SIMULACION ANTENA MICROSTRIP TDT PARA ANDROID
David Aurelio Cetina Pinilla Edgard Guillermo Ortega Romero
Ferney Rodriguez Corredor Fredy Vargas Guevara
Fundación Universitaria Unipanamericana – Compensar Facultad de Ingeniería, Ingeniería de Telecomunicaciones
Bogotá, Colombia 2017
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de:
Ingeniero de Telecomunicaciones
Director (a):
Título (Ingeniero electrónico) Félix Julián Gutiérrez Bernal
Línea de Investigación:
Redes, telemática y telecomunicaciones
Fundación Universitaria Unipanamericana – Compensar Facultad de Ingeniería, Ingeniería de Telecomunicaciones
Bogotá, Colombia 2017
Dedicatoria
“ Dedico este trabajo a todos los que me apoyaron en esta travesía tan grande que por fin llega a su destino, a aquellos que no me dejaron desfallecer cuando no tenía fuerza y los que me dieron una voz de aliento cuando la necesitaba, a mis padres que desde el cielo me cuidan y sé que están orgullosos de mí, a mi esposa que ha sido el motor de mi vida, a mis hijos que me dan la fuerza para seguir a delante y a mi familia que a pesar de todo familia es familia.”
David A. Cetina Pinilla
“Dedico este trabajo de grado a mis padres y hermana que desde el cielo son testigos de este sueño hecho realidad, a mi esposa por su compañía y apoyo, a mis sobrinos porque nunca es tarde para llegar a la meta Y a Dios porque solo con su beneplácito sigo adelante”.
Edgard Guillermo Ortega Romero.
“Dedico este proyecto de grado a mi familia, pues gracias a su apoyo logré finalizar el ciclo profesional de mi carrera como ingeniero de una manera exitosa, a mi hija quien es mi razón de ser, a mi pareja Milena Alvarado quien me dio su constante apoyo y amor incondicional y también fuente de sabiduría, calma y consejo en todo momento, a mi primo Orlando Corredor por creer en mis capacidades y aptitudes, dándome el mejor consejo que he podido recibir, a mis compañeros, quienes sin esperar nada a cambio compartieron su conocimiento, alegrías y tristezas y a todas aquellas personas que durante todo este tiempo estuvieron apoyándome y lograron que este sueño se haga realidad”.
Ferney Rodríguez Corredor
Dedico este trabajo y todo el tiempo implicado a él, a mi esposa e hija ya que gracias a su apoyo y comprensión he logrado completar y consagrar cada aporte a este proyecto, lo dedico a mi familia que es el centro de gravedad de mi vida.
Fredy Vargas Guevara
Agradecimientos
Agradezco a Dios por las oportunidades que me ha dado, a mis padres que desde el cielo me protegen todos los días, a mi esposa que es el motor de mi vida y a mis hijos que son la fuerza que me impulsa día a día a seguir adelante.
David A. Cetina Pinilla.
Agradezco a Dios ser maravilloso, que me dio fe y fuerza para seguir adelante y me guio para poder terminar mi carrera profesional.
A mi familia por su apoyo y comprensión en los momentos difíciles.
Al Ing. Félix Julián Gutiérrez por su apoyo constante.
A todos los docentes que con su esfuerzo, dedicación y constancia me guiaron por cada una de las asignaturas para ser un excelente profesional.
Ferney Rodríguez Corredor
Agradezco a mis madres y hermanas que siempre han estado presente para darme la moral y empuje que he requerido para salir a delante en cada adversidad ,agradezco a mis compañeros de estudio maestro quien sin sus manos y conocimientos no se hubiera logrado culminar este viaje este proceso de vida, que sin duda será base para todas las cosas que queremos, agradezco cada momento anécdota risa ira que guardare cada vez que piense, que las cosas son difíciles pero aun así hay que continuar y salir a delante porque cada experiencia nos fortalece como persona como ser humano y que la satisfacción más grande es sentirse orgulloso de sigo mismo cuando un objetivo se ha logrado.
Fredy Vargas Guevara
Declaración
Los autores certifican que el presente trabajo es de su autoría, para su elaboración se han respetado las normas de citación tipo APA, de fuentes textuales y de parafraseo de la misma forma que las cita de citas y se declara que ninguna copia textual supera las 400 palabras. Por tanto, no se ha incurrido en ninguna forma de plagio, ni por similitud ni por identidad. Los autores son responsables del contenido y de los juicios y opiniones emitidas.
Se autoriza a los interesados a consultar y reproducir parcialmente el contenido del trabajo de investigación titulado Antena microstrip TDT para Android, siempre que se haga la respectiva cita bibliográfica que dé crédito al trabajo, sus autores y otros.
Investigadores:
DAVID AURELIO CETINA PINILLA
EDGARD GUILLERMO ORTEGA ROMERO
FERNEY RODRIGUEZ CORREDOR
FREDY VARGAS GUEVARA
Resumen
Debido a que en la actualidad se puede acceder a la señal de TDT en Colombia desde un puntos fijos como casa oficina o establecimientos comerciales pero no es posible recibir la señal en puntos móviles como autos, transporte público o zonas de esparcimiento al aire libre, por esto el usuario o individuo no satisface su necesidad de entretenimiento e información aun teniendo un dispositivo móvil.
En virtud de lo estipulado en la constitución acerca del derecho fundamental que tienen los individuos al acceso a la información, se evidencia que a un no se garantiza este derecho en zonas alejadas de las metrópolis colombianas, pero se puede dar solución a esta problemática mediante la utilización de la antena microstrip.
Este proyecto ayudará a evidenciar mediante una simulación en CST de una antena que se utilizaría para captar la señal TDT y poder ser vista en celulares con sistema operativo ANDROI dejando la viabilidad de fabricar comercializar o difundir este tipo de tecnología para las poblaciones que no tienen acceso a una red satelital o de TDT con buen cubrimiento pero si tienen acceso a un celular que puede recibir la señal mediante esta antena.
Captar señales a gran velocidad, con una transferencia de datos y una imagen de nitidez completa.
Palabras clave: Antena, microstrip, TDT, Android, dispositivos móviles, simulación, SIW, CST
Abstract
Because the TDT signal can now be accessed from a fixed point such as home, office or commercial establishments, and it is not possible to receive the signal at mobile points such as cars, public transport or free-range areas, the end user or Individual does not satisfy his need for entertainment even while having a mobile device.
According to the constitution on the fundamental right that individuals have to access to information, it is evident that this right is not guaranteed in areas far from the Colombian metropolis, but a solution can be given to this problem through the use of The microstrip antenna.
Thisproject will help to demonstrate by means of a simulation in CST of an antenna that would be used to capture the DTT signal and to be able to be seen in cellular with operating system ANDRO.
Leaving it viable to manufacture or commercialize this type of technology for populations that do not have access to a satellite or TDT network with good coverage but if, they have access to a mobile device that can receive the signal through this antenna.
Capture signals at high speed, with data transfer and a complete sharpness image.
Keywords: Antenna, microstrip, TDT, Android, mobile devices, SIW, CST
Contenido
DEDICATORIA ... IV AGRADECIMIENTOS ... V RESUMEN ... VII LISTA DE FIGURAS ... XI LISTA DE TABLAS ... XIVII
LISTA DE SÍMBOLOS Y ABREVIATURAS ... 15
INTRODUCCIÓN ... 175
ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN ... 16
OBJETIVO GENERAL ... 17
OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 17
ALCANCES Y LIMITACIONES ... 18
MARCO TEÓRICO ... 21
1. LAS ANTENAS ... 22
1.1 TIPOS DE ANTENAS ... 22
1.3 ANTENAS DE HILO ... 24
1.4 ANTENAS YAGI-UDA ... 25
1.5 ANTENA HELICOIDAL ... 26
1.6 ANTENA PERIODICA-LOGARITMICA ... 27
1.7 ANTENAS DE APERTURA ... 28
1.8 ANTENAS PLANAS ... 29
1.9 ANTENAS CON REFLECTOR (PARABÓLICAS) ... 30
1.10 ANTENAS DE COMUNICACIONES MÓVILES Y SATELITALES ... 31
1.10.1 OFFSET ... 31
1.10.2 CASSEGRAIN ... 32
1.10.3 ARRAYS ... 33
1.11 ANTENAS INTELIGENTES ... 34
2. TDT TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE. ... 35
2.1 COBERTURA DE TDT EN COLOMBIA ... 35
2.2 QUE SE NECESITA PARA RECIBIR LA SEÑAL TDT ... 36
2.3 ESTÁNDAR DVD –T2 DIGITAL VIDEO BROADCASTING - TERRESTRIAL: ... 36
2.4 LÍNEA DEL TIEMPO TDT ... 37
2.5 FRECUENCIAS TDT EN COLOMBIA ... 38
3. LONGITUD DE ONDA ... 40
3.1 ECUACIÓN DE LA LONGITUD DE ONDA ... 41
3.2 REPRESENTACIÓN ... 41
3.3 LONGITUD DE ONDA DE LAS RADIACIONES ELECTROMAGNÉTICAS ... 41
3.4 BANDA DE FRECUENCIAS ... 43
3.5 FRECUENCIAS UTILIZADAS EN COLOMBIA ... 44
4. PARÁMETROS RELEVANTES DE ANTENAS ... 45
4.1 IMPEDANCIA ... 45
4.2 INTENSIDAD DE RADIACIÓN ... 46
4.3 SISTEMA DE COORDENADAS ESFÉRICO ... 47
4.4 DIAGRAMA DE RADIACIÓN... 48
4.5 DIRECTIVIDAD ... 51
4.6 GANANCIA ... 52
4.7 EFICIENCIA ... 52
4.8 POLARIZACIÓN ... 54
4.9 ANCHO DE BANDA ... 55
4.10 ADAPTACIÓN ... 56
4.11 DENSIDAD DE POTENCIA RADIADA ... 57
5. LÍNEAS MICROSTRIP ... 58
5.1 ORIGEN ... 58
5.2 TIPOS DE ONDAS EN LAS LÍNEAS DE MICROSTRIP ... 59
5.2.1 LAS ONDAS ESPACIALES ... 59
5.2.2 LAS ONDAS SUPERFICIALES ... 60
5.2.3 LAS ONDAS DE FUGA ... 60
5.2.4 LAS ONDAS GUIADAS ... 61
5.3 REQUERIMIENTOS PARA CIRCUITOS Y ANTENAS ... 61
5.4 CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS DE MICROSTRIP ... 62
5.5 MÉTODOS DE ANÁLISIS ... 64
5.5.1 MODELOS EMPÍRICOS ... 64
5.5.2 MODELOS SEMI-EMPÍRICOS ... 65
5.5.3 MODELOS DE ONDA COMPLETA ... 65
5.5.4 MODELO DE LÍNEA DE TRANSMISIÓN ... 66
5.6 MÉTODOS TÍPICOS DE ALIMENTACIÓN DE ANTENAS TIPO PARCHE ... 68
5.6.1 ALIMENTACIÓN DIRECTA ... 69
5.6.1.1 ALIMENTACIÓN POR MICROSTRIP ... 69
5.6.1.2 ALIMENTACIÓN DIRECTA CON SONDA COAXIAL... 70
5.6.2 ALIMENTACIÓN POR PROXIMIDAD ... 70
5.6.3 ALIMENTACIÓN POR APERTURA ... 71
5.6.4 ALIMENTACIÓN CON SUBSTRATE INTEGRATED WAVEGUIDE ... 72
5.7 ANTENAS TIPO PARCHE ... 73
5.7.1 FORMAS DEL PARCHE... 74
6. SUBSTRATE INTEGRATED WAVEGUIDE (SIW) ... 75
6.1 DEFINICIÓN... 75
6.2 COMPOSICIÓN DE UNA SIW ... 76
6.3 MODOS DE PROPAGACIÓN DE LA ONDA ... 78
6.4 REPRESENTACIÓN TEMN ... 78
6.5 REGLAS DE DISEÑO PARA (SIW) RESUMIDAS ... 80
6.6 ESTRUCTURA SIW EN ACOPLE CON ANTENA MICROSTRIP ... 82
7. SISTEMA OPERATIVO ANDROID PARA CELULARES ... 83
8. HERRAMIENTA DE SIMULACIÓN CST MICROWAVE... 84
8.1 USO DE CST STUDIO ... 84
8.2 PORQUE UTILIZAR CST STUDIO ... 90
9. SIMULACIÓN DE ANTENA A 520 MHZ ... 90
9.1 SIMULACIÓN DE ANTENA A 520 MHZ. ... 90
9.2 GENERACIÓN DE MODELO DE ANTENA 500 MHZ Y 520 MHZ CON SIW PARA ALIMENTACIÓN ... 94
10. CONCLUSIONES PARCIALES ... 106
11. BIBLIOGRAFÍA ... 107
Lista de figuras
Figura 1 Antena Isotrópica (“TEORÍA DE ANTENAS | Todo Antenas Ek,” n.d.) ... 23
Figura 2 Antena de hilo – Dipolo (“Trabajo de antena,” 2013) ... 24
Figura 3 Antena Yagui (Cardona, 2012) ... 25
Figura 4 Antena Helicoidal(“helicoidal,” 2014) ... 26
Figura 5 Antena Periodica-Logaritmica(Ovalle, 2015) ... 27
Figura 6 Antena de Apertura(Corral, 2012)... 28
Figura 7 Antena Plana(Eutelsat, 2014) ... 29
Figura 8 Antena con reflector(“TELECOMUNICACIONES - ANTENAS,” 2013)... 30
Figura 9 Antena Offset(Cardona, 2012) ... 31
Figura 10 Antena Cassegrain(Corral, 2012) ... 32
Figura 11 Antena Array(Ovalle, 2015) ... 33
Figura 12 Aplicaciones antenas inteligentes (Eutelsat, 2014) ... 34
Figura 13 Canales de televisión y radiales que se pueden sintonizar con la TDT en Colombia ... 39
Figura 14 Longitud de onda (Simon Haykin, 1988) ... 40
Figura 15 Radiación de una antena (Balanis, 1997) ... 47
Figura 16 Diagrama tridimensional de una antena.(Pozar, 2005) ... 49
Figura 17 Coordenadas polares y cartesianas (Zhou et al., 2015) ... 50
Figura 18 Clasificación general de antenas(Pozar, 2005)... 51
Figura 19 Tipos de polarización ... 55
Figura 20 Esquema de la fuente de transmisión conectada a la antena.(Yuwono, 2015) ... 56
Figura 21 Estructura de una antena de microstrip.(Alvaro & Escolano, n.d.) ... 62
Figura 22 Patrón de radiación de una antena de parche. a) Campo eléctrico (E) y b) campo magnético (H).(Cabedo, Pérez, & Vicent, 2006) ... 63
Figura 23 Modelo de línea de transmisión de una antena.(“capitulo3,” n.d.) ... 66
Figura 24 Fringing effects en una antena de parche rectangular.(Waveguide, 1994) ... 67
Figura 25 Alimentaciones por microstrip: a) Conexión directa de la línea de microstrip a la antena y b) conexión de línea de microstrip con inserciones ... 69
Figura 26 Alimentación por sonda de cable coaxial ... 70
Figura 27 Alimentación por el método de proximidad(“capitulo3,” n.d.) ... 71
Figura 28 Alimentación por apertura (“capitulo3,” n.d.) ... 72
Figura 29 Vista superior de la estructura SIW para alimentar a la antena(Nawaz, Huiling, & Kashif, n.d.) ... 73
Figura 30 Formas de antena tipo parche (Nawaz et al., n.d.) ... 74
Figura 31 Estructura SIW (Nawaz et al., n.d.) ... 76
Figura 32 Alimentación entre SIW y Microstrip (Nawaz et al., n.d.) ... 77
Figura 33 Representación sistema TE (Nawaz et al., n.d.) ... 78
Figura 34 Guías de onda convencional (Nawaz et al., n.d.) ... 79
Figura 35 Diseño para SIW (Cabedo et al., 2006) ... 80
Figura 36 Estructura SIW en acople con antena microstrip (Cabedo et al., 2006) ... 82
Figura 37 Logotipo de Android (“Logo de Android,” 2015) ... 83
Figura 38 Creación de una nueva antena en CST ... 85
Figura 39 Creación de una nueva antena en CST ... 86
Figura 40 Parametrizacion de componente tierra. ... 87
Figura 41 Parametrizacion componente parche ... 87
Figura 42 Parametrizacion componente sustrato. ... 87
Figura 43 Alimentación de la antena ... 88
Figura 44 Alimentación de la antena ... 88
Figura 45 Fijar el puerto de estimulacion a la antena ... 89
Figura 46 Diagrama de Radiacion de la antena simulada ... 89
Figura 47 Parámetros para construir la antena ... 91
Figura 48 Parámetros para construir la antena ... 91
Figura 49 Construcción antena parche y sustrato ... 92
Figura 50 Alimentación antena ... 92
Figura 51 Verificar ancho de banda de la antena ... 93
Figura 52 Diagrama de radiación de la antena ... 93
Figura 53 Diagrama de radiación de la antena ... 94
Figura 54 Creación de parámetros en Excel ... 95
Figura 55 Creación de parámetros en Excel ... 95
Figura 56 Resultado de parámetros ... 96
Figura 57 Configuración CST para la simulación de la antena ... 96
Figura 58 Configuración CST para la simulación de la antena ... 97
Figura 59 Configuración CST para la simulación de la antena ... 97
Figura 60 Se configura en milímetros para facilitar nuestro trabajo. ... 98
Figura 61 Parámetros ingresados para realizar la antena ... 98
Figura 62 Esquema antena ... 99
Figura 63 Tierra en material dieléctrico ... 100
Figura 64 Tierra en material dialectrico ... 100
Figura 65 Sustrato ... 101
Figura 66 Componentes de la antena ... 101
Figura 67 La antena y sus componentes ... 102
Figura 68 Parametros S de la antena de 520 Mhz ... 103
Figura 69 Variando sus datos a antena de 500 Mhz podemos observar los cambios y variaciones ... 103
Figura 70 Aquí concluimos que nuestro Cálculos están siendo eficaces. ... 104
Figura 71 Construcción SIW... 105
Lista de tablas
Tabla 1 Línea del tiempo TDT ... 37
Tabla 2 Longitud de onda de las radiaciones electromagnéticas ... 42
Tabla 3 Longitud de onda de acuerdo a la frecuencia y la banda ... 43
Tabla 4 Frecuencias utilizadas en Colombia ... 44
Lista de Símbolos y abreviaturas
Esta sección es opcional, dado que existen disciplinas que no manejan símbolos y/o abreviaturas. Se incluyen símbolos generales (con letras latinas y griegas), subíndices, superíndices y abreviaturas (incluir sólo las clases de símbolos que se utilicen). Cada una de estas listas debe estar ubicada en orden alfabético de acuerdo con la primera letra del símbolo (en esta plantilla, el título del tipo de símbolo está en letra Cambria de 14 puntos y en negrilla). Para escribir la definición en las tablas, se puede usar la herramienta de referencia cruzada (para textos editados en Microsoft Word). A continuación, se presentan algunos ejemplos.
Símbolos con letras latinas
Símbolo Término Unidad SI Definición
A Área m2 ∬ 𝑑𝑥 𝑑𝑦
V Velocidad 𝑚𝑠 ∆𝑠
H Altura de la antena m Ec. 3.2 ∆𝑡
f0 Frecuencia de operación Hz Ec. 3.6
A Coeficiente 1 Tabla 3-1
Símbolos con letras griegas
Símbolo Término Unidad SI Definición
𝜇0 Permeabilidad Magnética del vacío 𝑁𝐴−2 𝐵
⁄ 𝐻 𝜔0 Frecuencia de corte del filtro 𝑟𝑎𝑑 𝑠𝑒𝑔⁄ Ec. 3.3
ϒ Potencia de Radiación 1 Sección 3.2
Η Coeficiente 1 Figura 3-1
Subíndices
Subíndice Término
Bm Materia orgánica T Resultados en el tiempo
E Experimental
Superíndices
Superíndice Término
N Exponente, potencia
Abreviaturas
Abreviatura Término
1.LT Primera ley de la termodinámica DF Dimension fundamental
WWW World Wide Web
IPSEC Internet Protocol Security IIS Internet Information Services
Introducción
En Colombia se evidencia la marcada intención de parte de los sectores gubernamentales de incluir en la agenda de cada ente como lo son la presidencia de la república, los ministerios, agencias, alcaldías y demás oficinas, la implementación de la TDT como medio de comunicación para garantizar el derecho fundamental a la información y los medios de comunicación para toda la población del territorio colombiano.
Este trabajo de investigación tiene una importancia para el desarrollo de tecnologías para celulares y dispositivos móviles que facilitarán la implementación de la cobertura de la TDT en zonas de difícil acceso o de problemas de orden público.
El grupo de investigadores elige el tema de acuerdo con los resultados presentados en el informe de gestión 2016 del Ministerio de Tecnologías de la Información y comunicación donde se establece que en los programas venideros se incluye como renglón importante la implementación de la señal de TDT y nuevos dispositivos receptores de la señal.
La problemática está dada en las poblaciones de escasos recursos o de zonas alejadas, también para efectos de desarrollo y puesta a prueba está dada la población flotante de un sector como Teusaquillo donde proliferan las empresas y establecimientos educativos que no proveen servicio de televisión para este tipo de población y que sería una solución de bajo costo y fácil implementación Para conseguir los resultados esperados se formulan los objetivos que permiten delimitar las metas a conseguir en este orden son: Diseñar una antena microstrip para la recepción de señal TDT bajo el estándar DVB-T2 que funcione en dispositivos móviles con un sistema operativo Android y realizar una simulación, mediante el software "CST- Computer Simulation Technology".
El cual demostrará el funcionamiento adecuado de la tecnología. Y los objetivos específicos que permiten diseñar, simular y evaluar este tipo de antena propuesta.
La metodología utilizada es de tipo experimental con un enfoque muy marcado en el diseño y la simulación, debido a la naturaleza de la investigación no se pretende entregar un prototipo real, lo que permite observar la futura viabilidad de un proyecto que realice un prototipo de antena microstrip para dispositivos móviles.
Antecedentes y Justificación
Para cubrir la necesidad de los colombianos de poblaciones alejadas de los centros urbanos se hace necesaria una solución acorde con lo establecido en la Constitución Política de Colombia, como se mencionó en anteriormente en la definición del problema; de esta forma se hace parte de la iniciativa del Ministerio de Tecnologías de la Información y Telecomunicaciones de logar la meta de cobertura del 70% aproximadamente y se puede garantizar un acceso a bajo costo para la televisión TDT que es mucho más fácil de implementar en zonas de difícil acceso y geografía. (Ministerio de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones, 2016).
Debido a que en la actualidad se puede acceder a la señal TDT desde un punto fijo como casa, oficina o establecimientos comerciales, y no es posible recibir la señal en puntos móviles como automóviles, transporte público o zonas de esparcimiento libre, el usuario final o individuo no satisface su necesidad de entretenimiento aun teniendo un dispositivo móvil.
El proyecto es viable porque se diseñara una antena para la captura de la señal TDT desde un dispositivo móvil con sistema operativo Android, el objetivo es poder acceder de forma gratuita a esta señal, por medio de una antena microstrip conectada a dispositivos móviles.
Para efectos de delimitar este proyecto a una zona específica se toma la localidad de Teusaquillo de la ciudad de Bogotá D.C.
Gratuidad en el servicio de TDT digital mediante el uso de la antena microstrip para celular donde los recursos son escasos.
Objetivo General
Diseñar una antena microstrip para la recepción de señal TDT bajo el estándar DVB-T2 que funcione en dispositivos móviles con un sistema operativo Android y realizar una simulación, mediante el software "CST- Computer Simulation Technology", el cual demostrará el funcionamiento adecuado de la tecnología.
Objetivos Específicos
Establecer la metodología de diseño de un prototipo de desarrollo tecnológico para lograr hacer un modelo real de la antena propuesta.
Consultar la bibliografía referente a los temas relacionados con microondas, parámetros de dispersión, teoría de antenas, parámetros ,redes de radiofrecuencia, los sistemas operativos Android para celulares y su incidencia en la recepción de la señal de TDT, con lo cual se forma un marco de referencia para cimentar el proyecto de investigación.
Diseñar una antena plana con base en los conceptos citados anteriormente de manera tal que el resultado sea una simulación de la antena que se pretende elaborar en materiales adecuados para ser utilizados en dispositivos móviles con sistema operativo Android.
Con el diseño realizado lograr la simulación de la antena, teniendo el software "CST- Computer Simulation Technology".
Alcances y Limitaciones
Los métodos que serán utilizados en esta investigación y que se evidencian en la disposición de los contenidos son: una búsqueda documental de información que permite establecer los criterios de diseño, los requerimientos técnicos y de materiales que pudieran ser necesarios, un diseño propuesto para la antena y finalmente con los datos obtenidos en la parte de recopilación y documentación, añadiendo las variables descritas en el diseño se hace una simulación en "CST-Computer Simulation Technology"
Hay ciertas limitaciones como los costos de fabricación de un prototipo que no son viables en el desarrollo de la presente investigación, los sitios donde se fabrican estas antenas no tienen un proceso de hechura por encargo lo cual no permite hacer los implementos básicos para lograr una antena con las especificaciones que se proponen en el diseño. Por la razón expuesta se procede a hacer una simulación de la tecnología descrita que dará como resultado unos lineamientos de viabilidad mediante un resultado probable dentro de las variables establecidas en el software "CST-Computer Simulation Technology”. Simulación de funcionamiento de una antena microstrip para TDT.
Solo se realiza la puesta en marcha de la simulación. Se utilizará el software “CST-Computer Simulation Technology”. Solo se tendrá en cuenta el sistema operativo Android
Utilizar el sistema de alimentación para antenas tipo parche “SIW” Sustrated Integrated Waveguide que perfeccionara el rendimiento de nuestra antena
Marco teórico
Teniendo en cuenta la información referente al diseño de antenas para TDT, como dice Melo (2011):"la definición formal de una antena es un dispositivo que sirve para transmitir y recibir ondas de radio". La antena se puede modificar en su diseño para logar el tamaño deseado, para lograr el objetivo del presente diseño.
En virtud de lo expresado por la Comisión de Regulación de Comunicaciones en cuanto la definición de las especificaciones técnicas para implementar el estándar DVB-T2 para Colombia. (Comisión de Regulación de Comunicaciones de Colombia, 2012) donde se mencionan todos los parámetros necesarios para la comercialización y fabricación de esta tecnología.
Según el documento CONPES 3815 de octubre de 2014, en la agenda nacional descrita mediante el Plan Nacional de Desarrollo 2010 – 2014 se contempla garantizar el derecho al acceso de la información y las tecnologías de todos los colombianos, para este fin se implementó la tecnología TDT digital en combinación con la tecnología satelital que hace parte de del Plan Vive Digital 2014 –2018.
A manera de conclusión se puede decir que el avance tecnológico que han sufrido las telecomunicaciones en Colombia con la adopción del estándar DVB-T2 a partir del año 2011 y con una cobertura actual del 76.95% en el territorio nacional, la TDT nos ofrece mayor realidad en el contenido gracias a su señal de alta calidad, a su vez ofrece interactividad en tiempo real, será una competencia para la televisión por suscripción, lo que llevara a los operadores a ofrecer mejores servicios y reducir sus tarifas sustentado en que esta señal es gratuita y aporta un beneficio para todos por igual.
1. Las antenas
Una antena es un dispositivo formado por uno o varios conductores metálicos, capaz de emitir o recibir ondas electromagnéticas. Una antena transmisora convierte voltajes en ondas electromagnéticas, y una receptora realiza la función inversa.(Zhou, Terminal, & Team, 2015)
1.1 Tipos de antenas
Existe una gran diversidad de tipos de antena, dependiendo del uso a que van a ser destinadas. En unos casos deben expandir en lo posible la potencia radiada, es decir, no deben ser directivas (ejemplo: una emisora de radio o una estación base de teléfonos móviles), otras veces deben serlo para canalizar la potencia y no interferir a otros servicios (antenas entre estaciones de radio enlaces). El tamaño de las antenas está relacionado con la longitud de onda (λ) de la señal de radiofrecuencia transmitida o recibida, debiendo ser, en general, un múltiplo o submúltiplo exacto de esta longitud de onda y es por eso que, a medida que se van utilizando frecuencias mayores, las antenas disminuyen su tamaño. Si las dimensiones de la antena son mucho más pequeñas que la longitud de onda, las antenas se denominan elementales. La longitud de las antenas resonantes (cuando se anula su reactancia de entrada) es un múltiplo entero de la semilongitud de onda.(Huidobro, 2013)
1.2 Antena isotrópica
La antena isotrópica es una antena hipotética sin pérdida (se refiere a que el área física es cero y por lo tanto no hay pérdidas por disipación de calor) que tiene intensidad de radiación igual en todas direcciones. (IEEE Standard Dictionary of Electrical and Electronic Terms, 1979). Sirve de base de referencia para evaluar la directividad. La antena isotrópica no es una antena, sino un concepto de referencia para evaluar a las antenas en su función de concentración de energía y a las pérdidas por propagación en el espacio libre en los enlaces de radiofrecuencia. Su patrón de radiación es una esfera. Cada aplicación y cada banda de frecuencia presentan características peculiares que dan origen a unos tipos de antenas especiales muy diversas. Los tipos más comunes de antenas son los que se explican en los siguientes apartados.(Huidobro, 2013)
Figura 1 Antena Isotrópica (“TEORÍA DE ANTENAS | Todo Antenas Ek,” n.d.)
1.3 Antenas de hilo
Las antenas de hilo están formadas por hilos conductores, eléctricamente delgados, cuyo diámetros << λ. Se modelan como un conductor de sección infinitesimal. Pueden estar formadas por hilos rectos (dipolos, rombos), espirales (circular, cuadrada o cualquier forma arbitraria) y hélices.se muestran algunos tipos ampliamente empleados en radiocomunicaciones.
El tipo más común son las antenas de dipolo. Esta clase de antena es la más sencilla de todas.
El dipolo de media onda o antena de Hertz –el tipo más común– consiste en un hilo conductor de media longitud de onda a la frecuencia de trabajo, cortado por la mitad, en cuyo centro se coloca un generador o una línea de transmisión. Suelen estar fabricados de aluminio o cobre.(Huidobro, 2013)
Figura 2 Antena de hilo – Dipolo (“Trabajo de antena,” 2013)
1.4 Antenas yagi-uda
Una aplicación práctica de este tipo de antenas, es el de las antenas tipo yagi-uda (directivas), ampliamente utilizadas, por ejemplo, para la recepción de señales de televisión en la banda de UHF, ya que poseen una gran directividad, tanto mayor cuanto mayor sea el número de elementos pasivos (parásitos) que incorpore y así su ganancia es la adecuada para recibir el nivel de señal suficiente para que pueda ser amplificado sin problemas. En la figura 9 podemos ver la imagen de una de ellas, que seguro que nos resultará muy familiar a todos, ya que es la típica antena de recepción de televisión. Su ganancia y directividad dependerá del número de elementos reflectores, cuantos más, mejor, y puede cubrir toda la gama de canales de UHF, desde el 21 al 69. La antena Yagi es pues una antena capaz de concentrar la mayor parte de la energía radiada de manera localizada, aumentando así la potencia emitida hacia el receptor o recibida desde la fuente y evitando interferencias introducidas por fuentes no deseadas.(Huidobro, 2013)
Figura 3 Antena Yagui (Cardona, 2012)
1.5 Antena helicoidal
Es un tipo de antena que presenta un comportamiento de banda ancha. Una hélice es el resultado de bobinar un hilo conductor sobre un cilindro de diámetro constante. Los parámetros geométricos de diseño de una hélice son su diámetro, la separación entre dos vueltas o paso de la hélice, el número de vueltas, el diámetro del hilo y el sentido del bobinado (a derechas o izquierdas).(Huidobro, 2013)
Figura 4 Antena Helicoidal(“helicoidal,” 2014)
1.6 Antena periodica-logaritmica
Un grupo de antenas dipolos unidas y alimentadas a través de una línea de transmisión común.
Es una antena multibanda y su respuesta en frecuencia es muy plana, lo que la hace muy interesante en aplicaciones donde el usuario utiliza sistemas en diferentes bandas (por ejemplo, aplicaciones celulares). Debido a estas características, el coste de este tipo de antenas es más elevado que el de las mencionadas anteriormente. El diseño de una antena de este tipo consiste en una figura geométrica básica que se repite, pero con distintos tamaños. 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. Tienen características de banda muy ancha y, por ende, se dice también que son independientes de la frecuencia. Cuando una estación transmite una señal, y la antena se apunta en la dirección necesaria para recibir esa señal, se puede demostrar que sólo uno o dos de los elementos bipolares de la antena reaccionarán a la frecuencia. Todos los demás elementos serán inactivos a esa frecuencia dada, sin embargo, se harán activos para algunas otras frecuencias. En otras palabras, para cualquier frecuencia dada que se reciba, solo se consideran activos uno o dos de los elementos.(Huidobro, 2013)
Figura 5 Antena Periodica-Logaritmica(Ovalle, 2015)
1.7 Antenas de apertura
En estas antenas, la onda radiada se consigue a partir de una distribución de campo soportada por la antena y se suelen excitar por guías de onda. Son antenas de apertura las bocinas (piramidales o cónicas), las aperturas sobre planos y ranuras sobre planos conductores y las guías de onda. En concreto, una bocina es una antena que se utiliza de forma generalizada a frecuencias de microondas, por sus características de gran ancho de banda y por su facilidad de construcción y diseño. Las bocinas se pueden utilizar como antena individual, en forma de agrupaciones, o como alimentador de reflectores o lentes. De acuerdo con la forma de la apertura, las bocinas pueden ser de dos tipos: piramidal y cónica. El empleo de reflectores (superficies planas, parabólicas, hiperbólicas, elípticas) permite optimizar las características de radiación.(Huidobro, 2013)
Figura 6 Antena de Apertura(Corral, 2012)
1.8 Antenas planas
Las antenas planas (microstrip) están formadas por un agrupamiento plano de radiadores (parches) y un circuito que distribuye la señal entre ellos. Su diseño se adecua de forma que la estructura disipe la potencia en forma de radiación. Ambos, parches y circuito, se fabrican utilizando técnicas de fotograbado sobre un sustrato dieléctrico laminado en cobre por ambas superficies. Al ser una tecnología plana, facilita su integración con el resto del sistema, favoreciendo la reducción del tamaño y peso global. Presentan la desventaja de su estrecho ancho de banda, pero actualmente existen numerosos métodos para solventar este inconveniente.(Huidobro, 2013)
Figura 7 Antena Plana(Eutelsat, 2014)
1.9 Antenas con reflector (parabólicas)
En este tipo de antenas la señal emitida/recibida no sale/entra directamente en/del elemento captador, sino que se emite/recoge por/en el mismo una vez reflejada en un elemento pasivo que concentra la señal. En el caso de una antena receptora, su funcionamiento se basa en la reflexión de las ondas electromagnéticas, por la cual las ondas que inciden paralelamente al eje principal se reflejan y van a parar a un punto denominado foco que está centrado en el paraboloide. En cambio, si se trata de una antena emisora, las ondas que emanan del foco (dispositivo de emisión) se ven reflejadas y salen en dirección paralela al eje de la antena.
Básicamente, existen tres tipos básicos de antenas con reflector. Las antenas reflectoras parabólicas proporcionan una ganancia y una directividad extremadamente altas y son muy populares para las microondas y el enlace de comunicaciones por satélite. Una antena parabólica se compone de dos partes principales: un reflector parabólico y elemento activo llamado mecanismo de alimentación. En esencia, el mecanismo de alimentación aloja la antena principal (por lo general un dipolo), que irradia ondas electromagnéticas hacia el reflector. El reflector es un dispositivo pasivo que solo refleja la energía irradiada por el mecanismo de alimentación en una emisión concentrada altamente direccional donde las ondas individuales están todas en fase entre sí (frente de ondas en fase).(Huidobro, 2013)
Figura 8 Antena con reflector(“TELECOMUNICACIONES - ANTENAS,” 2013)
1.10 Antenas de comunicaciones móviles y satelitales
Foco primario la superficie de la antena es un paraboloide de revolución, todas las ondas inciden paralelamente al eje principal, se reflejan, y van a parar al Foco. El Foco está centrado en el paraboloide. Tiene un rendimiento máximo del 60% aproximadamente, es decir, de toda la energía que llega a la superficie de la antena, el 60% llega al foco y se aprovecha; el resto no llega al foco y se pierde. Se suelen ver de tamaño grande, aproximadamente de 1,5 m de diámetro.(Huidobro, 2013)
1.10.1 Offset
Una antena offset está formada por una sección de un reflector paraboloide de forma oval. La superficie de la antena ya no es redonda, sino oval y simétrica (elipse). El punto focal no está montado en el centro del plato, sino desplazado a un lado del mismo (offset), de tal forma que el foco queda fuera de la superficie de la antena. La ventaja de esta tecnología es que la superficie de la antena ya no estará sombreada por el LNB (Lo Noise Block), desde el punto de vista del satélite, y así se recibe algo más de señal.(Huidobro, 2013)
Figura 9 Antena Offset(Cardona, 2012)
1.10.2 Cassegrain
Se caracteriza por llevar un segundo reflector cerca de su foco, el cual refleja la onda radiada desde el dispositivo radiante hacia el reflector en las antenas transmisoras, o refleja la onda recibida desde el reflector hacia el dispositivo detector en las antenas receptoras. Este tipo de antenas presentan una gran directividad, una elevada potencia en el transmisor y un receptor de bajo ruido. Utilizar una gran antena reflectora implica grandes distancias del transmisor al foco (y la imposibilidad de colocar equipos en él) por lo que una solución es emplear un segundo reflector o subreflector.(Huidobro, 2013)
Figura 10 Antena Cassegrain(Corral, 2012)
1.10.3 Arrays
Una antena de arreglo de fase (array) es un grupo de antenas que, cuando se conectan, funcionan como una sola antena cuyo ancho de haz y dirección (o sea, patrón de radiación) puede cambiarse electrónicamente sin tener que mover físicamente ninguna de las antenas individuales. La ventaja principal de este tipo de antenas es que eliminan la necesidad de mover en forma mecánica los elementos de la misma. Una aplicación típica es en radares, donde los patrones de radiación deben ser capaces de cambiar rápidamente para seguir un objeto en movimiento y, últimamente, también en las comunicaciones móviles de 3G y 4G. Se puede controlar –ajusta o cambiar– electrónicamente la amplitud de las corrientes y la fase de cada antena individual, modificando la forma del diagrama de radiación. Además, se puede conseguir que los parámetros de la antena dependan de la señal recibida a través de circuitos asociados a los elementos radiantes, como es el caso de las agrupaciones adaptativas. Hay diferentes tipos: los lineales tienen los elementos dispuestos sobre una línea, mientras que los planos son agrupaciones bidimensionales cuyos elementos están sobre un plano.(Huidobro, 2013)
Figura 11 Antena Array(Ovalle, 2015)
1.11 Antenas inteligentes
Las últimas tendencias en comunicaciones móviles, principalmente con la introducción de la 3G y 4G, sobre todo en Europa, apuntan a la utilización de un nuevo tipo de antenas para mejorar la capacidad y la calidad de los servicios de telecomunicaciones, así como para ofrecer un mayor número de servicios inalámbricos. Todo ello será posible gracias a las antenas inteligentes (smart antennas), que consiguen aumentar la capacidad de conexión a múltiples usuarios simultáneamente con una serie de ventajas que se expondrán a continuación. En esencia, el sistema funciona de tal forma que cuando el usuario se desplaza, o lo hace la señal interferente, se modifica la dirección del lóbulo principal para que se mueva con él y/o se minimice la interferencia y, en el caso en que una estación de radio atienda a varios usuarios simultáneamente, los sistemas permiten transmitir el haz desglosado en varios lóbulos muy directivos, de forma que se reduce la interferencia en la red considerablemente y se incrementa la capacidad en ambos sentidos.(Huidobro, 2013)
Figura 12 Aplicaciones antenas inteligentes (Eutelsat, 2014)
2. TDT televisión digital terrestre.
La digitalización de la señal permite que los canales de televisión ofrezcan nuevas funciones que van más allá de los simples contenidos audiovisuales y que refuerzan la experiencia del televidente, como señal en alta definición, mayor número de canales, guía de programación y closed caption.
Los canales tienen la posibilidad de emitir su señal en Alta Definición (HD). Esto incrementa la calidad de imagen y sonido de las producciones que se trasmiten a través de la TDT. Para disfrutar de la señal en HD, debes contar con un televisor que soporte esta resolución.
La señal de TDT no presenta los problemas de recepción de la señal analógica como ruidos o doble imagen.
La digitalización de la televisión permite usar de forma más eficiente el espectro radioeléctrico y transmitir a través de la misma frecuencia que se utiliza para la señal analógica, más de una señal. El resultado concreto para los televidentes es un aumento en la oferta del número de canales disponibles.(Tdt, Definici, & Definici, n.d.)
2.1 Cobertura de tdt en Colombia
En Colombia actualmente la señal de Televisión Digital Terrestre (TDT) tiene cobertura en 23 capitales de departamento. Los canales privados (Caracol Televisión y Canal RCN) cuentan con una cobertura del 80% y los canales públicos cuentan con una expansión del 70.3%. En total son 537 municipios y ciudades que cuentan con la señal TDT. La expansión de la señal es paulatina y concluye en 2018. Actualmente se encuentran encendidas 60 estaciones que trasmiten la señal digital. Se tiene planeado que en diciembre del 2019 se apagará la señal analógica.(Tdt et al., n.d.)
2.2 Que se necesita para recibir la señal tdt
Los televisores que cuentan con estándar europeo DVB-T2 ya tienen el sintonizador incorporado y sólo requieren una antena.
Si el televisor es convencional (análogo) o digital LCD, LED, Smart TV, (pero no tiene estándar DVB-T2), se debe adquirir un decodificador, junto con una antena. En cualquiera de los casos se necesita una antena aérea UHF para disfrutar la señal TDT.
Recuerda que con el uso del decodificador podrás disfrutar de los programas en alta definición siempre y cuando tu televisor cuente con capacidad de desplegar estas imágenes usando para ello el puerto HDMI para conectar ambos equipos (decodificador y TV).
En caso de que tu televisor no pueda desplegar imágenes de alta definición, podrás disfrutar los contenidos en alta definición visualizados en tu televisor de definición estándar.(Tdt et al., n.d.)
2.3 Estándar DVD –T2 digital video broadcasting - terrestrial:
Es un estándar de televisión digital terrestre que de acuerdo con las especificaciones del espectro de televisión radiodifundida en Colombia, junto con las especificaciones y recomendaciones en cuanto a decodificadores y antenas, permite la compatibilidad de los sistemas, equipos e instalaciones domésticas y los equipos de transmisión(Estrada, 2012)
2.4 Línea del tiempo tdt
En la tabla 1, se encuentra la información cronológica del avance de la TDT en Colombia:
2008 2010 2011 2014 2015 2016 2017 2018 2019
SELECCIÓN DEL ESTANDAR DVB-T
CONSTRUCCION DE LA PRIMERAS ESTACIONES DIGITALES LA CUALES ENTRAN EN OPERACIÓN EL 31/12/2010 EN BOGOTA Y MEDELLIN BAJO EL ESTANDAR DVB-T
SE EXPIDE EL ACUERDO 004 DEL 20 DE DICIEMBRE DE 2011 EN LA CUAL SE ADOPTA EL
ESTANDAR DVB- T2 ARGUMENTADO POR LA CNTV EN QUE SE AUMENTARIA LA CAPACIDAD DE TRANSPORTE, MAYOR
ROBUSTES,MAYOR EFICIENCIA EN LOS AMPLIFICADORES, MENOR
INTERFERENCIA DEL CANAL ADYACENTE Y NUEVOS MODELOS DE NEGOCIO.
APARECE LA RTVC (Radio Televisión Nacional de Colombia) Y SE REALIZA EL PLAN DE EXPANSION LLEGANDO AL 70% DE COBERTURA DEL
TERRITORIO NACIONAL
CON LA AYUDA DE LOS CANALES PRIVADOS SE AUMENTA LA COBERTURA AL 76.95%
DEL
TERRITORIO NACIONAL
CONTINUA LA EXPANSION Y COBERTURA DE LA SEÑAL TDT EN EL TERRITORIO COLOMBIANO
SE ESTIMA QUE EN DICIEMBRE DE ESTE AÑO SE REALICE EL APAGON TOTAL DE LA SEÑAL ANALOGA Y SOLO SE PUEDA SINTONIZAR LA SEÑAL ABIERTA GRATUITA DE TDT
Tabla 1 Línea del tiempo TDT
2.5 Frecuencias TDT en Colombia
En Bogotá, Colombia se puede sintonizar los siguientes canales de televisión y radiales, de acuerdo con la ubicación geográfica:
BLU Radio (solo audio): 473 MHz
Caracol HD: 473 MHz
Caracol HD 2: 473 MHz
Caracol TV: 473 MHz
NTN 24: 479 MHz
RCN HD: 479 MHz
RCN HD 2: 479 MHz
RCN La Fm (solo audio): 479 MHz
RCN La Radio (solo audio): 479 MHz
RCN TV: 479 MHz
Canal Uno HD: 485 MHz
Señal Colombia HD: 485 MHz
Señal Institucional: 485 MHz
Señal Radio Colombia (solo audio): 485 MHz
Señal Radionica (solo audio): 485 MHz
Canal 13: 491 MHz
Citytv: 551 MHz
El Tiempo Televisión: 551 MHz
Canal Capital: 557 MHz
Canal Institucional (DVB-T): 749 MHz
Canal Uno (DVB-T): 749 MHz
Señal Colombia (DVB-T): 749 MHz
Caracol HD (DVB-T): 755 MHz
Caracol TV (DVB-T): 755 MHz
RCN HD (DVB-T): 761 MHz
Figura 13 Canales de televisión y radiales que se pueden sintonizar con la TDT en Colombia
3. Longitud de onda
La distancia existente entre dos crestas o valles consecutivos es lo que llamamos longitud de onda. La longitud de onda de una onda describe cuán larga es la onda. Las ondas de agua en el océano, las ondas de aire, y las ondas de radiación electromagnética tienen longitudes de ondas. La longitud de onda representa la distancia real recorrida por una onda que no siempre coincide con la distancia del medio o de las partículas en que se propaga la onda.(“Longitud de onda,” n.d.)
Figura 14 Longitud de onda (Simon Haykin, 1988)
3.1 Ecuación de la longitud de onda
La letra griega "λ" (lambda) se utiliza para representar la longitud de onda en ecuaciones. La longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia de la onda. Una longitud de onda larga corresponde a una frecuencia baja, mientras que una longitud de onda corta corresponde una frecuencia alta. La unidad de medida de la longitud de onda es el metro, como la de cualquier otra longitud. La longitud de onda puede ser desde muy pequeña, se mide usando desde un nanómetro (milmillonésima parte de un metro) y angstroms (diez mil millonésima parte de un metro) hasta cientos de metros. (“Longitud de onda,” n.d.)
3.2 Representación
𝜆 =𝑐 𝑓
Donde "λ" es la longitud de onda, "c" es la velocidad de propagación de la onda, y "f" es la frecuencia. La longitud de onda y la frecuencia son inversamente proporcionales, es decir, a frecuencias altas longitudes de ondas pequeñas y viceversa. (“Longitud de onda,” n.d.)
3.3 Longitud de onda de las radiaciones electromagnéticas
La longitud de onda de la radiación puede ser desde muy pequeña, en el caso de la llamada radiación gamma, hasta muy grande en las ondas de radio. Se mide, pues, usando desde nanómetros y angstroms hasta cientos de metros, donde un nanómetro es la milmillonésima parte de un metro (1 m = 109 nms) y que un Angstrom es la diez mil millonésima parte de un metro (1 m = 1010 A), por lo que un nanómetro equivale a 10 Angstrom (1nm = 10 A). La luz que recibimos del Sol es radiación electromagnética que se desplaza a 300.000 kms/s, en su totalidad, pero la longitud de onda no es la misma en todos los fotones luminosos, sino que varía entre los 4000 A y los 7000 A, aproximadamente, o lo que es lo mismo, entre los 400 nm y los 700 nm. La luz blanca se descompone, en definitiva, en un espectro de
diferentes bandas coloreadas, cada una definida por una longitud de onda distinta. Así, la luz de menor longitud de onda es la luz violeta, que es de alrededor de unos 4000 Angstroms, y la luz de mayor longitud de onda es la luz roja, que es de alrededor de unos 7000 Angstroms. Las radiaciones de longitud de onda inferior al violeta se llaman radiación ultravioleta, Rayos X, y Rayos Gamma, por orden decreciente en la longitud de onda. Las radiaciones de longitud de onda superior al rojo son las denominadas infrarrojas, microondas y ondas de radio, por orden creciente en longitud de onda. (“Longitud de onda,” n.d.)
TIPO DE RADIACION INTERVALOS DE LAS LONGITUDES DE ONDA Rayos Gamma Inferiores a 10-2 nanómetros
Rayos X Entre 10-2 nanómetros y 15 nanómetros Ultravioleta Entre 15 nanómetros y 4.102 nanómetros Espectro Visible Entre 4.102 nanómetros y 7,8.102 nanómetros Infrarrojo Entre 7,8.102 nanómetros y 106 nanómetros Región de Microondas Entre 106 nanómetros y 3.108 nanómetros Ondas de Radio Mayores de 3.108 nanómetros
Tabla 2 Longitud de onda de las radiaciones electromagnéticas
3.4 Banda de frecuencias
Siendo la longitud de onda en el espacio libre:
𝜆0=𝐶0 𝑓 Donde 𝐶0 es la velocidad de la luz en el vacío.
A las ondas de frecuencias pertenecientes al intervalo de 1 GHz a 300 GHz se les llaman microondas. Para las microondas existe una subdivisión por el amplio uso en la actualidad. En la siguiente tabla se muestra dicha subdivisión. (“Diseño de antenas de tipo parche para un transceptor WiMAX basado en el chip Agradecimientos,” 2014)
BANDA FRECUENCIA LONGITUD DE ONDA
L 1-2 GHz 30-15 cm
S 2-4 GHz 15-7,5 cm
C 4-8 GHz 7,5-3,75 cm X 8-12,4 GHz 3,75-2,42 cm Ku 12,4-18 GHz 2,42-1,66 cm K 18-26,5 GHz 1,66-1,11 cm Ka 26,5-40 GHz 11,1-7,5 mm mm 40-300 GHz 7,5-1 mm
Tabla 3 Longitud de onda de acuerdo a la frecuencia y la banda
3.5 Frecuencias utilizadas en Colombia
En la tabla 4 se identifica la división del espectro electromagnético en Colombia.
NOMBRE DE LA BANDA DE FRECUENCIA
GAMA DE FRECUENCIAS
LONGITUD DE
ONDA (METROS) APLICACIÓN FRECUENCIA
EXTREMADAMENTE BAJA (ELF) 3-30 HZ 10.000-100.000
KM COMUNICACIÓN BAJO EL AGUA SUPER BAJA FRECUENCIA (SLF) 30-300 HZ 1.000-10.000 KM ALIMENTACIÓN DE CA (AUNQUE NO
UNA ONDA DE TRANSMISIÓN) ULTRA BAJA FRECUENCIA
(ULF) 300-3000 HZ 100-1.000 KM
MUY BAJA FRECUENCIA (VLF) 3-30 KHZ 10-100 KM BALIZAS DE NAVEGACIÓN
DE BAJA FRECUENCIA (LF) 30-300 KHZ 1-10 KM RADIO AM
MEDIUM FREQUENCY (MF) 300-3000 KHZ 100-1.000 M AVIACIÓN Y RADIO AM DE ALTA FRECUENCIA (HF) 3-30 MHZ 10-100 M RADIO DE ONDA CORTA MUY ALTA FRECUENCIA (VHF) 30-300 MHZ 1-10 M RADIO FM
ULTRA ALTA FRECUENCIA
(UHF) 300-3000 MHZ 10-100 CM TELEVISIÓN, TELÉFONOS MÓVILES,
GPS SUPER ALTA FRECUENCIA
(SHF) 3-30 GHZ 1-10 CM ENLACES POR SATÉLITE,
COMUNICACIONES INALÁMBRICAS MUY ALTA FRECUENCIA (EHF) 30-300 GHZ 1-10 MM ASTRONOMÍA, TELEDETECCIÓN
VISIBLE DEL ESPECTRO 400-790 THZ (4*10^14-7.9*10^14)
380-750 NM
(NANÓMETROS) OJO HUMANO Tabla 4 Frecuencias utilizadas en Colombia
4. Parámetros relevantes de antenas
Para describir las características de una antena existen varios parámetros básicos. A efectos de definición de los parámetros Pueden ser medidos y definidos de acuerdo con el standard del IEEE 145-1973, y algunos de ellos están relacionados entre sí. (“Diseño de antenas de tipo parche para un transceptor WiMAX basado en el chip Agradecimientos,” 2014)
4.1 Impedancia
La antena ha de conectarse a un transmisor y radiar el máximo de potencia posible con un mínimo de pérdidas en ella. La antena y el transmisor han de adaptarse para una máxima de potencia en el sentido clásico de circuitos. Habitualmente el transmisor se encuentra alejado de la antena y la conexión se hace mediante una línea de transmisión o guía de ondas, que participa también en esa adaptación, debiéndose considerar su impedancia característica, su atenuación y su longitud.
El transmisor produce corrientes y campos que pueden ser medibles en puntos característicos de la antena. En todo el texto los valores de corrientes, tensiones y campos serán eficaces. A la entrada de la antena puede definirse la impedancia de entrada Ze mediante relaciones
tensión-corriente en ese punto. En notación fasorial de régimen permanente sinusoidal poseerá una parte real Re (w) y una imaginaria Xe (w), ambas dependientes en general de la frecuencia. Si Ze no presenta una parte reactiva a una frecuencia, se dice que es una antena resonante. Dado que la antena radia energía, hay una pérdida neta de potencia hacia el espacio debida a radiación, que puede ser asignada a una resistencia de radiación Rr, definida como el valor de la resistencia que disiparía óhmicamente la misma potencia que la radiada por la antena.(Cardama et al., 2002)
Siendo:
Ze= Impedancia de la antena
Re= Resistencia de la antena (parte real) Xe= Reactancia de la antena (parte imaginaria)
𝑃𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑑𝑎= 𝐼2𝑅𝑟
Superpuestas a la radiación tendremos las pérdidas que puedan producirse en la antena, habitualmente óhmicas en los conductores, si bien en las antenas de ferrita también se
producen pérdidas en el núcleo. La potencia entregada a la antena es la suma de las potencias radiada y de pérdidas en la antena. Todas las pérdidas pueden globalizarse en una resistencia de pérdidas RΩ. La resistencia de entrada es la suma de la radiación y pérdidas.
𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑎 = 𝑃𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑑𝑎+ 𝑃𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠= 𝐼2𝑅𝑟+ 𝐼2𝑅Ω
La impedancia de entrada es un parámetro de gran trascendencia, ya que condiciona las tensiones de los generadores que se deben aplicar para obtener determinados valores de corriente en la antena y, en consecuencia, una determinada potencia radiada. Si la parte reactiva es grande, hay que aplicar tensiones elevadas para obtener corrientes apreciables; si la resistencia de radiación es baja, se requieren elevadas corrientes para tener una potencia radiada importante.
La existencia de pérdidas en la antena hace que no toda la potencia entregada por el transmisor sea radiada, por lo que se puede definir un rendimiento o eficiencia de la antena ɳ1 mediante la relación entre la potencia radiada y la entregada, o equivalentemente entre la resistencia de entrada de esa antena, si hubiera sido ideal (sin pérdidas), y la que presenta realmente.
(Cardama et al., 2002)
𝜂𝑙 = 𝑃𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑑𝑎
𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑎 = 𝑅𝑟 𝑅𝑟+ 𝑅Ω
4.2 Intensidad de radiación
Una de las características fundamentales de una antena es su capacidad para radiar con una cierta direccionalidad, es decir, para concentrar la energía radiada en ciertas direcciones del espacio. Por lo tanto será necesario tener una referencia para medir la capacidad. De todos los sistemas de referencia existentes el más utilizado es el de coordenadas esféricas, definido por los vectores unitarios 𝑟, ̂ 𝜃̂ y 𝜑̂, así formando la base ortogonal La orientación de los vectores se determina mediante la intersección de una esfera de radio r, un cono de ángulo q y un semiplano que pasa por el eje z. tal como se muestra en la figura 15. (Cardama et al., 2002)
Figura 15 Radiación de una antena (Balanis, 1997)
4.3 Sistema de coordenadas esférico
La onda electromagnética se compone de un campo eléctrico 𝐸⃗ y uno magnético 𝐻 , ambos ligados por las ecuaciones de Maxwell. A partir la obtención de ambos se puede obtener la densidad de flujo por unidad de superficie de la siguiente manera:
〈𝑆 (𝑟, 𝜃, 𝜑)〉 =1
2𝑅𝑒[𝐸⃗⃗ × 𝐻⃗⃗ ]
Y también se puede obtener la densidad de potencia radiada mediante:
〈𝑆 (𝑟, 𝜃, 𝜑)〉 =|𝐸⃗𝜃|2+ |𝐸⃗𝜑|2 2𝜂0
Donde 𝐸⃗𝜃, 𝐸⃗𝜑 son componentes transversales de campo eléctrico en la dirección de interés, 𝜂 es la impedancia característica del medio.
La intensidad de radiación en una determinada dirección es la potencia radiada por unidad de ángulo sólido, sus unidades son vatios por estereorradián. En el campo lejano se encuentra independiente de la distancia a la que se encuentre la antena, y se expresa como:
𝑈(𝜃, 𝜑) = 〈𝑆 (𝑟, 𝜃, 𝜑)〉𝑟2
Si se integra la densidad de potencia en una superficie esférica que encierre a la antena se obtiene la potencia total radiada por la antena. (Cardama et al., 2002)
𝑃𝑟 = ∬ 𝑈(𝜃, 𝜑)𝑑Λ
.
𝑠
4.4 Diagrama de radiación
El diagrama de radiación de una antena se define como la representación gráfica de las características de radiación en función de la dirección angular o de las coordenadas espaciales, lo más común es representar la intensidad de radiación, aunque también se puede encontrar diagramas de polarización y de fase.
El diagrama de radiación está definido en regiones de campo lejano, aquello que está a distancias de la antena superiores a 𝐷2𝜆02 , donde 𝜆0 es la longitud de onda y D es la dimensión de la antena.
El diagrama de radiación se puede representar en forma tridimensional utilizando técnicas gráficas diversas, como las curvas de nivel o el dibujo en perspectiva, la figura 16 muestra el diagrama tridimensional de una antena y los planos E y H. Los niveles se expresan en decibelios respecto al máximo de radiación. Para antenas linealmente polarizadas se define el plano E
como el que forman la dirección de máxima radiación y el campo eléctrico en dicha dirección.
Análogamente, el plano H es el formado por la dirección de máxima radiación y el campo magnético en dicha dirección. Ambos planos son perpendiculares y su intersección determina una línea que define la dirección de máxima radiación de la antena. (Cardama et al., 2002)
Figura 16 Diagrama tridimensional de una antena.(Pozar, 2005)
También se puede representar el diagrama de radiación es tridimensional en cortes de planos, es decir bidimensional. Para representar el diagrama bidimensional se puede usar:
Coordenadas Cartesianas: se representa el ángulo en abscisas y el campo o la densidad de potencia en ordenadas. Permite observar los detalles en antenas muy directivas, ver figura 17.
Coordenadas Polares: representa la dirección del espacio, mientras que el radio representa la intensidad del campo eléctrico o la densidad de potencia radiada el diagrama polar suministra una información más clara de la distribución de la potencia en las diferentes direcciones del espacio, ver figura 17. (Cardama et al., 2002)
Figura 17 Coordenadas polares y cartesianas (Zhou et al., 2015)
En un diagrama de radiación, como los evidenciados en las figuras anteriores, se aprecia una zona en la que la radiación es máxima, a la que se denomina haz principal o lóbulo principal.
Las zonas que rodean a los máximos de menor amplitud se denominan lóbulos laterales y al lóbulo lateral de mayor amplitud se denomina lóbulo secundario. A continuación se definen una serie de parámetros importantes del diagrama. El ancho de haz a -3 dB (Dq-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. El ancho de haz entre ceros (Dqc) es la separación angular de las direcciones del espacio en las que el lóbulo principal toma un valor mínimo. (Cardama et al., 2002)
Antena isotrópica: Se denomina antena isótropa a una antena ideal que radie la misma intensidad de radiación en todas las direcciones del espacio. Aunque no existe ninguna antena de estas características, es de gran utilidad para definir los parámetros de la siguiente sección.
Antena omnidireccional: Se denomina antena omnidireccional si el diagrama de radiación presenta simetría de revolución en torno a un eje Toda la información contenida en el diagrama tridimensional puede representarse en un único corte que contenga al eje.
Antena directiva: Se denomina antena directiva cuando es capaz de concentrar la mayor parte de la energía radiada en una determinada dirección.
Figura 18 Clasificación general de antenas(Pozar, 2005)
4.5 Directividad
La directividad D de una antena se define como la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección, a una distancia dada, y la densidad de potencia que radiaría a esa misma distancia una antena isótropa que radiase la misma potencia que la antena. (Cardama et al., 2002)
𝐷(𝜃, 𝜙) = 𝒫(𝜃, 𝜙) 𝑃𝑟 (4𝜋𝑟2)
Si no se especifica la dirección angular, se sobreentiende que la directividad se refiere a la dirección de máxima radiación. (Cardama et al., 2002)
𝐷 = 𝒫𝑚𝑎𝑥 𝑃𝑟 (4𝜋𝑟2)