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Diseño de antenas directivas para. comunicaciones Trunking” Autor: Sergio Javier Sánchez Domínguez Tutor: MSc. Mario A. González Cartas. Santa Clara 2016 "Año 58 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 directivas para. comunicaciones Trunking” Autor: Sergio Javier Sánchez Domínguez e-mail: ssdominguez@uclv.cu Tutor: MSc. Mario Alberto González Cartas e-mail: mgcartas@uclv.edu.cu. Consultante: Ing. Tuan E. Cordoví Rodríguez e-mail: tuan@antenasvc.co.cu Santa Clara 2016 "Año 58 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 Telecomunicaciones y Electrónica, 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) PENSAMIENTO. La satisfacción de ver y entender es el más grande don de la naturaleza. Albert Einstein.

(5) DEDICATORIA. A la memoria de mi tío Alexei Sánchez Rodríguez que donde este, estará orgulloso de verme hecho un profesional. A mi abuela por ser la mejor abuela y madre del mundo. A mi papá que quizás nunca se lo haya dicho, pero es la persona que más admiro..

(6) AGRADECIMIENTOS. Le agradezco a mi papá por darme ejemplo de superación, humildad y sacrificio, por brindarme su apoyo moral y económico para seguir estudiando y lograr el objetivo trazado para un futuro mejor. Espero contar siempre con su incondicional apoyo. A mi mamá y mi hermana que, a pesar de la distancia en el transcurso de la universidad, siempre las tuve presente en todo momento. A mis abuelos Ernesto, Yolanda y Caridad, por poder contar con ellos siempre y por ayudarme a ser un mejor ser humano. A Emilia Argelia por siempre confiar en mi capacidad intelectual y a su forma me enseñó que con un poco más de esfuerzo las cosas me van a salir mejor. Por querer mucho a mi papá. A Ernestico por querer ser como su primo. Al angelito de la familia (Elizabeth Alejandra), por ser una niña tan linda y que dios la guie por un camino bueno y de provecho. A mi profesor de Historia del IPVCE (Ferguson), por la confianza que me trasmitió en aquel mensaje que me mandó con mi papá, dándome aliento, en un momento donde decidir era lo más importante. A mis amigos de la Universidad y de la vida: Carlos, Dairon, Marlon, Yesenia, Cano, Roly, Gustavo. A todos ellos gracias por brindarme su apoyo en momentos difíciles, animarme y aconsejarme. A mi tío Deinis y mis primos Arelys y Albito. Al Ingeniero Tuan E Cordovi por ser de gran ayuda en la elaboración de mi tesis. A mi tutor Mario Alberto González Cartas. A todos Muchísimas Gracias.

(7) iv. TAREA TÉCNICA. 1. Búsqueda bibliográfica relacionada con el tema. 2. Diseño teórico de las antenas directivas para las bandas de 380-430 MHz y 800-870 MHz a partir del software MMANA-GAL. 3. Análisis de los diseños realizados, basados en los criterios comerciales para los diferentes parámetros de antenas. 4. Construcción de la antena diseñada. 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 directivas, en este caso antenas Uda - Yagi, para el sistema Trunking en Cuba en las bandas de 380-430 MHz y 800-870 MHz. La necesidad de este tipo de antenas se debe a los nuevos cambios tecnológicos que se espera ocurran en la infraestructura de telecomunicaciones del país y al aceptado interés de la Empresa Antenas Villa Clara de participar en estas transformaciones. Para dar cumplimiento al propósito marcado se analizaron varios documentos con los que se pudieran estudiar las particularidades de los sistemas Trunking, tanto en su evolución tecnológica, los tipos de antena que emplea y su implementación en el país. Una vez definido como modelo las antenas Uda - Yagi se pasó al diseño con la ayuda del software MMANA-GAL. Concluido este paso y creado un prototipo real, las mediciones resultaron satisfactorias en las bandas definidas. Los niveles de potencia, ROE y las pérdidas por retorno 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.. Descripción de los sistemas Trunking. ...................................................... 5. 1.1 Sistemas Trunking ........................................................................................................ 5 1.2 Arquitectura de una red Trunking ................................................................................ 7 1.3 Bandas de frecuencias .................................................................................................. 8 1.4 Principales estándares analógicos y digitales ............................................................... 8 1.4.1. MPT 1327 ......................................................................................................... 9. 1.4.2. TETRA............................................................................................................ 10. 1.4.3. P25 .................................................................................................................. 11. 1.4.4. DMR ............................................................................................................... 12. 1.5 Ventajas de los sistemas Trunking ............................................................................. 12 1.6 Antenas para Trunking ............................................................................................... 13 1.6.1. Antenas omnidireccionales ............................................................................. 15. 1.6.2. Antenas direccionales ..................................................................................... 15. 1.7 Balun .......................................................................................................................... 17 1.7.1. Balun de media onda....................................................................................... 19. 1.7.2. Balun bazoka................................................................................................... 19.

(10) vii 1.7.3. Balun choke .................................................................................................... 20. 1.7.4. Balun de banda ancha ..................................................................................... 20. 1.8 Adaptadores de impedancia ....................................................................................... 21 1.8.1. Dipolo doblado ............................................................................................... 21. 1.8.2. T y Gamma Match .......................................................................................... 22. 1.9 Sistema Trunking en Cuba ......................................................................................... 23 1.10. Conclusiones parciales ....................................................................................... 23. CAPÍTULO 2.. Diseño de antenas .................................................................................... 25. 2.1 Selección y descripción del software a utilizar ........................................................... 25 2.1.1 MMANA-GAL .................................................................................................... 25 2.2 Antena Uda-Yagi ........................................................................................................ 26 2.2.1 Propuesta de antenas Uda-Yagi para Trunking.................................................... 27 2.2.2 Método de diseño NBS para antenas Uda-Yagi .................................................. 28 2.2.3 Resultados del cálculo según el método de NBS ................................................. 29 2.3 Modelado y simulación de las antenas en el MMANA .............................................. 32 2.3.1 Simulación de la antena para la banda de 380-430 MHz .................................... 32 2.3.2 Simulación de la antena de la banda de 800-870 MHz........................................ 34 2.4 Fabricación de las antenas .......................................................................................... 36 2.5 Conclusiones parciales ................................................................................................ 39 CAPÍTULO 3.. Resultados y discusión ............................................................................ 40. 3.1 Equipamiento usado en las mediciones ...................................................................... 40 3.2 Método de medición ................................................................................................... 41 3.3 ROE y pérdidas por retorno medidas .......................................................................... 43 3.3.1. Antena de 380 - 430 MHz............................................................................... 44.

(11) viii 3.3.2. Antena de 800 – 870 MHz .............................................................................. 45. 3.4 Medición del patrón de Radiación .............................................................................. 46 3.5 Conclusiones parciales ............................................................................................... 47 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 48 Conclusiones ..................................................................................................................... 48 Recomendaciones ............................................................................................................. 48 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 50 ANEXOS .............................................................................................................................. 52 Anexo 1: Método de NBS para el diseño de antenas Uda - Yagi. ............................... 52 Anexo 2: Equipamiento utilizado en la medición ............................................................. 54 Anexo 3.. Entorno y condiciones para la medición del patrón de radiación en el plano. H y V para la antena de 380-430 MHz ............................................................................. 55 Anexo 4: Entorno y condiciones para la medición del patrón de radiación en el plano H y V para la antena de 800-870 MHz ................................................................ 56 Anexo 5: Mástil Giratorio ................................................................................................. 57 Anexo 6: Comparación entre la ROE medida y simulada ................................................ 57 Anexo 7: Reflector Rotatorio ............................................................................................ 58 Anexo 8: Cálculo del adaptador Gamma .......................................................................... 59.

(12) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Durante el transcurso de las últimas décadas se ha sido testigo del notable crecimiento alcanzado en la investigación, desarrollo e implementación de redes de comunicaciones móviles, tanto públicas como privadas. Actualmente la penetración de estas redes en el mercado y sus prestaciones han sobrepasado las predicciones más optimistas, erigiéndose paradigma en la historia del desarrollo tecnológico. Las redes Trunking, como subconjunto de las comunicaciones móviles, fueron desplegadas extensamente como sistema de comunicación profesional antes de constituir en la actualidad un sistema de comunicación tan popular. Los sistemas de concentración de enlaces, como también se les conoce, son capaces de proveer servicios de despacho para corporaciones,. departamentos. gubernamentales,. congregaciones. comunitarias,. emergencias, el ejército, la policía, el transporte, entre otras, con las características de una rápida coordinación y alta eficiencia. Estas características no pueden ser reemplazadas por otros sistemas de comunicaciones móviles, de esta forma permanecerán siendo dominantes en los mercados de comunicación profesional [1]. Una red Trunking es un sistema dinámico de asignación de canal, es decir, las decisiones sobre la asignación de frecuencia son realizadas automáticamente por un centro de control. Este sistema computarizado le permite al usuario realizar una llamada sin necesidad de averiguar si el canal de radiofrecuencia está libre. En él se permite que un gran número de usuarios compartan un número relativamente pequeño de enlaces de comunicación [2]. En Cuba la red Trunking, para el año 2008, estaba compuesta por dos nodos, los cuales soportaban máximo 30 estaciones cada uno. La misma entró en saturación al conectarse la última estación en la refinería de petróleo ¨Camilo Cienfuegos¨ en la provincia de Cienfuegos, llegando al máximo de 60 estaciones bases conectadas al sistema [1]. Esto.

(13) INTRODUCCIÓN. 2. trajo consigo la necesidad de perfeccionar y modernizar la red existente. Así, se comenzaron a buscar soluciones que llevara a una convergencia con los sistemas de tercera y cuarta generación de redes móviles. En este tipo de redes al igual que en cualquier forma de comunicación inalámbrica, tiene una vital importancia la selección e implementación de las antenas a utilizar. Teniendo en cuenta lo anterior se hace necesario para la empresa MOVITEL S.A, encargada del manejo y gestión de las redes Trunking en el país, adquirir este equipamiento ajustándolo a las características de las redes implementadas en Cuba para darle vitalidad al sistema. Así, desde comienzos de este año, la Empresa Antenas Villa Clara, institución que juega un papel fundamental en los cambios científicos-tecnológicos en los que se encuentra inmerso el país, recibió el encargo de MOVITEL S.A para la fabricación de una serie de antenas directivas para las bandas de 380-430 MHz y 800-870 MHz. Es debido a lo anterior que se plantea el siguiente problema científico: ¿Cómo contribuir, desde el punto de vista tecnológico, a una mejor implementación y desarrollo de la red Trunking del país? Para dar respuesta al problema científico planteado, se propone como objetivo general: Diseñar antenas directivas para redes Trunking en las bandas de 380-430 MHz y 800-870 MHz que satisfagan las necesidades de la empresa MOVITEL S.A. Y los siguientes objetivos específicos: 1. Describir las particularidades de los sistemas de radiocomunicaciones Trunking, así como las características de las antenas usadas en esta tecnología. 2. Aplicar el método de diseño para el tipo de antena elegido. 3. Evaluar el comportamiento de las antenas diseñadas tomando en cuenta las simulaciones y las pruebas reales. Con la realización de este trabajo de diploma quedará documentado el diseño de antenas directivas para redes Trunking en las bandas de 380-430 MHz y 800-870 MHz. Una vez.

(14) INTRODUCCIÓN. 3. realizadas las pruebas, los datos obtenidos darán una panorámica del comportamiento de la antena en condiciones de trabajo. La implementación de estas antenas ofrece una solución viable a las necesidades de la empresa MOVITEL S.A ya que se pueden sustituir importaciones. Además, se ofrece un producto económico pues los prototipos de antenas estarán hechos con materiales reciclables y no se requiere de un esfuerzo adicional de mano de obra ya que es de fácil diseño. Este informe está estructurado en Introducción, Capitulario, Conclusiones, Bibliografía y Anexos. La Introducción expone la importancia de los sistemas de comunicaciones Trunking y la necesidad de implementar antenas directivas para el mismo dentro del país. Además, se definen los objetivos que tendrá el trabajo y el impacto que pueda tener para la sociedad. El Capitulario se ha conformado en tres capítulos en los cuales se abordan las siguientes temáticas: Capítulo 1: Descripción de los sistemas Trunking. Aquí se destacan las principales particularidades y la evolución de los sistemas Trunking, así como sus ventajas y estado del arte en Cuba. También se describen las antenas utilizadas en estos sistemas y sus parámetros. Capítulo 2: Diseño de antenas. En este capítulo se realiza el diseño de las antenas para las bandas de 380-430 MHz y 800-870 MHz, así como su modelado y simulación en el software seleccionado. También se exponen los materiales a utilizar en la construcción real de las antenas. Capítulo 3: Resultados y discusión. En este capítulo se realizan las mediciones a los prototipos de antenas construidos, haciendo énfasis en los principales parámetros de estas. Primero se hace una caracterización del equipamiento a utilizar, luego se realizan las mediciones reales y por último se comparan los resultados obtenidos con respecto a los simulados. 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.

(15) INTRODUCCIÓN. 4. perfeccionar el estudio realizado en futuras investigaciones. Además, presentará referencias 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. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS TRUNKING. 5. CAPÍTULO 1. Descripción de los sistemas Trunking.. Los sistemas de radiotelefonía móvil privada, denominados de forma abreviada sistemas PMR (Private Mobile Radio) son redes de comunicaciones móviles que se utilizan en tareas de despacho para la gestión y control de la actividad de flotas de vehículos. Sus aplicaciones son muy variadas, como, por ejemplo, los servicios públicos de distribución de agua, gas, electricidad, la policía, los bomberos, las ambulancias, protección civil, vigilancia, servicios de mantenimiento, control de tráfico, empresas, etc. En estos sistemas el control se efectúa sobre zonas geográficas limitadas y la red de comunicación no está conectada expresamente a la red telefónica pública. Dentro de sus modalidades se encuentran los sistemas de concentración de enlaces, denominados también sistemas Trunking [3]. En el presente capítulo se abordan aspectos esenciales para la correcta comprensión sobre las características de los sistemas de comunicaciones Trunking, su evolución, así como su importancia y ventajas con respecto a otros sistemas de comunicaciones. Además, se incluyen también algunos aspectos sobre las antenas que utilizan este tipo de sistema. 1.1 Sistemas Trunking Un sistema de concentración de enlaces (Trunking), como factor evolutivo PMR, se puede definir como un sistema de comunicaciones radioeléctricas, donde se utilizan técnicas convencionales o basadas en el uso de frecuencias comunes, las que proporcionan servicios de comunicaciones móviles de voz punto a punto múltiples o viceversa, conocidos comúnmente como servicios móviles de despacho. Esta es una modalidad mediante la cual se trasmite mensajes cortos de control a través de un radiocanal para la señalización, así como la operación y/o comunicación entre los abonados del sistema, sin acceso a la red telefónica pública conmutada. En este sistema un número reducido de canales.

(17) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS TRUNKING. 6. radioeléctricos es compartido entre un gran número de usuarios, conformando grupos privados de comunicación, en donde cualquier usuario tiene acceso a los diferentes canales a través de selección automática del que se encuentre libre [4]. En estos sistemas la asignación de frecuencias a los usuarios se realiza de forma dinámica, asignándose un canal cuando hay demanda solamente, lo cual minimiza el tiempo de desocupación del canal, pues cada usuario sólo utiliza el canal durante el tiempo de conversación, cuando ésta finaliza, el canal se libera, retornando a la reserva para que pueda ser asignado a otro usuario. Cuando todos los canales están ocupados las llamadas que se producen no se pierden, sino que son puestas en una cola de espera, de donde se efectúan atendiendo al orden de llegada o prioridad de la misma a medida que se liberen los canales [1]. Los sistemas Trunking, al igual que los sistemas de comunicaciones celulares, operan bajo movilidad, o sea se describe el enlace radioeléctrico para la comunicación entre una estación móvil o fija y una estación base. Siendo los equipos mayormente portátiles y cuya estructura dependerá de sus diferentes aplicaciones [5]. La figura 1.1 muestra algunos ejemplos de equipos utilizados en estos sistemas.. Figura 1.1: Ejemplo de equipos del Sistema Trunking [1].

(18) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS TRUNKING. 7. 1.2 Arquitectura de una red Trunking Dentro de la organización típica de una red Trunking se encuentran elementos indispensables como son el NC (Nodo Central) con la responsabilidad del control de la red y una serie de EBZ (Estaciones Base de Zona) estaciones bases de zona conectadas al NC a través de los enlaces de control. El sistema de gestión está conectado al NC a través del cual tiene acceso a las informaciones de la red y puede actuar sobre los elementos. A esta configuración se le denomina monoemplazamiento. Las estructuras multiemplazamientos son utilizadas en caso que se requieran coberturas de gran extensión, es decir, varios nodos. En la figura 1.2 se observa la estructura de una red Trunking de forma general [1, 4].. Figura 1.2: Red Trunking A continuación, se listan los terminales que se pueden conectar al nodo: . Estaciones bases, conectadas mediante líneas telefónicas o radioenlaces punto a punto.. . Terminales telefónicos directos, conectados por línea.. . Centrales privadas (PABX)..

(19) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS TRUNKING. . Terminales de despacho, conectados por línea o radio.. . Conexiones a otros nodos.. 8. 1.3 Bandas de frecuencias El uso del espectro radioeléctrico es un recurso natural que el estado maneja según convenga a sus intereses. Aun así, las implementaciones de algunos sistemas de radiocomunicaciones ya definen las bandas de frecuencias a emplear. En el caso de los sistemas PMR convencionales y de Trunking estos hacen uso de las bandas designadas para los sistemas LMR (Land-Mobile Radio) además de incluir en algunas regiones la banda de 300 – 450 MHz [3]. A continuación se muestra la distribución de las bandas de frecuencias en el espectro radioeléctrico.. Figura 1.3: Distribución del espectro radioeléctrico [5] 1.4 Principales estándares analógicos y digitales El empleo de estándares es un asunto importante en todo sistema de comunicación, incluido los sistemas Trunking, debido a que estos aseguran la interoperabilidad y compatibilidad del sistema. Mediante los estándares los usuarios pueden acceder a la red usando productos de múltiples vendedores, además de adicionarles flexibilidad a los operadores a la hora de adoptar el equipamiento, realizar una mejora al sistema o un reemplazo [6]. Para el caso de los sistemas Trunking existen diversas soluciones, tanto analogías como digitales para la implementación de estas redes. En muchos casos estas soluciones son estrictamente propietarias de importantes firmas de telecomunicaciones, por ejemplo,.

(20) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS TRUNKING. 9. SMARTNET de Motorola, GoTa (Global Open Trunking Architecture) lanzado en el 2004 por ZTE y EnerG-Talkie (GSM-T) lanzado por Huawei. Actualmente existen soluciones propietarias para el uso integrado de sistemas Trunking sobre plataformas de tercera y cuarta generación como LTE (Long Term Evolution) [1, 7, 8]. A continuación, se describirán brevemente los principales de los estándares analógicos y digitales más difundidos a nivel mundial y que cuentan con aceptación legal por las instituciones internacionales de estandarización. A saber: MPT 1327 (Ministry of Post and Telecommunication), TETRA (Trans-European Trunked Radio), P25 (Project 25) y DMR (Digital Mobile Radio). 1.4.1 MPT 1327 El estándar MPT 1327, como norma no propietaria o abierta, cuenta con reconocimiento internacional tanto en sistemas públicos como privados. Resulta altamente flexible y eficiente para los sistemas Trunking. A través del canal de control, que puede ser fijo o cíclico, el estándar MPT 1327 posibilita a los usuarios hacer llamadas. Pueden atenderse solicitudes de llamada rápidamente. Es posible hacer llamadas de grupo o individuales, así como anuncios de grupo. Si a quien se llama está ocupado, el usuario puede solicitar que el sistema le llame posteriormente [1]. Los operadores de sistemas, con este estándar, ganan control sobre quién está utilizando su sistema. Se puede pedir a los usuarios que se registren usando su ESN (Electronic Serial Number). El sistema puede atender varias flotillas y dentro de cada una, pueden identificarse individuos y grupos, además a los usuarios puede dárseles prioridad [2]. En este estándar mientras la información se transmite usando modulación FM analógica, el canal de control es digital, siendo la información de señalización modulada usando FFSK (Fast Frequency Shift Keying) a una razón de bits de 1.2 Kbps. El canal de control es dividido en intervalos de tiempo de 106.7 ms, que corresponde a paquetes de 128 bits para la velocidad especificada del canal de señalización. Este paquete de 128 bits es dividido en dos palabras de código de 64 bits cada una tal como se muestra en figura 1.4 [1]..

(21) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS TRUNKING. 10. Figura 1.4. Estructura del paquete de señalización [1] El campo CCSC (Control Channel System Codeword) contiene un código de 15 bits donde se identifica un móvil específico o un grupo de móviles, además, lleva la información de sincronismo para asegurar que los móviles conozcan cuándo comienza y termina un intervalo de tiempo. El segundo campo, Address Codeword, contiene los mensajes de señalización. 1.4.2 TETRA Constituye el primer estándar digital abierto desarrollado para la radio móvil privada por el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones, a partir de 1997. TETRA es una plataforma técnica bastante avanzada, capaz de proveer servicios integrados de voz y datos. Esta combinación, acompañada de una excelente conectividad, posibilita establecer un nuevo nivel en la radio móvil profesional, por ejemplo: la conexión a redes telefónicas públicas y privadas, así como a diferentes tipos de redes de datos. Soporta además conmutación de circuitos de datos, así como servicios de conmutación de paquetes. Ofrece niveles de protección ante errores en la transmisión de datos e incluye la encriptación de voz, datos, señalización e identificación de usuarios [6]. TETRA utiliza la tecnología TDMA (Time Division Multiple Access) con cuatro ranuras de tiempo para usuarios intercaladas en un mismo canal de 25 KHz tal como se muestra en la figura 1.5, lo que significa un aprovechamiento más eficiente en el espectro de frecuencias. Además, el tiempo de establecimiento de una llamada es de 300 ms, crucial para la seguridad pública y los servicios de emergencia [5]. Este sistema no implementa procedimiento de traspaso automático de llamada de una celda a otra. Se restablece rápidamente la llamada cuando el móvil se mueve hacia la otra celda. La ruptura en la comunicación está hecha tan corta como el traspaso de llamadas en el sistema GSM (Global System for Mobile Communications). Sus modos de.

(22) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS TRUNKING. 11. funcionamiento son: dúplex para las llamadas telefónicas individuales y semi-dúplex para la comunicación eficiente en grupos [9].. Figura 1.5. Distribución de usuarios en TETRA [5] 1.4.3 P25 El proyecto 25 o P25 es una tecnología para sistemas Trunking creada por la APCO (Association of Public Safety Communication Officials International) y estandarizada por la TIA (US Telecommunications Industry Association) por lo que también se le conoce como APCO-25. En si consiste en dos fases. En la fase 1 se utiliza FDMA (Frequency Division Multiple Access) para obtener canales de 12,5 KHz y cumplir con los requisitos de la FCC (Federal Communications Commission) de banda estrecha mientas en la fase 2 se emplea TDMA en canales de 12.5 KHz. En P25 fase 2 se tienen dos ranuras de tiempo por canal por lo que la eficiencia espectral es similar a los de TETRA y DMR sin embargo en P25 se utiliza un canal de 12,5 KHz para el canal de control mientras en las otras dos tecnologías solo se requiere un slot de tiempo. En cuanto a la modulación que emplea P25, en la Fase 1 se utiliza C4FM (Continuous 4 level Frequency Modulation) y en Fase 2 H-DQPSK (Harmonized Differential Quadrature Phase Shift Keying) y HCPM (Harmonized- Continuous Phase Modulation) [6]. Una clave importante que hace a los operadores desplegar P25 es su escalabilidad para soportar una gran zona de cobertura. Con esto se minimiza el número de células/sitios lo que se traduce en un menor costo de implementación. Otro beneficio de P25 es que cada usuario puede comunicarse con múltiples usuarios que comparten el mismo conjunto de frecuencia, incluso cuando la infraestructura P25 está ausente. Además, P25 es capaz de soportar el sistema analógico y proporciona una ruta de migración sencilla de una red Trunking analógica a una red Trunking digital avanzada [5]..

(23) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS TRUNKING. 12. 1.4.4 DMR DMR es otra tecnología digital de radiocomunicaciones desarrollada por el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones y conformado por tres niveles. El nivel 1 cubre los sistemas de radio convencionales no licenciados de baja potencia, el nivel 2 los sistemas de radio convencionales licenciados y el niel 3 define la tecnología para sistemas Trunking en la banda de frecuencia de 66 hasta 960 MHz. Actualmente las aplicaciones comerciales se enfocan en los niveles 2 y 3 [6]. Para aumentar la eficiencia espectral, también DMR utiliza la técnica TDMA para dividir el canal de 12,5 KHz en dos ranuras de tiempo, sin embargo, sólo se requiere un intervalo de tiempo para el canal de control. No obstante, un canal de control en DMR puede ser un canal de control dedicado o un canal de control compuesto. En el canal de control dedicado, una ranura TDMA es dedicada para el canal de control; mientras que, en el compuesto, puede volver a ser canal de tráfico cuando se solicita tráfico y no hay otros canales están disponibles. En cuanto a modulación DMR emplea 4FSK (4-level Frequency Shift Keying) [6, 9]. DMR es apto para cobertura local y regional ya que no hay limitación en el número de sitios y en los usuarios por sitio, mientras que TETRA y P25 pueden ser escalables para apoyar la aplicación a nivel nacional. 1.5 Ventajas de los sistemas Trunking Las principales ventajas que ofrece el sistema de comunicaciones Trunking son [1]: . Rápido Acceso al Sistema: Sin la necesidad de monitorear el canal antes de usarlo.. . Mejor Eficiencia en el uso del canal: Todos los canales son compartidos por todos los usuarios para reducir el congestionamiento del canal.. . Mayor privacidad: A los usuarios del mismo grupo de conversación se les asigna un único canal de voz mientras dure la conversación.. . Fácil Expansión: Se pueden agregar más usuarios sin necesidad de cambiar la estructura del sistema..

(24) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS TRUNKING. . 13. Confiabilidad del Sistema: El sistema, concebido como apto para Seguridad Pública, es entonces total y absolutamente independiente, para su funcionamiento, de empresas comerciales (de energía, de telefonía, de conectividad, etc.).. . Interoperabilidad:. Un. protocolo. estándar. internacional. permite. una. total. interoperabilidad a nivel de radio con otras fuerzas equipadas con el mismo protocolo (en el caso de poseer el mismo tipo de infraestructura la compatibilidad es directa y si tienen distintas bandas de frecuencias, se pueden vincular los sitios maestros y vincular una radio en 400 MHz con otra en 800 MHz a través del sistema). . Llamada Grupal ilimitada: Se puede coordinar en tiempo real una o más fuerzas de seguridad federales, provinciales, servicios asistenciales, Bomberos, Defensa Civil y otros organismos, con decenas de miles de integrantes.. . Emergencia: Posee la capacidad de, al oprimir un botón de fácil acceso, informar a toda la red de que un integrante se encuentra en esa situación. Si el sistema está totalmente ocupado, interrumpe a la comunicación de menor prioridad y envía la emergencia. Este aviso se envía siempre. Nuevamente esta característica no está disponible en sistemas comerciales.. . Nivel de Prioridad: Es posible otorgar niveles de prioridad a diversos grupos de usuarios. Tampoco está disponible en sistemas comerciales.. . Directo: Permite la posibilidad de hablar de equipo a equipo sin pasar por ningún sistema. Esta ventaja estratégica permite la comunicación tipo “walkie talkie” entre radios para lugares como subsuelos o fuera del área de cobertura.. 1.6 Antenas para Trunking El IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) define una antena como “aquella parte de un sistema transmisor o receptor diseñada específicamente para radiar o recibir ondas electromagnéticas”. El objetivo de las antenas es actuar de interfaz entre una onda electromagnética guiada (a través da una línea de transmisión, guía de onda etc.) y una onda electromagnética no guiada, radiada en un medio, en general el aire [10]..

(25) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS TRUNKING. 14. Para llevar a cabo la construcción de una antena, así como para su uso en los distintos tipos de sistemas de radiocomunicaciones, se deben seguir ciertos parámetros según el propósito que se desea cumplir. A continuación, se enuncian algunos de ellos [11-13]: . Directividad: Capacidad que presenta una antena de concentrar su radiación hacia una “dirección preferente” respecto a otra dirección.. . Ganancia: Relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección y la densidad de potencia que radiaría una antena isotrópica, a igualdad de distancias y potencias entregadas a la antena.. . Polarización: Figura geométrica determinada por el extremo del vector que representa al campo eléctrico en función del tiempo, en una posición dada.. . Patrón de Radiación: Representación gráfica de las características de radiación en función de la dirección angular.. . Razón Front to Back: Razón de la ganancia del lóbulo principal comparado con el lóbulo trasero.. . Impedancia de entrada: Relación entre la tensión y la corriente en sus terminales de entrada.. . Razón de onda estacionaria: Medida de las reflexiones ocurridas en el sistema director de onda (línea de transmisión, guía de onda, etc) acorde al grado de adaptación de impedancia de la antena con este.. . Ancho de Banda: Relación entre el margen de frecuencias en que se cumplen las especificaciones y la frecuencia central.. En un sistema de comunicaciones Trunking, como en cualquier sistema de comunicaciones inalámbrico, las antenas juegan un papel esencial. En cuanto a clasificaciones, en una red de este tipo, las antenas comúnmente usadas se dividen en dos grupos genéricos: Antenas Omnidireccionales y Antenas Direccionales [2]. La siguiente figura muestra el patrón de radiación de dos modelos de antenas empleados para Trunking por Motorola..

(26) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS TRUNKING. 15. Figura 1.6: Patrones de radiación de dos antenas empleadas por Motorola en redes Trunking [2] 1.6.1 Antenas omnidireccionales A diferencia de las antenas isotrópicas, las antenas omnidireccionales son antenas reales. En estas el patrón de radiación es 360 grados en el plano horizontal y aproximadamente 75 grados en el plano vertical (Una antena omnidireccional suele ser una antena polarizada vertical). Puesto que el haz se encuentra ligeramente concentrado, las antenas omnidireccionales presentan una ganancia superior con respecto a las antenas isotrópicas de 2,14 dB en el plano horizontal [14]. Este tipo de antenas se utilizan cuando se necesita cobertura en todas direcciones desde la antena, con diferentes grados de cobertura vertical. En la mayoría de los casos su instalación obedece al objetivo de alcanza la comunicación entre unidades móviles cuando el posicionamiento en relación a la antena de base es impredecible. Las antenas omnidireccionales son muy sencillas de instalar. Debido a los patrones horizontales de 360 grados, pueden incluso montarse colgadas de un techo en entornos de interior. Asimismo, gracias a su forma, es muy recomendable asociar estas antenas al producto. 1.6.2 Antenas direccionales Las antenas direccionales envían la energía de radiofrecuencia en una determinada dirección. Cuando la ganancia de una antena direccional aumenta, la distancia de cobertura también aumenta, aunque el ángulo de cobertura eficaz disminuye. Para antenas.

(27) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS TRUNKING. 16. direccionales, los lóbulos se dirigen en una dirección determinada y en la parte trasera de la antena queda una pequeña cantidad de energía [11, 12]. En cuanto al empleo de este tipo de antenas en los sistemas Trunking los modelos que sobresalen, consultado a fabricantes como Kathrein y desarrolladores como Motorola, son las antenas de paneles, las logarítmicas y las antenas Uda – Yagi [2, 15]. En el caso de las antenas de paneles, estas se emplean con un fin similar a las ubicadas en cualquier estación base celular. Solo que operando en bandas diferentes en frecuencia. En cambio, las logarítmicas y las Uda - Yagi están enfocadas a enlaces punto a punto. A continuación, se presenta una tabla con las características de varios modelos de antenas Uda - Yagi en el stock de Motorola. Tabla 1.1: Características típicas de antenas Uda - Yagi usadas por Motorola [2].. Un aspecto a tener en cuenta a la hora de trabajar con este tipo de antenas es que, al ser energizadas generalmente mediante un cable coaxial, dispositivo desbalanceado, y en busca de mantener una correcta adaptación de impedancia se hace necesario la introducción de otros aspectos de diseño, tales como empleo de un balun y los mecanismos de adaptación de impedancia [11]..

(28) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS TRUNKING. 17. 1.7 Balun La palabra "balun" es una contracción de "BALanced to UNbalanced transformer", es decir, "transformador de balanceado a desbalanceado". Entonces lo mejor es partir por comprender a qué se refiere exactamente este concepto del balance. Un balun, para las bandas de HF, es típicamente un simple transformador, o más comúnmente un autotransformador, conectado de una forma que provee el punto medio que la antena dipolo no posee [10]. Un balun simple es el que se muestra en la siguiente figura:. Figura 1.7: Balun simple [10] Se trata de un transformador que tiene dos bobinados, muy bien acoplados entre ellos, conectados en serie. Los dos extremos se conectan al dispositivo balanceado (la antena dipolo en este caso), y el dispositivo desbalanceado (cable coaxial) tiene su punto de potencial cero (la malla) conectado al punto medio del balun, mientras que su lado energizado va a cualquiera de los extremos del balun, compartiendo ese contacto con uno de los lados de la antena [10]. Queda claro a primera vista que con esta conexión la malla del cable coaxial queda efectivamente en el punto medio de la antena, que es un punto que no existía antes de poner el balun. Debido al buen grado de acoplamiento entre las bobinas del balun, cualquier tensión que aparezca en el conductor del coaxial, aparecerá con signo opuesto en el otro polo de la antena. La corriente que circula por el lado derecho de la antena pasa por la mitad derecha del balun y baja por la malla del coaxial, y es compensada por otra corriente igual que circula por la mitad izquierda del balun, proveniente del conductor.

(29) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS TRUNKING. 18. del coaxial. Al mismo tiempo hay otra corriente igual que circula directamente desde el conductor del coaxial hacia el lado izquierdo de la antena [10]. Entonces que la tensión total aplicada a la antena es el doble de la tensión que viene en el cable coaxial, mientras la corriente que circula en la antena es de la mitad de la que circula en el cable coaxial. De esa forma, este balun no solamente está adaptando el cable desbalanceado a la antena balanceada, sino también está efectuando una transformación de impedancia, con una relación de 1:4, ya que, si con el doble de la tensión circula la mitad de la corriente, la impedancia tiene que haber aumentado en un factor 4 [14]. En muchos casos esto es útil, por ejemplo, para alimentar dipolos plegados, que tienen 300 Ω, desde un cable coaxial de 75 Ω. Pero si se alimenta un dipolo sencillo con un cable coaxial, esto no sirve, ya que el dipolo sencillo tiene aproximadamente la misma impedancia que un cable coaxial. Entonces se debe usar un balun 1:1, es decir, un balun que no transforma la impedancia [14]. La figura 1.8 muestra un balun de este tipo:. Figura 1.8: Balun 1:1 [10] Se trata de un autotransformador de tres bobinados, conectados todos en serie. Con las conexiones indicadas en el dibujo, la antena queda conectada sobre dos de estos bobinados, y el cable coaxial también queda sobre dos bobinados. Por lo tanto, las tensiones y las corrientes no cambian entre el cable y la antena, es decir, no hay transformación de impedancia. Pero por otra parte la malla del cable coaxial queda en el punto medio de la antena, lográndose así la correcta adaptación entre la antena balanceada y el cable desbalanceado [14]. A continuación, se presentan otros tipos de balun empleados en el diseño de antenas..

(30) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS TRUNKING. 19. 1.7.1 Balun de media onda Consiste en conectar un cable coaxial de media longitud de onda eléctrica como se indica en la figura 1.9. Realiza además una transformación de impedancia de 1 a 4, o sea que también sirve para adaptar impedancias [14].. Figura 1.9: Balun de media onda [14] 1.7.2 Balun bazoka Consiste en anular las corrientes que puedan circular por la línea, introduciendo una corriente igual y contraria, tal como se muestra en la figura 1.10.. Figura 1.10: Balun bazoka [14] Estos dos sistemas sólo funcionan en una frecuencia (la de diseño) por tanto se han ideado varios diseños para permitir el funcionamiento multibanda..

(31) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS TRUNKING. 20. 1.7.3 Balun choke Consiste en hacer una inductancia con el propio cable coaxial, de tal forma que las corrientes inducidas en la malla del coaxial no puedan circular por él. Al tener el cable coaxial la malla por fuera y el conductor por dentro, esta bobina sólo afecta a la malla. Si la bobina así formada tiene suficiente inductancia, impedirá que las corrientes circulen por la malla [10].. Figura 1.11: Balun choke [10] Para antenas que funcionen por encima de 10 MHz, bastan 20 espiras de un diámetro de 25 centímetros. Se puede lograr lo mismo, haciendo que el cable coaxial de varias vueltas alrededor de un toroide de ferrita, con lo que el número de espiras será mucho menor. 1.7.4 Balun de banda ancha Consiste en un transformador de banda ancha con entrada asimétrica y salida simétrica. Se puede construir con núcleo de aire o bien de ferrita. Lo más corriente es que sea sobre ferrita y puede, si se desea, realizar cualquier transformación de impedancias; si no realiza transformación de impedancia se denomina balun 1:1 [14]. Resulta bastante complejo de calcular y construir, pero existen en el mercado muy buenas unidades. Hay que tener en cuenta que este tipo de balun tiene limitaciones de frecuencia y de potencia, que deben conocerse antes de instaurarlos. Además, deben conectarse a antenas muy bien diseñadas y sintonizadas. Si la carga de la antena no es puramente resistiva o no tiene el valor adecuado, el propio balun puede aumentar los valores de ROE en la línea o bien resultar destruido al no poder hacer la transferencia de energía [14]. La figura 1.12 muestra un balun de este tipo..

(32) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS TRUNKING. 21. Figura 1.12: Balun de banda ancha[14] 1.8 Adaptadores de impedancia Muchos tipos de antenas presentan una impedancia en el punto de alimentación inferior a los 50 Ω característicos de las líneas de transmisión más usadas, por lo que se hace necesario adaptar la impedancia con vistas a lograr máxima transferencia de potencia. 1.8.1 Dipolo doblado Un dipolo doblado es una estructura formada por dos dipolos paralelos, cortocircuitados en su extremo. Uno de ellos se alimenta en el centro con un generador. El dipolo doblado se puede descomponer en el modo par o modo antena, con la misma alimentación en los dos brazos, y el modo impar o modo línea de transmisión, con dos generadores con signos opuestos [11].. Figura 1.13: Dipolo Doblado [10] El ancho de banda del dipolo doblado es superior a la del dipolo simple, debido a que las reactancias se compensan. En conclusión, un dipolo doblado, equivale, desde el punto de.

(33) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS TRUNKING. 22. vista de radiación a un dipolo simple con corriente de valor doble, e impedancia 4 veces [12]. 1.8.2 T y Gamma Match Este método se basa en el hecho de que la impedancia entre dos puntos equidistantes desde el centro de una antena resonante es resistiva y tienen un valor que depende de la separación entre dichos puntos. Por lo tanto, es posible escoger un par de puntos entre los cuales la impedancia es la correcta para alimentar la antena. Si la antena es resonante a la frecuencia de trabajo, su impedancia es puramente resistiva, en este caso las secciones de acople terminan en una carga resistiva. Sin embargo, como líneas de transmisión, estas secciones terminan en un cortocircuito y son más cortas que un cuarto de onda por lo que la impedancia vista desde la línea de transmisión principal es inductiva en vez de resistiva. Una manera de neutralizar esta carga inductiva es intercalando un condensador variable en serie con cada sección de acople. En este caso la antena debe tener la longitud apropiada para que sea resonante en la frecuencia de trabajo, ajustando tanto el punto de alimentación de las secciones de acople y el valor del condensador hasta llegar a la ROE más baja posible [16].. Figura 1.14: T y Gamma Match [14].

(34) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS TRUNKING. 23. 1.9 Sistema Trunking en Cuba El sistema Trunking nacional para el año 2008, basado en MPT 1327 a los 800 MHz, estaba compuesto por dos nodos, los cuales soportaban máximo 30 estaciones cada uno. Ya en esa fecha el sistema entró en saturación al conectarse la última estación en la refinería de petróleo Camilo Cienfuegos en la provincia de Cienfuegos, llegando al máximo de 60 estaciones bases conectadas [1]. Por otra parte, el espectro radioeléctrico en la banda de trabajo, en la Ciudad de la Habana, estaba ocupado prácticamente en su totalidad, debido a la cantidad de usuarios y por ende canales, desplegados en ese territorio, siendo imposible con tecnologías de primera generación incrementar la cantidad de canales de las estaciones existentes por no contarse ya con nuevas frecuencias disponibles. Esto hace imprescindible el uso de otras tecnologías ya de segunda o tercera generación, que con el mismo ancho de banda realicen un uso más eficiente del espectro, en función de incorporar una mayor cantidad de usuarios al sistema [1]. Actualmente la red Trunking no ha variado mucho, sigue empleando MPT 1327, solo que se hizo un reacomodo de estaciones bases y se optimizó el tráfico con vistas a retrasar la saturación que tenía el sistema. Eso sí, no se abandona la intención de actualizar tecnológicamente el sistema y ya se mira con buenos ojos la adopción del eWBB LTE de Huawei en un futuro cercano. Dado que esta opción opera a 380 - 430 MHz y 800 - 870 MHz, MOVITEL S.A se ha acercado a la Empresa Antenas Villa Clara para realizar el diseño y creación de antenas Uda - Yagi para su implementación en la red. 1.10 Conclusiones parciales Una vez finalizado el capítulo se llegan a las siguientes conclusiones: 1 Las particularidades de los sistemas Trunking ofrecen ventajas y soluciones únicas para instituciones públicas de emergencia y privadas. 2 La evolución de los sistemas Trunking está marcada por la convergencia con las redes de tercera y cuarta generación, aunque no con implementaciones abiertas sino propietarias..

(35) CAPÍTULO 1. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS TRUNKING. 24. 3 La red Trunking actual del país es obsoleta y está prácticamente saturada. Su futura migración a eWBB LTE de Huawei hace necesario como paso de independencia tecnológica, el diseño de prototipos de antenas directivas, este caso antenas Uda Yagi, para aquellas implementaciones que requieran enlaces punto a punto..

(36) CAPÍTULO 2. DISEÑO DE ANTENAS. 25. CAPÍTULO 2. Diseño de antenas. En este capítulo se realizará el diseño de las antenas para las bandas de 380-420 MHz y 800-870 MHz, así como su modelado y simulación en el software seleccionado. Para su correcto desempeño se abordarán los siguientes temas: selección y descripción del software a utilizar, la antena Uda-Yagi y la selección del prototipo a diseñar, la elección del método de diseño y por último la simulación y el análisis del cumplimiento de los principales parámetros. 2.1 Selección y descripción del software a utilizar E n el modelado y simulación del diseño de las antenas para Trunking se utilizó el software MMANA-GAL. Esta es una herramienta que estimula al desarrollo en tecnologías en las bandas de UHF y SHF con una gran variedad de opciones. 2.1.1 MMANA-GAL Este programa se ejecuta perfectamente sobre Windows y no requiere de máquinas sumamente potentes. Ofrece un ambiente de trabajo amigable al diseñador y se ocupa principalmente del diseño y simulación de antenas de elementos lineales, aunque una que incluya elementos curvos puede ser simulada con cierto grado de complejidad en el momento del diseño. Brinda además la posibilidad de ver la apariencia física de la antena en cada paso del proceso de diseño. Los elementos de la antena son introducidos mediante las coordenadas de sus extremos, pudiéndose hacer variaciones del diseño con rapidez [17]. Otra de las facilidades que brinda el MMANA, es la obtención y visualización de los resultados. El diseño en cuestión se calcula para la frecuencia determinada por el.

(37) CAPÍTULO 2. DISEÑO DE ANTENAS. 26. diseñador, la que debe estar dentro del ancho de banda de la antena para la obtención de resultados de relevancia. En la ventana de diálogo aparecen los parámetros de la antena correspondientes a esta frecuencia de simulación, entre los que se encuentran [18]: . La impedancia.. . La razón de onda estacionaria (ROE).. . La ganancia directiva.. . El coeficiente de radiación trasera (F/B) (front to back).. . El ángulo de elevación.. . La polarización.. El MMANA además ofrece la posibilidad de evaluar el comportamiento de varios de los parámetros de la antena en un rango de frecuencias determinado, un análisis como este fue realizado para las antenas que son objeto de estudio de este trabajo. La posibilidad de optimizar el diseño en cuestión, es una de las características del MMANA que lo hacen una herramienta de uso profesional frecuente. Esta optimización se puede realizar atendiendo a varios de los parámetros de la antena. Consiste en variar las dimensiones de los elementos y las longitudes que los separan y recalcular la antena para la misma frecuencia de simulación, con lo que se busca lograr que la antena ofrezca mejores resultados en algunos de sus parámetros, ya sea la razón de onda estacionaria (ROE), el coeficiente de radiación trasera (F/B), la ganancia directiva, etc. Este proceso ofrece grandes beneficios al diseño por las mejoras que se logran en la mayoría de los casos, en cuanto al parámetro o parámetros optimizados [17, 18]. 2.2 Antena Uda-Yagi Esta antena es la más utilizada para las comunicaciones Trunking punto a punto. 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.

(38) CAPÍTULO 2. DISEÑO DE ANTENAS. 27. reflejan. Los elementos no activos se denominan parásitos [12]. La figura 2.1 muestra los elementos físicos de una antena Uda Yagi. Para obtener una antena Uda - Yagi para el sistema Trunking es necesario hacer ajustes en la distancia entre los elementos para obtener, junto con el ancho de banda deseado, la ganancia óptima.. Figura 2.1: Elementos físicos de la antena Uda-Yagi [10] 2.2.1 Propuesta de antenas Uda-Yagi para Trunking Para satisfacer la demanda de MOVITEL S.A se toma como propuesta las antenas UdaYagi de 10 y 14 elementos. Teniendo en cuenta las características del alimentador y la disponibilidad de adquisición de los componentes se dio la tarea realizar un alimentador de menor complejidad. Para el caso de la banda de 380 a 430 MHz se propone la antena UdaYagi de 10 elementos y la antena Uda-Yagi de 14 elementos para la banda comprendida desde 800 a 870 MHz.. l. Figura 2.2: Antenas Uda-Yagi de 10 y 14 elementos.

(39) CAPÍTULO 2. DISEÑO DE ANTENAS. 28. 2.2.2 Método de diseño NBS para antenas Uda-Yagi El diseño de una antena Uda- Yagi prácticamente se resume en calcular las posiciones y las dimensiones de sus elementos de manera que las fases de las corrientes resultantes sean tales que la adición fasorial de los campos sea mínima hacia atrás y máxima hacia adelante. Eléctricamente, el costo de esta directividad es una disminución de la parte resistiva de la impedancia de la antena. Se compensa este inconveniente utilizando un acoplador de impedancia Gamma Match. Existen diversos métodos de diseño de este tipo de antena que ofrecen resultados aceptables. Uno de los más utilizados es el método tabular conocido como método de la NBS (Nacional Bureau of Standard) ofrecido en el documento original Meter P Viezbiike, “Yagi Antenna Design”, NBS Technical Note 688, December 1976 (NBS). En él se da la posibilidad de llegar a soluciones de ingeniería de una forma relativamente rápida y confiable, por basarse en mediciones experimentales. Provee un procedimiento para determinar los parámetros geométricos de la antena Uda - Yagi para una ganancia directiva determinada (sobre un dipolo de media longitud de onda). El método de diseño ofrecido en el documento se incluye en los siguientes datos, localizados en el Anexo 1: . Tabla 1 del documento que representa los parámetros de antenas optimizadas para seis ganancias diferentes y para el diámetro en longitudes de onda de d/λ = 0.0085 en frecuencia de 400 MHz.. La información de entrada que se requiere es: . Ganancia directiva.. . Frecuencia central.. . Diámetro de los elementos parásitos.. . Diámetro del boom de la antena..

(40) CAPÍTULO 2. DISEÑO DE ANTENAS. 29. 2.2.3 Resultados del cálculo según el método de NBS En primer lugar, se realiza el diseño inicial de una antena Uda- Yagi de 10 elementos con una ganancia directiva de 12 dBi a 405 MHz que es la frecuencia central de la banda de 380 - 430 MHz. El diámetro deseado de los elementos es de 10 mm y el del boom 30 mm. Se ha determinado la cantidad de elementos, el espaciamiento entre ellos, longitudes de los mismos y total del conjunto. El cálculo para la antena de 10 elementos, según el método de la NBS mostrado en el Anexo 1, se detalla por pasos a continuación: 1.. f0 = 405 MHz; λ = 300/405 = 0,74 m. Así 2a/λ = 0,01/0,74 = 0,013 y dboom/λ =0,030/0,74 = 0,04.. 2.. Según el Anexo I, la antena para un diámetro dboom/λ = 0,0085 la longitud del longitud del reflector Lr = 0,482 λ, la longitud de los directores son:. Longitud del director 1: L1 = 0,432 λ Longitud del director 2: L2 = 0,415 λ Longitud del director 3: L3 = 0,407 λ Longitud del director 4: L4 = 0,398 λ Longitud del director 5: L5 = 0,390 λ Longitud del director 6: L6 = 0,390 λ Longitud del director 7: L7 = 0,390 λ Longitud del director 8: L8 = 0,390 λ Y la longitud total de la antena sería de 0,2 λ*9 =1,8 λ =1,494 m 3.. Debido a que 2a/λ = 0,013, se requiere el cálculo de las longitudes óptimas de los elementos parásitos para el diámetro de la varilla a disposición compensando las longitudes a través de la figura 1 del Anexo 1 donde Lr = 0,48 λ y:. Longitud del director 1: L1 = 0,421 λ Longitud del director 2: L2 = 0,404 λ.

(41) CAPÍTULO 2. DISEÑO DE ANTENAS. 30. Longitud del director 3: L3 = 0,396 λ Longitud del director 4: L4 = 0,387 λ Longitud del director 5: L5 = 0,379 λ Longitud del director 6: L6 = 0,379 λ Longitud del director 7: L7 = 0,379 λ Longitud del director 8: L8 = 0,379 λ 4.. Por último se compensan las longitudes de los elementos para el diámetro del boom empleado mediante de la figura 2 del Anexo 1 dboom/ λ = 0,030/0,74 = 0,04, siéndole asignado a cada elemento 0,0157 λ quedando como resultado una antena con las siguientes longitudes: Lr=0,48 λ + 0,03 λ=0,51 λ y:. Longitud del director 1: L1 = 0,425 λ + 0,03 λ = 0,435 λ Longitud del director 2: L2 = 0,398 λ + 0,03 λ = 0,280 λ Longitud del director 3: L3 = 0,382 λ + 0,03 λ = 0,412 λ Longitud del director 4: L4 = 0,364 λ + 0,03 λ = 0,394 λ Longitud del director 5: L5 = 0,348 λ + 0,03 λ = 0,378 λ Longitud del director 6: L6 = 0,348 λ + 0,03 λ = 0,378 λ Longitud del director 7: L7 = 0,348 λ + 0,03 λ = 0,378 λ Longitud del director 8: L8 = 0,348 λ + 0,03 λ = 0,378 λ Analíticamente para el diseño inicial de la antena Uda- Yagi de 14 elementos con una ganancia directiva de 14 dBi a 835 MHz que es la frecuencia central de la banda de operación se realiza la misma metodología quedando como resultado: f0= 835 MHz, λ = 300/835 = 0,359 m. Así 2a/λ = 0,01/0,359 = 0,027 y dboom/λ = 0,030/0,359 = 0,08. Para esta antena la longitud del reflector es de 0,482 λ y los directores tienen las longitudes siguientes: Longitud del director 1: L1 = 0,424 λ Longitud del director 2: L2 = 0,424 λ.

(42) CAPÍTULO 2. DISEÑO DE ANTENAS. 31. Longitud del director 3: L3 = 0,420 λ Longitud del director 4: L4 = 0,407 λ Longitud del director 5: L5 = 0,403 λ Longitud del director 6: L6 = 0,398 λ Longitud del director 7: L7 = 0,394 λ Longitud del director 8: L8 = 0,390 λ Longitud del director 9: L9 = 0,390 λ Longitud del director 10: L10 = 0,390 λ Longitud del director 11: L11 = 0,390 λ Longitud del director 12: L12 = 0,390 λ La longitud total de la antena será 0,2 λ +0,308 λ *(11) =3,588 m. De acuerdo con los pasos 3 y 4 del diseño anterior la antena queda compensada de la siguiente forma: Lr = 0,469 λ Longitud del director 1: L1 = 0,396 λ Longitud del director 2: L2 = 0,396 λ Longitud del director 3: L3 = 0,392 λ Longitud del director 4: L4 = 0,379 λ Longitud del director 5: L5 = 0,375 λ Longitud del director 6: L6 = 0,370 λ Longitud del director 7: L7 = 0,366 λ Longitud del director 8: L8 = 0,362 λ Longitud del director 9: L9 = 0,362 λ Longitud del director 10: L10 = 0,362 λ.

(43) CAPÍTULO 2. DISEÑO DE ANTENAS. 32. Longitud del director 11: L11 = 0,362 λ Longitud del director 12: L12 = 0,362 λ 2.3 Modelado y simulación de las antenas en el MMANA Para el diseño se utilizó la herramienta de software MMANA-GAL y como elemento radiante se empleó el dipolo con adaptador Gamma que constituye la técnica más usada con el objetivo de lograr impedancias cerca de los 50 Ω.. Figura 2.3: Dipolo con adaptación Gamma [16] Para el cálculo de los elementos del adaptador Gamma se utilizó un documento Excel, al cual solo es necesario introducirle la frecuencia central, como se puede apreciar en el Anexo 8. 2.3.1 Simulación de la antena para la banda de 380-430 MHz El modelado y simulación de la antena de 380 a 430 MHz se realiza a través de conductores rectos arrojando los siguientes resultados:. Figura 2.4: Estructura bajo modelado en MMANA-GAL.

(44) CAPÍTULO 2. DISEÑO DE ANTENAS. 33. Figura 2.5: Patrón de radiación en el centro de la banda de trabajo 405 MHz: (a) Plano H y (b) Plano E.. Figura 2.6: Comportamiento de la Ganancia y F/B en la banda de trabajo.

(45) CAPÍTULO 2. DISEÑO DE ANTENAS. 34. La ganancia posee como promedio 12.3 dBi y la F/B, como promedio, se encuentra en 20 dB. En cuanto al patrón de radiación en ambos planos es el que se espera de una antena Uda – Yagi.. Figura 2.7: Comportamiento de la ROE en la banda de trabajo de la antena con Dipolo Recto y Adaptación Gamma En las gráfica anterior se puede notar el comportamiento de la ROE, que se mantiene por debajo de 1.5 en toda la banda. Este aspecto es de vital importancia para antenas que, como las que se diseñan, son para actuar como transmisoras y receptoras. A estas antenas se les exige una ROE que tenga un valor máximo de 2. 2.3.2 Simulación de la antena de la banda de 800-870 MHz Para la antena de 800 a 870 MHz, e l modelado y l a simulación se realizan a través de conductores rectos arrojando los siguientes resultados:.

(46) CAPÍTULO 2. DISEÑO DE ANTENAS. 35. Figura 2.8: Estructura bajo modelado en MMANA-GAL. Figura 2.9: Patrón de radiación en el centro de la banda de trabajo 835 MHz :(a) Plano H y (b) Plano E. Figura 2.10: Comportamiento de la Ganancia y F/B en la banda de trabajo.

(47) CAPÍTULO 2. DISEÑO DE ANTENAS. 36. Figura 2.11: Comportamiento de la ROE La ganancia, según la simulación, posee un promedio en toda la banda de 14 dBi y la F/B está por los 19 dB. Por otro lado, se encuentra la ROE bajo parámetros establecido por debajo de 1.5. 2.4 Fabricación de las antenas A continuación, se muestran los materiales utilizados para la fabricación de ambas antenas. . Antena de 380 – 430 MHz. La antena para la banda de 380 - 420 MHz está conformada por los siguientes materiales: 1. Boom de perfil 18 x 18: 1850 mm 2. Tubo de 10 mm de diámetro para 9 elementos y adaptador Gamma: 3230 mm 3. Remaches ciegos (Cherry): 10 4. Caja plástica para protección del alimentador: 1 5. Soporte del conector en L de chapa de aluminio: 1 6. Conector N hembra para panel: 1.

(48) CAPÍTULO 2. DISEÑO DE ANTENAS. 37. 7. Tramo de cable coaxial RG-213: 70 mm 8. Tapones extremos para Boom 18 x18 mm: 2 Los detalles del alimentador se muestran en la figura 2.12.. Figura 2.12: Alimentador de la antena para la banda de 380 – 430 MHz . Antena de 800 – 870 MHz. Para el caso de la antena para la banda de 800 MHz se utiliza otro método de alimentación. En este caso, al operar en la banda UHF, la estructura metálica de la antena es más sensible con la frecuencia. Es por ello que se diseñó un alimentador tipo Gamma con mejor posibilidad de ajuste fino para sintonizar la antena a la banda de trabajo. La ventaja de este alimentador es que usa conectores para panel del tipo N hembra que se tienen en el almacén de la Empresa Antenas de Villa Clara en grandes cantidades a diferencia del de cable coaxial usado por la antena original con gamma plano, pues su forma no permite la colocación de conector de panel..

(49) CAPÍTULO 2. DISEÑO DE ANTENAS. Figura 2.13: Componentes que conforman el alimentador con Adaptador Gamma propuesto: Partes del Alimentador Gamma y Alimentador interior A continuación se listan los materiales que se emplearon. 1. Barra redonda de aluminio de diámetro 8 mm: 160 mm 2. Puente corto-circuito (Chapa de aluminio de 6 – 10 mm): 45 x 25 mm 3. Tubo de aluminio de diámetro 10 mm: 30 mm 4. Tornillos prisioneros M4x5: 2 5. Sellado del tubo gamma con tapón o silicona. 6. Aislante del tubo gamma: 35 mm 7. Tuerca M3 o similar: 1 8. Aislante de fijación del interior del gamma al boom: 1 9. Conector N para panel: 1 10. Conductor interior coaxial: 1 11. Aislante del conductor interior coaxial: 1 12. Separador aislante del interior del gamma: 1 13. Conductor interior del gamma: 45 mm. 38.

(50) CAPÍTULO 2. DISEÑO DE ANTENAS. 39. 2.5 Conclusiones parciales A través del contenido abordado en este capítulo se puede concluir que: 1. La utilización, en el diseño de las antenas Uda - Yagi, de adaptadores de impedancia tipo Gamma Match permite compensar el hecho de que exista una disminución de la impedancia de la antena debido al incremento de la directividad de la misma. 2. Los resultados obtenidos por las simulaciones utilizando el software MMANA-GAL validan el buen comportamiento de las antenas Uda - Yagi diseñadas. 3. Las antenas diseñadas son de factibles en cuanto a su fabricación ya que pueden ser empleados materiales reciclables..

(51) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. 40. CAPÍTULO 3. Resultados y discusión. Luego de concluido el diseño y el análisis de las simulaciones realizadas se lleva a cabo las mediciones prácticas correspondientes. Estas determinan la valides de los resultados alcanzados en la simulación. Se realizaron dos prototipos capaces de cumplir los requerimientos prácticos y tecnológicos. El montaje y las mediciones experimentales se realizaron en la Empresa de Antenas de Villa Clara. 3.1 Equipamiento usado en las mediciones 1. Se empleó cable coaxial de 50 Ω modelo RG 213-u con conector n en la punta. 2. Antena dipolo de 2.15 dBi (el panel solo se utilizó para lograr un patrón directivo para las mediciones). 3. Analizador de Espectro DEVISER DSA-8853T con las siguientes especificaciones: . Margen de frecuencia de 500 KHz – 3000 MHz.. . Margen de Amplitud de -130 dBm hasta +30 dBm.. . Resolución desde 1 KHz hasta 3 MHz.. . Precisión de ancho de banda ˂ ± 10%.. . Ganancia del preamplificador de amplitud interno 15 dB.. . Entrada RF 50/75 Ω.. . Selección de canales por frecuencia o por canal.. . Modo multicanal hasta 8 canales.. . Salida de video VGA..

(52) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. . Rango de sintonía CATV de 5 MHz a 3000 MHz.. . Resolución de pantalla de 640 x 480 píxeles.. . Teclado para ajustes de frecuencia precisos y reproductibles.. . Oscilador de referencia compensado en temperatura y de alta estabilidad.. . Puerto USB 1.1 y RS-232. 41. 3.2 Método de medición Para realizar las mediciones se empleo el método de las dos antenas. Existen dos variantes basados en la medición de dos antenas que pueden emplearse para determinar la ganancia de las mismas: el de ganancia absoluta y el de ganancia de referencia. El de ganancia absoluta se utiliza para calibrar antenas que pueden utilizarse como ‘patrón’ en mediciones de ganancia, de tal manera que se evita el conocimiento previo de la ganancia de las antenas. En este método se utilizan dos antenas ‘idénticas’ y se supone que las dos antenas tienen la misma ganancia, lo cual representa una desventaja. Por otro lado, el método de ganancia de referencia se emplea una antena conocida ‘patrón’ para determinar la ganancia de la antena bajo prueba. Para la medición de ganancia mediante este método, se considera la figura 3.1, en donde el generador de señales envía una portadora de RF a la frecuencia de medición con una potencia Pt de valor fijo, la cual se establece siguiendo la trayectoria de calibración que conecta al generador con un analizador de espectro. Una vez calibrado, se conectan las antenas y se realiza la medición de la potencia recibida Pr. Para ello, las antenas deberán estar separadas una distancia mayor a la requerida para operar en el campo lejano Ff (Far field) con el fin de reducir los efectos de proximidad y multitrayectorias, la cual se obtiene de: (3.1) Donde Dmax es la dimensión mayor de la antena y λ la longitud de onda en metros..