Antena de bajo perfil para comunicaciones móviles en Cuba

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(1)Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “ANTENA DE BAJO PERFIL PARA COMUNICACIONES MÓVILES EN CUBA” Autor: Cesar Yeinier Finalé Cambón Tutor: Ing. Tuan E. Cordoví Rodríguez. 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 “ANTENA DE BAJO PERFIL PARA COMUNICACIONES MÓVILES EN CUBA” Autor: Cesar Yeinier Finalé Cambón e-mail: [email protected] Teléfono: 53802575 Tutor: Ing. Tuan E. Cordoví Rodríguez e-mail: [email protected] [email protected] Teléfono: 42-224367 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) i. PENSAMIENTO. Debemos trabajar por nuestro perfeccionamiento interno como una obsesión, casi, como una impulsión constante; cada día analizar honestamente lo que hemos hecho, corregir nuestros errores y volver a empezar al día siguiente. Ernesto Che Guevara Sacrificar la innovación para ahorrar costes, es como parar el reloj para ahorrar tiempo. Pablo Picasso.

(5) ii. DEDICATORIA. Dedico el presente trabajo a mis padres, Yamila y Julio, por su preocupación en mis estudios, por regalarme su confianza y permitirme la libertad de elegir mi propio camino, a ellos debo toda la satisfacción de convertir este sueño en realidad. A mis abuelas y abuelos, quienes de una forma u otra y a su manera siempre me brindaron todo su apoyo en el transcurso de estos años. A mi hermano, tíos y primos, por estar siempre a mi lado en los buenos y malos momentos. A Norma Moya y Héctor Triana, por acogerme como a un hijo y por su perseverancia durante mi formación profesional..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. Primeramente, a mis padres, por ser el motor impulsor de mi vida, por su dedicación, comprensión y confianza incondicional. A mi hermano, mis abuelas, abuelos, tíos y primos, en fin, a toda mi familia por estar siempre al pendiente de mi incluso hasta en los momentos más difíciles. A Norma Moya y Héctor Triana, por sus buenos consejos y apoyo incondicional ante cualquier circunstancia. A mi tutor Tuan Ernesto Cordoví Rodríguez, por brindarme su amistad, su apoyo desinteresado y ayudarme en la realización de este trabajo. A todos los profesores de la carrera que de una forma u otra hicieron de mí una mejor persona y contribuyeron a mi formación profesional..

(7) iv. TAREA TÉCNICA. 1. Búsqueda bibliográfica y estudio de trabajos relacionados con antenas de bajo perfil. 2. Análisis del diseño realizado tomando en cuenta diferentes parámetros obtenidos a través de software. 3. Construcción del diseño seleccionado. 4. Comprobación de los resultados teóricos con las mediciones prácticas.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(8) v. RESUMEN. Las antenas de bajo perfil son antenas omnidireccionales que utilizan un plano de tierra artificial en su estructura y presentan una gran robustez mecánica haciéndolas ideales para las comunicaciones móviles. El propósito de este trabajo está enfocado en el diseño de una antena de bajo perfil para el sistema de comunicaciones en la banda de 2 metros de la Unión de Ferrocarriles de Cuba. Con la creación de este tipo de antenas se pretende elaborar un producto nacional competitivo que permita sustituir importaciones y reemplazar las antenas actualmente utilizadas por las locomotoras que son propensas a averiarse dadas las características del entorno cubano. Este trabajo constituye algo novedoso ya que en el país no se había construido o diseñado anteriormente una antena así. Para dar cumplimiento al encargo definido se analizaron varios documentos con los que se pudieran estudiar las características de las antenas para el posterior diseño con la ayuda del software CST Microwave Studio 2015 y el software Solidworks 2012. Las mediciones con la antena física mostraron resultados satisfactorios, con niveles de potencia, ROE y pérdidas por retorno dentro de los márgenes aceptados. El prototipo se probó con buenos resultados en un escenario real..

(9) vi TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. FUNDAMENTOS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS ANTENAS DE. BAJO PERFIL.. 4. 1.1.. Fundamentos de Antenas ......................................................................................... 4. 1.1.1. Concepto de Antena .......................................................................................... 4. 1.1.2. Patrón de Radiación .......................................................................................... 5. 1.1.3. Directividad ...................................................................................................... 6. 1.1.4. Ganancia ........................................................................................................... 6. 1.1.5. Ancho de haz (ángulo de -3db) ......................................................................... 7. 1.1.6. Coeficiente de Radiación Trasera ..................................................................... 7. 1.1.7. Impedancia en el punto de alimentación ........................................................... 7. 1.1.8. Razón de Onda Estacionaria (ROE) ................................................................. 8. 1.1.9. Ancho de Banda ................................................................................................ 9. 1.1.10. Eficiencia .......................................................................................................... 9. 1.1.11. Polarización ...................................................................................................... 9. 1.2.. Antenas de bajo perfil ............................................................................................ 10. 1.2.1. Antenas de bajo perfil ..................................................................................... 10.

(10) vii 1.2.2. Antenas IFA .................................................................................................... 10. 1.2.3. Antenas PIFA .................................................................................................. 12. 1.3. Características físicas y eléctricas de la antena PIFA ............................................ 14. 1.3.1. Distribución de Corriente................................................................................ 14. 1.3.2. Parámetros físicos de la antena PIFA ............................................................. 15. 1.3.3. Características de radiación de la antena PIFA .............................................. 16. 1.3.4. Eficiencia de la antena PIFA .......................................................................... 16. 1.4. Técnicas de alimentación de antenas PIFA ............................................................ 16. 1.4.1. Alimentación por Línea Microcinta ................................................................ 17. 1.4.2. Alimentación Coaxial ..................................................................................... 17. 1.4.3. Alimentación por apertura .............................................................................. 18. 1.4.4. Acoplamiento capacitivo ................................................................................ 19. 1.5. Antenas de bajo perfil utilizadas por el servicio de comunicaciones ferroviarias . 20. 1.5.1. Antena bajo perfil Serie MHA ........................................................................ 20. 1.5.2. Antena bajo perfil de la Serie ST221 .............................................................. 21. 1.6. Comunicación en la Banda de 2 metros ................................................................. 22. CAPÍTULO 2. 2.1. DISEÑO Y SIMULACIÓN .................................................................... 24. Breve descripción del software .............................................................................. 24. 2.1.1. Software de simulación electromagnética CST Microwave Studio 2015 ....... 24. 2.1.2. Software de diseño de estructuras mecánicas Solidworks 2012 ..................... 26. 2.2. Criterios de diseño de la Antena de bajo perfil para VHF ..................................... 26. 2.3. Modelado y simulación de antena de bajo perfil para VHF................................... 28. 2.3.1. Desarrollo en CST Microwave Studio 2015 ................................................... 28. 2.3.2. Optimización y análisis de la Antena de bajo perfil ....................................... 31.

(11) viii 2.3.3. Simulación de la antena propuesta para 159MHz .......................................... 32. 2.4. Adaptación de impedancia de la antena PIFA ....................................................... 36. 2.5. Diseño estructural................................................................................................... 37. 2.5.1. Materiales empleados ..................................................................................... 37. CAPÍTULO 3.. RESULTADOS Y ANÁLISIS ................................................................ 40. 3.1. Prototipo de Antena de bajo perfil ......................................................................... 40. 3.2. Equipamiento utilizado en las mediciones ............................................................. 41. 3.3. Mediciones de Pérdidas por Retorno y ROE ......................................................... 42. 3.4. Medición del Patrón de Radiación ......................................................................... 45. 3.5. Validación de prototipo .......................................................................................... 47. 3.6. Valoración Económica ........................................................................................... 48. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 49 Conclusiones ..................................................................................................................... 49 Recomendaciones ............................................................................................................. 50 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 51 ANEXOS .............................................................................................................................. 53 Anexo I: Antenas utilizadas en el servicio ferroviario ................................................... 53 Anexo II.. Instrumentos de medición. .......................................................................... 55. Anexo III:. Hoja de datos de la antena de bajo perfil de la Serie MHA. ....................... 57. Anexo IV: Hoja de Datos de la antena de bajo perfil de la serie Sinclair ST221. ............ 58 Anexo V:. Mediciones. ................................................................................................. 59. Anexo VI:. Validación de prototipo. .............................................................................. 61.

(12) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. El creciente desarrollo de los sistemas de comunicaciones móviles, que día a día ofrecen una gran variedad de nuevos servicios, así como la multiplicidad de estándares que operan actualmente en el mundo, ha generado la necesidad de diseñar nuevas antenas tanto en las estaciones base como en los terminales móviles, con anchos de banda que permitan soportar servicios en diferentes bandas de frecuencia. En muchos casos se requiere que las antenas cumplan con algunas limitantes debido a su aplicación. Por ejemplo: en equipos electrónicos donde tienen que ocupar poco espacio y en vehículos donde no puede haber estructuras que sobresalgan mucho del techo y a la vez estas han de tener una gran robustez mecánica. Las antenas de bajo perfil les brindan la solución a las limitantes anteriores. Las antenas de bajo perfil se encuentran en el grupo de las antenas verticales omnidireccionales y su particularidad radica en el uso de un plano de tierra artificial con el objetivo de lograr mayores rendimientos en cuanto a la propagación. Existen muchos tipos de antenas de bajo perfil, entre estas se incluyen, L invertida (ILA), F invertida (IFA), doble F invertida (DIFA) y plana invertida (PIFA). Esta última se muestra como una interesante alternativa para su utilización en terminales móviles, por su facilidad de integración en los modernos terminales de reducido tamaño, así como por sus prestaciones y bajo costo de fabricación. Estas ventajas, han despertado el interés de diversos investigadores principalmente en aspectos como el mejoramiento de su ancho de banda, su posible aplicación en sistemas multibanda y la posibilidad de adicionar elementos reactivos para sintonizarla a diversas frecuencias (AbuTarboush, 2009).

(13) INTRODUCCIÓN. 2. El empleo de este tipo de antenas se enfoca mayormente hacia los automóviles u otros equipos que poseen gran movilidad como los empleados en el sistema ferroviario, principalmente en la banda de 2 metros (159MHz). Esto se debe a la seguridad de las comunicaciones a altas velocidades y a los obstáculos que pudieran interferir en las mismas Actualmente en la Unión de Ferrocarriles de Cuba muchas de las locomotoras que están arribando al país poseen un tipo de antena muy frágil para los difíciles terrenos de la geografía cubana, produciéndose en muchos casos la pérdida parcial o total de las antenas y el deterioro de las comunicaciones en la banda de 2 metros. Esta situación ha creado una disyuntiva pues se hace necesario definir una solución económicamente factible al problema, donde las opciones son: la importación de antenas más resistentes o la fabricación de antenas dentro del ámbito nacional. Con vistas a explorar las diferentes opciones se envía un encargo a la Empresa Antenas de Villa Clara para crear una antena resistente que se pueda emplear en el sistema de comunicaciones de la Unión de Ferrocarriles de Cuba. La propuesta surge en base a una antena enviada por los compañeros de Ferrocarriles de Cuba que tiene características similares a las antenas PIFA, pero posee, como limitante, componentes cuya adquisición se dificulta debido a su alto costo como son: el capacitor de sintonización de frecuencia (conocido como Trimmer) y la cubierta de fibra de vidrio. Es debido a lo anterior que se plantea el siguiente problema científico:  ¿Cómo dar solución factible a las necesidades de la Unión de Ferrocarriles de Cuba mediante el uso de antenas de bajo perfil? Para ello en el presente trabajo se plantea como objetivo general:  Proponer una antena de bajo perfil para el sector ferroviario en la banda de 2 metros. Para cumplir este objetivo se proponen los siguientes objetivos específicos:  Describir las antenas de bajo perfil IFA y sus variantes.  Diseñar un modelo de antena de bajo perfil.  Validar el diseño a través de simulación.  Implementar la antena de bajo perfil diseñada..

(14) INTRODUCCIÓN. 3. Con la realización de este trabajo se pretende probar un nuevo diseño de antena que tenga la tarea de sustituir las antenas que actualmente poseen las locomotoras de la Unión de Ferrocarriles de Cuba. Además, se pretende desarrollar un modelo de fácil y económica fabricación que pueda competir con las importaciones extranjeras y cumpla con los requisitos de recepción necesarios para el país. También vale destacar que supondrá un material de estudio sobre este tipo de antenas y su diseño, algo con lo que actualmente no se cuenta en las instituciones educativas del país. Este informe está estructurado en Introducción, Capitulario, Conclusiones, Bibliografía y Anexos. La Introducción expone la actualidad y la necesidad de abordar el tema de las antenas de bajo perfil, además de definirse 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: Se describen brevemente las principales características a tener en cuenta en una antena, se caracterizan las antenas de bajo perfil IFA y cada una de sus variantes, además de muestra las diferentes técnicas de alimentación para estas antenas. Por último se realizó una descripción de las comunicaciones móviles en la banda de 2 metros. Capítulo 2: Se propone el diseño y simulación de la antena de bajo perfil en la banda de 2 metros mediante el software de diseño CST Microwave Studio 2015 y el software Solidworks 2012. Se realizó una propuesta de un modelo físico avalado por los resultados obtenidos en las simulaciones. Capítulo 3: Se implementó la propuesta tomando en cuenta los resultados obtenidos por las mediciones experimentales de una antena prototipo. El trabajo también contará de conclusiones donde se establecerá un análisis crítico de los resultados obtenidos en correspondencia con los objetivos trazados. También presentará recomendaciones que tomarán en consideración aquellos aspectos que puedan enriquecer y perfeccionar el estudio realizado en futuras investigaciones. Además, presentará 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..

(15) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS ANTENAS DE BAJO PERFIL. 4. CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS ANTENAS DE BAJO PERFIL.. En el capítulo se exponen los principales parámetros de las antenas, describiendo las antenas de bajo perfil. Se analizan los principales parámetros y características de diseño de las antenas IFA y PIFA. Por otra parte, se describen las características de la banda de 2 metros y su importancia para la sociedad. 1.1. Fundamentos de Antenas De todos los elementos de una estación de comunicaciones, la antena es la que posee el comportamiento menos predecible, causado por la fuerte interacción que tiene con todo lo que le rodea. Debido a esto la necesidad de aprovechar en toda su capacidad la señal que emite, por lo que se hace necesario caracterizarla con una serie de parámetros que la describan y permitan evaluar el efecto sobre un sistema determinado, o bien especificar el comportamiento deseado de la antena. 1.1.1. Concepto de Antena. Una antena es un dispositivo para transmitir y recibir ondas de radio, convirtiendo la onda guiada por la línea de transmisión en ondas electromagnéticas que pueden ser transmitidas por el espacio libre y viceversa. Las antenas además deben de proveerle a la onda radiada un aspecto de dirección. Es decir, para las antenas directivas, deben acentuar un solo aspecto de dirección y anular o mermar los demás y en caso de antenas omnidireccionales radiar con la misma intensidad en un plano del espacio..

(16) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS ANTENAS DE BAJO PERFIL. 5. Las antenas también deben otorgarle a la onda radiada una polarización. La polarización de una onda es la figura geométrica descrita, al transcurrir el tiempo, por el extremo del vector del campo eléctrico en un punto fijo del espacio en el plano perpendicular a la dirección de propagación, para todas las ondas, esa figura es normalmente una elipse, pero hay dos casos particulares: cuando la figura trazada es un segmento, denominándose polarización lineal, y cuando la figura trazada es un círculo, denominándose polarización circular(A. C. Aznar, 2002.). 1.1.2. Patrón de Radiación. El patrón de radiación es una representación gráfica (usualmente polar) de las propiedades de radiación de una antena en función de las coordenadas angulares esféricas. La Fig. 1.1 muestra la forma en que el campo eléctrico E (V/M) o el campo magnético H (A/m) varían respecto de las coordenadas angulares θ y Φ, y que puede incluir información sobre la distribución de energía, fase y polarización del campo de radiación(Jennifer Bernhard, 2002). Generalmente el patrón de radiación es graficado y determinado en la región del campo lejano. En un patrón de radiación hay direcciones en las cuales se emite más energía que en otras; esto establece regiones conocidas como lóbulos de radiación. Físicamente, el patrón de radiación representa la distribución de la energía del campo electromagnético en el espacio(Pedroza, 1989).. Fig.1.1. Diagramas de Radiación Tridimensional y Polar.

(17) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS ANTENAS DE BAJO PERFIL. 1.1.3. 6. Directividad. La directividad de una antena se define como la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección, a una distancia, y la densidad de potencia que radiaría a la misma distancia una antena isotrópica, a igual potencia total radiada. Si no se especifica la dirección angular, se sobrentiende que la directividad se refiere a la dirección de máxima radiación (Fig. 1.2). Una antena isotrópica tiene directividad igual a 1 (Montero, 20102011).. Fig.1.2. Directividad 1.1.4. Ganancia. La ganancia es la facultad de una antena de concentrar la potencia radiada hacia una dirección dada, o inversamente absorber de manera efectiva la potencia incidente en ella desde tal dirección(Jordan and Balmain, 1978, Hernández, 2011).Es la capacidad de la antena en transformar la energía electromagnética interceptada en voltajes y corrientes sobre la línea de transmisión o impedancia de carga. La Ganancia de una antena se expresa en dB como la relación de la potencia máxima obtenible y la potencia de una antena de referencia que suele ser la isotrópica (se dan como dBi) o en relación a un dipolo de media onda (dBd). Cuando mayor es la ganancia menor es el ángulo sólido de captación de señal o sea que la antena es más direccional. Es importante que la antena se apunte precisamente a la fuente de señal (Mártony, 2014)..

(18) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS ANTENAS DE BAJO PERFIL. 1.1.5. 7. Ancho de haz (ángulo de -3db). Es la separación angular de las direcciones en las que el diagrama de radiación de potencia se reduce a la mitad de su valor máximo. En el diagrama de campo la reducción corresponde a 0,707 del valor del máximo 1.1.6. Coeficiente de Radiación Trasera. Es la relación entre la ganancia de la antena en la dirección de máxima radiación y la ganancia de la antena en cualquier otra dirección comprendida entre 90 º y 270º de la dirección de máxima radiación tal como se muestra en la figura 1.3 (Miñana, 2011). A esta relación también se le conoce como Relación Delante-Atrás o Front-to-Back (F/B). Fig.1.3. Relación Delante-Atrás 1.1.7. Impedancia en el punto de alimentación. Es la impedancia que presenta la antena en su punto de alimentación o de conexión a la línea de transmisión, así la antena conectada a un transmisor debe radiar la máxima potencia posible con un mínimo de pérdidas a lo largo de ella. Y cuando se usa como receptora se le debe extraer la máxima potencia de una onda incidente. La impedancia de entrada es definida como la impedancia presentada por una antena en sus terminales o la razón entre el voltaje y corriente en un par de terminales o la relación de los componentes apropiados de los campos eléctricos y magnéticos en un punto(A.Balanis, 2005)..

(19) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS ANTENAS DE BAJO PERFIL. 8. La relación entre el voltaje y la corriente en los terminales sin carga define la impedancia de la antena tan como se muestra en la Fig. 1.4, donde también se ve la Ecuación de la Impedancia.. Fig.1.4. Impedancia en el punto de alimentación Dicha impedancia es en general compleja. La parte real se denomina resistencia de antena y la parte imaginaria, reactancia de antena. Se define la resistencia de radiación (Rr) como la relación entre la potencia total radiada por una antena y el valor eficaz de la corriente en sus terminales de entrada, elevada al cuadrado. La resistencia óhmica (RΩ) de una antena es la relación entre la potencia disipada por efecto de pérdidas resistivas y la corriente en sus terminales al cuadrado. Por lo tanto la resistencia de antena (Ra) se puede considerar como la suma de la resistencia de radiación y la resistencia óhmica(Miñana, 2011). 1.1.8. Razón de Onda Estacionaria (ROE). La razón de onda estacionaria es una característica de la antena que indica el grado de adaptación de la antena con el resto del medio. A medida que sea mayor el grado de adaptación, menor potencia será reflejada y, por lo tanto, mayor cantidad de esta será irradiada por la antena al espacio libre. Un valor de ROE igual a uno implica que la antena está completamente adaptada y un 100% de la potencia está siendo transmitida. Esto solamente ocurre en un caso ideal. Un buen nivel de adaptación se logra con un ROE igual a 2, que equivale a un 90% de la potencia transmitida que está siendo irradiada por la antena (R. F. Harrington, 1971). Por.

(20) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS ANTENAS DE BAJO PERFIL. 9. lo tanto, se debe tener un valor para la ROE menor o igual a 2 para considerar a las antenas con un buen nivel de adaptación para el caso de las antenas de bajo perfil. 1.1.9. Ancho de Banda. El ancho de banda de una antena, se define como el rango de frecuencias en el que el rendimiento de la antena, con respecto a algunas características, se ajusta a un estándar específico, es decir, el rango de frecuencias sobre las cuales la operación de la antena es “satisfactoria”. Para antenas de banda ancha, el ancho de banda es usualmente expresado como la relación entre las frecuencias superiores e inferiores de operación aceptable. Para antenas de banda estrecha, el ancho de banda es expresado como un porcentaje de la diferencia de frecuencia (superior menos inferior) sobre la frecuencia central del ancho de banda).(Montero, 2010-2011) 1.1.10 Eficiencia Se puede definir como la relación entre la potencia radiada por una antena y la potencia entregada a la misma. La eficiencia es un número comprendido entre 0 y 1. La relación entre la ganancia y la directividad es la eficiencia.(Montero, 2010-2011) 1.1.11 Polarización Básicamente la polarización de una antena está definida por la dirección de las líneas de fuerza del campo eléctrico. Como el plano de las líneas de fuerza del campo E son paralelas a la antena, una antena horizontal emitirá ondas polarizadas horizontalmente y una antena vertical ondas polarizadas verticalmente, como es el caso de las antenas analizadas en este trabajo. Si se emplea sistemas de antenas que lleven elementos de polarización diferentes, por ejemplo, elementos verticales y horizontales, la polarización resultante será intermedia entre horizontal y vertical, dependerá de la respectiva amplitud y fase de las componentes rectangulares del vector E. Se produce una polarización lineal cuando las fases de dos componentes ortogonales del campo eléctrico difieren un múltiplo entero de π radianes. Se produce polarización circular cuando las amplitudes son iguales y la diferencia de fase entre las componentes es π/2 o 3π/2. La polarización es elíptica en los demás casos (D. Evans, 1976)..

(21) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS ANTENAS DE BAJO PERFIL. 10. 1.2. Antenas de bajo perfil 1.2.1. Antenas de bajo perfil. Las antenas de bajo perfil presentan tamaños reducidos, lo cual conduce a que las dimensiones físicas de los terminales móviles sean comparables a la longitud de onda de operación. Como consecuencia, el comportamiento radiante de la antena se ve afectado de manera importante por la resonancia del plano de masa del terminal móvil, por lo que este último debe ser considerado también en el proceso de diseño de la antena (Fajardo). El ancho de banda de operación de diversas antenas de bajo perfil se ve seriamente influenciado por el método de excitación donde debe estar específicamente restringido con ROE ≤ 2 (E. Antonino, 2003). La figura 1.5 muestra algunas aplicaciones de las antenas de bajo perfil.. Fig. 1.5. Aplicaciones de antenas de bajo perfil: (a) terminales de teléfonos móviles y (b) servicios de comunicaciones de transporte público 1.2.2. Antenas IFA. Este tipo de antena lleva este nombre debido a que su estructura es similar a una F invertida, de ahí que se le llame IFA (Inverted F Antenna o Antena F Invertida). En la Fig. 1.6 se muestran esquemáticamente la evolución de las antenas IFA, que no deja de ser un simple monopolo de λ/4 sobre un plano metálico o de tierra. También se muestran algunas partes fundamentales de la antena. Según los análisis realizados de sus características de radiación también se definen como una antena de abertura.(F, 2009).

(22) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS ANTENAS DE BAJO PERFIL. 11. Fig. 1.6. Antena F Invertida (IFA): (a) Evolución de la antena IFA y (b) Modelo físico La antena IFA típica consiste en un hilo radiante localizado de forma paralela sobre el plano de tierra, un mecanismo de alimentación de dicho hilo y una línea de transmisión ubicada al final del hilo que conecta el plano de tierra con el elemento radiante. Esta antena surge de doblar un monopolo vertical hasta situarlo de forma paralela al plano de tierra. La sección paralela al plano de tierra introduce un comportamiento capacitivo en la impedancia de entrada. Dicho efecto se compensa mediante el empleo de un “stub” acabado en cortocircuito; estando por tanto el final del “stub”, conectado al plano de tierra mediante (2011). La longitud requerida del hilo radiante es de aproximadamente un cuarto de la longitud de onda de operación (λ/4). Si este es mucho mayor que (λ/4) entonces el patrón de radiación se volverá cada vez más multilóbulo. De otra manera si el hilo radiante es significativamente menor que (λ/4) entonces sintonizarlo se volverá cada vez más difícil y el desempeño total se degradará (1996-2005)..

(23) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS ANTENAS DE BAJO PERFIL. 12. El ancho de banda de la antena IFA aumenta con el grosor del hilo radiante. La polarización de la antena es bastante elíptica, su proporción axial raramente alcanza los 20 dB. Estas antenas tienen la habilidad de recibir las ondas electromagnéticas polarizadas vertical y horizontalmente. Mientras que la impedancia de entrada de las IFA puede ser arreglada para tener un valor apropiado para adaptar la carga de la impedancia sin tener que usar ningún circuito adicional. 1.2.3. Antenas PIFA. Las Antenas Planares F Invertida (PIFA) se consideran un caso particular de las antenas IFA. Surgen de sustituir el hilo radiante de estas por un plano, consiguiendo de esta forma aumentar el ancho de banda (Pascual, 2010-2011). La figura 1.7 muestra las partes esenciales de una antena PIFA. Fig.1.7. Partes fundamentales de la antena de la antena PIFA Entre las principales ventajas de las antenas PIFA caben destacar las siguientes (M.J. Ben Constenla): . Son antenas que pueden insertarse en la carcasa de los terminales móviles a diferencia de las antenas de hilo, hélice o lazo..

(24) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS ANTENAS DE BAJO PERFIL. . 13. El nivel de potencia radiado por el lóbulo posterior es bastante reducido con respecto a los valores establecidos por la Unión Europea, con lo que proporcionan niveles de tasa de absorción radiada bastante reducidos.. . Disponen de valores de ganancia moderadamente elevados tanto para polarización vertical como horizontal.. En la Fig. 1.8 se muestra dicha antena en disposición para polarización horizontal.. Fig.1.8. Disposición de una antena PIFA sobre un terminal móvil con polarización horizontal. Estas ventajas hacen que las PIFA sean la antena más adecuada para emplear en terminales móviles y donde se requiera antenas de bajo perfil. Pero uno de los principales inconvenientes en este tipo de elementos radiantes es su estrecho ancho de banda (BW), limitando su empleo en servicios inalámbricos. La resolución de este problema se centra en la siguiente relación(A. C. Aznar, 2002.): 𝐵𝑊 =. 𝑓𝑠−𝑓𝑖 𝑓𝑟 𝐿 𝐶. √. 𝑄=. 𝑅. 1. ∝𝑄. 1. ∝𝑆. Ec.1.1. Ec.1.2.

(25) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS ANTENAS DE BAJO PERFIL. 14. Donde fs y fi son la frecuencia superior e inferior de la banda, fr es la frecuencia de resonancia, Q es el factor de calidad de la antena, R representa las pérdidas de la antena, L el comportamiento inductivo de la antena, C el comportamiento capacitivo y S el volumen de la misma. Una técnica empleada con cierta frecuencia para incrementar el ancho de banda consiste en aumentar la altura del plano de cortocircuito, causando con ello un incremento del volumen de dicha antena. El efecto del tamaño del plano de tierra nos permite aumentar el ancho de banda. Del mismo modo, la inserción de tiras en el extremo del mismo consigue reducir en gran medida el factor de calidad de dicha antena (Sanz-Izquierdo, 2004, Huynh M.-C., 2006). 1.3. Características físicas y eléctricas de la antena PIFA. En cuanto a las dimensiones de las antenas PIFA un método para reducir el tamaño de ella es simplemente el acortamiento de la antena. Sin embargo, este enfoque afecta la impedancia en los terminales de la antena tal que la resistencia de radiación se convierte en reactiva también. Esto es compensado con una carga capacitiva. En la práctica esta pérdida en la altura de la antena es reemplazada con un circuito equivalente que mejora el acoplamiento de impedancia y la eficiencia. La carga capacitiva reduce la longitud de resonancia desde (λ/4) hasta (λ/8) a expensas del ancho de banda y de un buen acoplamiento. La carga capacitiva puede ser producida al añadir una placa (paralelo al plano de tierra) que produce un capacitor de placas paralelas (Pascual, 2010-2011). 1.3.1. Distribución de Corriente. La antena PIFA tiene un largo flujo de corriente en el fondo del elemento bidimensional y el plano de tierra comparado con el campo de la región superior del elemento. Este comportamiento de la antena PIFA es debido a que es el mejor candidato cuando se habla de la influencia de objetos externos que afectan las características de la antena. La distribución de corriente en la superficie de la PIFA varía para diferentes anchos de la placa en cortocircuito. La máxima distribución de corriente es cercana al pin en cortocircuito y disminuye lejos de él..

(26) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS ANTENAS DE BAJO PERFIL. 1.3.2. 15. Parámetros físicos de la antena PIFA. La frecuencia de resonancia de una antena PIFA puede aproximarse mediante los parámetros físicos correspondientes expresado en la siguientes ecuación 1.3 (Nolasco, 2010). La Fig. 1.9 muestra los principales parámetros físicos de la antena: 𝐿1 + 𝐿2 = λ/4. Ec.1.3. Fig.1.9. Parámetros físicos fundamentales de la Antena PIFA Existen 2 variantes de antenas PIFA:  Cuando W/L2 = 1, entonces L1+ H= λ/4.  Cuando W=0, entonces L1+L2+H= λ/4. La introducción de un espacio abierto reduce la frecuencia, esto es debido al hecho de que allí fluyen corrientes al límite del espacio conformado, por lo tanto, el espacio de la carga capacitiva reduce la frecuencia y por lo tanto las dimensiones de la antena drásticamente. El mismo principio de los espacios creados en el elemento bidimensional puede ser aplicado también para la doble frecuencia de operación. Cambios en el ancho del elemento bidimensional puede también afectar la determinación de la frecuencia de resonancia..

(27) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS ANTENAS DE BAJO PERFIL. 16. El ancho de la placa en cortocircuito de la antena PIFA juega un importante rol en la normalización de la frecuencia de resonancia. La frecuencia de resonancia disminuye con la disminución del ancho de la placa en cortocircuito (W).(Nolasco, 2010) Analizando la frecuencia de resonancia y las características del ancho de banda de la antena puede ser fácilmente realizada para determinar el lugar del punto de alimentación que obtiene el mínimo coeficiente de reflexión. 1.3.3. Características de radiación de la antena PIFA. El patrón de radiación de la PIFA es la distribución relativa de potencia radiada en función de la dirección en el espacio. Es un caso usual que el patrón de radiación esté determinado en la región de campo lejano y esté representado como una función de las coordenadas direccionales. Las propiedades de radiación incluyen la densidad del flujo de potencia, la fuerza de campo, la fase y la polarización (Wong). En el caso de las antenas PIFA sus características de radiación se encuentra influenciadas por el plano de tierra. Debido a estas condiciones se desvía la máxima ganancia hacia la parte superior y laterales de la antena en el plano vertical mientras que en el plano horizontal radia con la misma intensidad en todas las direcciones. 1.3.4. Eficiencia de la antena PIFA. La eficiencia de la antena PIFA en el ambiente está reducida por las pérdidas sufridas en él, incluyendo pérdidas óhmicas, pérdidas de acoplamiento, pérdidas en la transmisión de la línea de alimentación, pérdidas de potencias límites y resonancias parásitas externas.(Wong) 1.4 Técnicas de alimentación de antenas PIFA El acoplamiento de impedancia de la Antena PIFA es obtenido por la posición del único alimentador, la del pin cortocircuitado dentro del espacio conformado y por la optimización del espacio entre el alimentador y el pin cortocircuitado. El objetivo es lograr adaptar el punto de alimentación con la línea de transmisión recomendada. Las técnicas de alimentación influyen en la impedancia de entrada, y son también utilizadas para propósitos de acoplamiento. La eficiencia de la antena depende de la transferencia de potencia a los elementos radiantes, es por esto que las técnicas de.

(28) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS ANTENAS DE BAJO PERFIL. 17. alimentación juegan un rol vital en el proceso de diseño. Las técnicas más populares de alimentación son discutidas a continuación. 1.4.1. Alimentación por Línea Microcinta. Este tipo de alimentación es fácil de fabricar cuando la línea de alimentación y los elementos radiantes se encuentran en el mismo sustrato tal como se muestra en la Fig. 1.10. El acoplamiento de impedancias con esta técnica es más simple comparado a otros métodos.. Fig. 1.10. Alimentación por línea microcinta (Br, 2008) A pesar de que tiene baja radiación espuria, a menudo la radiación de la línea de alimentación incrementa los niveles de polarización. También, el espesor de los sustratos asociado con estas antenas introduce ondas superficiales que deterioran el comportamiento de la antena. En rango de microondas, el tamaño de la línea de alimentación es comparable al tamaño del radiador, conduciendo a un aumento de la radiación indeseada. 1.4.2. Alimentación Coaxial. En la alimentación por coaxial o por sonda, el conductor interno de un conector coaxial es conectado al radiador como se muestra en Fig. 1.11. La principal ventaja de esta alimentación es que puede ser colocado en cualquier lugar deseado dentro del radiador para acoplarlo con su impedancia de entrada; otra ventaja es que presenta baja radiación espuria. Las desventajas de la alimentación coaxial son: la necesidad de abrir un hueco en el.

(29) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS ANTENAS DE BAJO PERFIL. 18. sustrato para conectarlo al radiador, lo cual introduce un efecto inductivo que puede sacar de resonancia a la antena al aumentar la altura del sustrato, y que presenta un ancho de banda estrecho.. Fig. 1.11. Alimentación por Coaxial (Br, 2008) 1.4.3. Alimentación por apertura. Este es un método indirecto de alimentación, donde los campos electromagnéticos son acoplados de la línea de alimentación microcinta al radiador a través de una apertura eléctricamente pequeña hecha en el plano de tierra. La Fig. 1.12 muestra esta forma de alimentación..

(30) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS ANTENAS DE BAJO PERFIL. 19. Fig. 1.12. Alimentación por apertura (Br, 2008) La apertura de acoplamiento es usualmente centrada debajo del radiador, conduciendo a una disminución de la polarización cruzada debido a la simetría de la configuración. La forma, el tamaño, y la localización de la apertura determinan la cantidad de acoplamiento de la línea al radiador, esto puede aumentar el ancho de banda. La ventaja de esta técnica de alimentación es que el radiador está protegido de la estructura de alimentación por el plano de tierra. Sin embargo, el proceso de fabricación de esta clase de antena es difícil y pueden deteriorarse fácilmente sus características debido a pequeños errores de alineamiento de las diferentes capas. 1.4.4. Acoplamiento capacitivo. La alimentación capacitiva es construida terminando el conductor interno de un coaxial en un plato conductor paralelo al radiador como se muestra en la Fig. 1.13. La principal ventaja de esta técnica es que permite ajustar la impedancia de entrada modificando la altura y las dimensiones del plato paralelo, eliminando la componente inductiva que introduce un conductor colocado entre el radiador y el plano de tierra (1996 – 2003 ). Otra ventaja es el aumento del ancho de banda debido al decremento de la reactancia de entrada y la reducción del factor de calidad Q, cuando se usan sustratos gruesos. La principal desventaja es que, debido a la alta complejidad de la estructura radiante, se tienen que utilizar ecuaciones integro-diferenciales para analizar de una manera formal y con precisión a estas estructuras..

(31) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS ANTENAS DE BAJO PERFIL. 20. Fig. 1.13. Acoplamiento capacitivo (Br, 2008) 1.5 Antenas de bajo perfil utilizadas por el servicio de comunicaciones ferroviarias Las antenas de bajo perfil para los servicios ferroviarios poseen características físicas que las diferencian de las antenas de los demás servicios. Estas generalmente poseen gran robustez en cuanto a tecnología de fabricación y seguridad tanto en la instalación como en el servicio sobre el cual se trabaja. Poseen características que están definidas por la importancia de las comunicaciones en el sector ferroviario, el cual debe estar activo en todo momento. Se debe evitar cualquier tipo de roturas en estos tipos de antena. 1.5.1. Antena bajo perfil Serie MHA. La antena de bajo perfil MHA 170, de la serie MHA (Anexo I) que trabajan en la frecuencia de 68 MHz hasta los 174 MHz, desarrollada por Sigma Wireless Technology está diseñada para vehículos que operan bajo severas limitantes de altura como los buses, los camiones y los trenes. Su radiación es omnidireccional y la antena está verticalmente polarizada. Todas las versiones están adaptadas con una alta estabilidad del capacitor de sintonización de frecuencia (Capacitor Trimmer) para ajustar la ROE. El elemento radiante está encerrado en una cubierta de fibra de vidrio con una placa base de aluminio. Las antenas de tipo MHA proporcionan un completo ensamblaje y una unidad cerrada lista para.

(32) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS ANTENAS DE BAJO PERFIL. 21. acomodarse directamente en la superficie de montaje (Technology). La Fig. 1.14 muestra una antena de este tipo.. Fig.1.14 Antena de la Serie MHA de Sigma Wireless Technology 1.5.2. Antena bajo perfil de la Serie ST221. La antena ST221-SF1SNF (F1595) (Anexo I), de la serie de antenas ST221 desarrolladas por Sinclair, es una antena de bajo perfil fuerte y de una fabricación protegida de antena móvil, para las comunicaciones inalámbricas por FM. Es la elección ideal en situaciones donde antenas del tamaño tradicional puede ser vulnerable a averiarse y al vandalismo. Puede ser montada sobre cualquier superficie de metal y producirá un patrón de radiación cercano al omnidireccional, el mismo de un cuarto de onda. Posee polarización vertical. Esta construida principalmente de aluminio y es usada principalmente en ómnibus, tractores y trenes entre otras aplicaciones(Technology) La antena ST221-SF1SNF (F1595) se muestra en la Fig. 1.15..

(33) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS ANTENAS DE BAJO PERFIL. 22. Fig.1.15 Antena Sinclair Excalibur ST221-SF1SNF (F1595) 1.6. Comunicación en la Banda de 2 metros. La Banda de 2 metros es una banda de frecuencias que poseen una longitud de onda aproximada de 2 metros y está ubicada alrededor de los 150 MHz comprendida en la banda de VHF (Varios, 1984). Es muy utilizada por los radioaficionados para mantenerse en contacto con sus pares en un radio de unos 160 Km. La clase de emisión habitual es la FM. Frecuentemente en esta banda se utilizan repetidores omnidireccionales con antenas de alta ganancia, ubicados en lugares altos con el objetivo de brindar mayor cobertura a los equipos que están dispersados alrededor de una entidad y poseen poca ganancia en sus antenas. Para evitar interferencias, se usa una frecuencia para emitir hacia el repetidor, el cual retransmite el audio en otra frecuencia. Esta banda se utiliza también para la radiolocalización u orientación por radio, un deporte que consiste en encontrar una baliza usando un radiorreceptor y una antena direccional, para lo cual no hace falta una licencia de radioaficionado. La frecuencia de 144.800 MHz en la Región 1 es la frecuencia de un modo digital que permite la geolocalización de radioaficionados utilizando un simple receptor GPS para obtener las coordenadas geográficas acoplado vía una interfaz a un transmisor de la banda de 2 m..

(34) CAPÍTULO 1. FUNDAMENTOS Y CARACTERIZACIÓN DE LAS ANTENAS DE BAJO PERFIL. 23. También esta banda se usa para practicar el reflejo de emisiones en la luna ("moonbounce"), para lo cual se utiliza telegrafía lenta por su alta relación señal-ruido, transmisores potentes, y conjuntos de antenas Uda-Yagi. En nuestro país la banda de 2 metros tiene gran uso en el control de los automóviles de entidades industriales que poseen movilidad alrededor de las provincias y que necesitan tener un contacto directo siempre con la base. El MININT, AZCUBA, las FAR y otras instituciones utilizan en sus medios de transporte plantas de radio que trabajan en esta banda. La Unión de Ferrocarriles de Cuba es cliente de esta banda donde las comunicaciones con los trenes en esta empresa se realizan a través de ella, específicamente en la frecuencia de los 159 MHz para un ancho de banda de 5 MHz..

(35) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. 24. CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. En este capítulo se realizará el diseño de una antena PIFA para Ferrocarriles de Cuba. La elección de esta antena surge en base a las características que presenta y los estudios realizados a algunas antenas de la serie MHA que poseen características similares a las antenas PIFA, pero posee algunas limitantes. A continuación, se realizará la simulación por software de la antena para el análisis de los parámetros característicos como son: la ROE, las pérdidas por retorno y el Patrón de Radiación. Se realizará una propuesta de un modelo mecánico que cumpla los requerimientos de diseño radioeléctricos permitiendo los ajustes correspondientes para una posterior validación. 2.1. Breve descripción del software. En el modelado y simulación de antenas existen diversos tipos de software los cuales permiten observar el comportamiento de los parámetros de la misma. Constituyen herramientas de gran importancia en la reducción del tiempo de diseño y la validación de estructuras sin tener que fabricarla. 2.1.1. Software de simulación electromagnética CST Microwave Studio 2015. El software que se empleará será el CST MICROWAVE Studio 2015 de la Empresa Computer Simulation Technology. El mismo es un paquete de software orientado a la solución de problemas del campo electromagnético en las altas frecuencias mediante el análisis y diseños de componentes tales como antenas, filtros, líneas de transmisión, acopladores, conectores, circuitos impresos, resonadores y otros. El CST MICROWAVE Studio 2015 simplifica el proceso de insertar la estructura que se desea simular, por lo.

(36) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. 25. tanto, las aplicaciones están limitadas por el tamaño eléctrico del dispositivo a simular. Después que el componente es modelado un procedimiento de segmentación totalmente automatizado (basado en sistema experto) se aplica antes de que el mecanismo de simulación comience. Las capacidades de cómputo actuales de las computadoras personales permiten la simulación de estructuras de hasta 100 longitudes de onda. Las herramientas disponibles en este paquete de software simplifica considerablemente el proceso de creación de los dispositivos a través de interfaz gráfica que permite la modelación de las estructuras en tres dimensiones (Viera, 2007). El simulador plasma la Aproximación Perfecta de Contorno, y su extensión de la técnica de hoja delgada (Thin Sheet Technique, en inglés), lo cual aumenta la precisión de la simulación en un orden de magnitud comparable con los simuladores convencionales. Como ningún método funciona igualmente bien para todos los dominios de aplicación, el software contiene cuatro modos diferentes de simulación, cada uno de los cuales está orientado a la solución de problemas del campo electromagnético con diferentes características: Solucionador Transiente, Solucionador de dominio de frecuencia, Solucionador de Modo Propio (Eigenmode, en inglés) y Solucionador de análisis modal. De los modos de simulación disponibles, el más flexible es el del dominio del tiempo, con el cual se puede obtener el comportamiento del dispositivo en todo el rango de frecuencias deseado en un solo paso (en contraste con otros donde deben realizarse simulaciones independientes para cada frecuencia). Este modo es eficiente para la mayoría de las aplicaciones de alta frecuencia tales como conectores, líneas de transmisión, filtros y antenas. Las simulaciones en el dominio del tiempo son menos eficientes en problemas de baja frecuencia donde la estructura es mucho menor que la menor longitud de onda. En estos casos puede resultar más eficiente la resolución del problema mediante la simulación en el dominio de la frecuencia. Esta estrategia es más eficiente cuando se van a simular para unas pocas frecuencias. Cada uno de los resultados que se obtienen en estos modos puede ser visualizado con una variedad de opciones (Viera, 2007). Una de las características más relevantes de este software es la capacidad de parametrizar el diseño mediante el uso de variables en la definición de la estructura. En.

(37) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. 26. combinación con las herramientas de optimización integrados en el paquete, es posible realizar tanto el diseño como el análisis de dispositivos de alta frecuencia. Todo esto unido a otras características hacen de este software, una potente, cómoda y muy versátil herramienta para todo aquel vinculado al diseño de dispositivos de alta frecuencia o simplemente para todo aquel interesado en el conocimiento de dispositivos como es el caso de las antenas(Viera, 2007). 2.1.2. Software de diseño de estructuras mecánicas Solidworks 2012. Es un software líder en el diseño en 3D de estructuras mecánicas con gran aceptación de los diseñadores en muchas empresas de gran prestigio a nivel mundial. Es una herramienta de gran utilidad para los diseñadores en el campo de las antenas y sistemas de RF (Radio Frequency) porque permite el ensamble a través de un modelo computacional de una estructura de antenas formada en piezas. Existen relaciones entre ambos softwares, tanto electromagnético como mecánico ya que permiten la transferencia de archivos entre uno y otro permitiendo el modelado mecánico y el modelado electromagnético. Las herramientas de modelado electromagnético en muchas ocasiones poseen numerosas complejidades para ejecutar un diseño constructivo. En muchas ocasiones se diseña la antena en un software mecánico avanzado donde las herramientas de diseño son más prácticas y luego se importa el fichero generado hacia el CST Microwave Studio. 2.2. Criterios de diseño de la Antena de bajo perfil para VHF. Conociendo la propuesta de la antena PIFA y el servicio para el cual será diseñada se lleva a cabo el cálculo teórico con el objetivo de conocer las variables fundamentales y sus longitudes iniciales para la posterior simulación. La antena propuesta trabaja en la banda de 2 metros para la frecuencia de 159 MHz y posee un ancho de banda de 5MHz. Las dimensiones de una PIFA de λ/4 para el servicio solicitado se toman según las ecuaciones del epígrafe 1.3 del capítulo 1 aceptando la variante 1 donde se logran dimensiones relativamente adaptables al plano de tierra conformado por la superficie del vehículo donde van instaladas: 𝐿1 + 𝐿2 =λ/4 = 300/ (159*4) = 0.471m.

(38) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. 27. Cuando W=L2: L1+ H= λ/4=0.471m=471mm En la revisión bibliográfica correspondiente los autores no detallan una ecuación que conlleve la posición exacta del alimentador. No obstante algunos autores proponen la posición aproximada en longitudes de onda que se muestra a continuación en la Tabla I (Pascual, 2010-2011) : Tabla I: Parámetros para el diseño de una antena PIFA Parámetro Expresión H. 0.046λ. Lc. 0.016λ. L1. 0.204λ. Tomando como referencia los valores de la Tabla I y sustituyendo: H=0.046λ=0.046*1.886mm=87mm Por tanto, L1= 0.204λ*1.886mm=384mm Las variables fundamentales del diseño son los mostrados en la Fig. 2.1 las cuales cumplen un rol fundamental en la optimización de la antena. L1 sumado a H es aproximadamente λ/4. Para el caso de las bajas frecuencia el ancho de la chapa (W) no es una variable de gran importancia debido a que su valor es muy pequeño con relación al valor de longitud de onda, pero en muy altas frecuencias cumple un rol significativo. El espesor de la chapa tampoco se considera. Para el caso de la propuesta se utiliza como elemento radiante un tramo de chapa de aluminio 6mm de espesor..

(39) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. 28. Fig. 2.1 Variables fundamentales para el cálculo 2.3. Modelado y simulación de antena de bajo perfil para VHF. Una vez realizado el cálculo teórico se procede a la simulación en el software CST Microwave Studio 2015 donde se introducen los valores de las variables de diseño, que en este caso son L1, L2, W y H, las que conforman la antena. También se introducen las variables Lc y La que son las encargadas de controlar la posición del punto de alimentación de la antena. 2.3.1 Desarrollo en CST Microwave Studio 2015 A continuación, se realiza la simulación tomando como referencia las longitudes anteriores. Para este caso se utilizó como plano de masa un Conductor Eléctrico Perfecto (PEC) infinito sobre el cual está ubicado el monopolo PIFA en el espacio libre mostrado en la Fig. 2.2. La mitad del cuadro del dominio del cálculo del CST está ocupado por PEC lo que hace posible menor tiempo de simulación..

(40) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. 29. Fig. 2.2. Antena PIFA sobre masa PEC con las dimensiones iniciales La posición del alimentador, según la Tabla I, se encuentra a 0.016λ, aproximadamente 30mm de separación de la pared vertical de cortocircuito. Aun así, en la mayoría de los diseños recomiendan realizar un barrido paramétrico en la simulación para localizar el punto de alimentación óptimo de resonancia y menor ROE para una línea de cable coaxial de 50Ω. En la Fig. 2.3 se muestran el comportamiento de las pérdidas por retorno con la posición original del cálculo y un barrido donde se varía desde 30 mm a 60 mm de separación de la pared de cortocircuito. Las pérdidas por retorno son directamente proporcionales a la ROE y son menores donde la antena alcanza mejor adaptación de impedancia.. Fig. 2.3. Comportamiento de las pérdidas por retorno como resultado del barrido del parámetro de posición del alimentador Lc con H=87mm.

(41) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. 30. Según la curva con color verde, que indica la ROE para Lc=0.016λ=30mm en la Fig. 2.4, posee aproximadamente en 159MHz un valor de 1.6 que es muy elevado en la frecuencia central de operación y afecta el desempeño de la antena. Sin embargo, a través del barrido paramétrico se alcanza el punto de resonancia, con una ROE=1 en 161MHz con Lc=36mm mostrado con color anaranjado para un ancho de banda considerable con una ROE<2 de 5MHz establecidos en la propuesta de diseño. .. Fig. 2.4. Comportamiento de la ROE como resultado del barrido del parámetro de posición del alimentador Lc con H=87mm El análisis anterior indica que la antena está destinada a trabajar en la frecuencia central de 161MHz donde alcanza su máximo radiación de potencia. También indica que la longitud eléctrica de la antena (L1) es ligeramente menor de la recomendada teóricamente. Esta anomalía ocurre debido a la cercanía del monopolo al plano de masa afectando la impedancia del punto de alimentación y por ello se requiere un ligero incremento de la longitud original. La antena resonando a 161MHz no cumple nuestro objetivo y para resolver dicho problema se deben realizar la optimización de la longitud de la antena al igual que la posición del alimentador. Estos dos parámetros son el objetivo para alcanzar la resonancia de la antena en la frecuencia a la que se desea trabajar..

(42) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. 31. 2.3.2 Optimización y análisis de la Antena de bajo perfil En las pruebas realizadas se pudo comprobar que para diferentes anchos de la chapa el punto de resonancia se mantenía aproximadamente en la misma frecuencia, pero variaba la posición del alimentador. El incremento del ancho de la chapa monopolo conlleva un alejamiento del alimentador de la pared de cortocircuito y también se incrementa el ancho de banda. La otra variante para lograr mayor ancho de banda es aumentando la altura de la antena H para disminuir la influencia del plano de tierra. Para un mejor desempeño de la antena es fundamental que tenga un ancho de banda mayor por si existiera algún corrimiento de la frecuencia central. Para ello se cuenta con aumentar el parámetro H de 87mm a 100mm quedando L1=371mm. Por tanto, se dispone nuevamente en localizar la posición del alimentador y el mismo queda a una separación de la pared de 42mm. La frecuencia de resonancia está en 163MHz que indica, al igual que el caso anterior, que la antena esta corta eléctricamente para 159MHz. Por tanto, se requiere un segundo barrido paramétrico, pero esta vez a la longitud de la antena. Para esta operación se declara una nueva variable denominada Lv que sumada a L1 nos da a conocer el valor del incremento de la antena con relación al valor original del cálculo. La posición Lc no se necesita volver a corregir después del barrido del parámetro Lv porque el punto de resonancia depende de esta nueva variable que controla la longitud óptima de la antena para la frecuencia de trabajo correspondiente. En la Fig. 2.5 se puede observar dicho comportamiento. El ancho de banda aumenta de 5MHz a 6MHz.. Fig. 2.5. Comportamiento de las pérdidas por retorno como resultado del barrido del parámetro de la longitud de la antena con Lc=42mm.

(43) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. 32. 2.3.3 Simulación de la antena propuesta para 159MHz Estando definidas las dimensiones fundamentales de la antena tipo PIFA de la propuesta realizada anteriormente, se procede a la simulación del diseño, pero esta vez con características similares al diseño real que se tuvo en cuenta para la realización del prototipo. La Fig. 2.6 muestra la implementación en dicho software. La antena se ubica encima de un plano metálico lo bastante amplio para que simule el techo del vehículo.. Fig.2.6. Estructura de la antena sobre el entorno de CST-MS En este diseño se toman los valores fundamentalmente con las correcciones realizadas de Lc=42mm y la longitud total de la antena viene definida por H+L1+Lv=483mm. Se tuvo también en cuenta algunos requerimientos exigidos en la instalación y los materiales existentes para la fabricación. Para realizar el prototipo se contó con chapas de aluminio de 60mm de ancho y 6mm de espesor. Para el modelado se declaran las variables de importancia anteriores que controlan algunas dimensiones y son colocados en una lista de parámetros tal como se muestra en Fig. 2.7. Estas se utilizan para diferentes funciones como son:  El barrido paramétrico: utiliza una variable declarada la cual se varía gradualmente y luego muestra los resultados en diferentes curvas, en función de la frecuencia, para cada valor del barrido. En este cálculo se utilizaron la posición del alimentador Lc y la longitud final del radiador La..

(44) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. 33.  Optimización: Es la operación de cálculo final y entran en juego todas las variables declaradas y seleccionadas. Esta operación toma mucho tiempo en función de la complejidad estructural de la antena. El cálculo se realiza variando constantemente los parámetros en base a un método de cálculo para que al final muestre los mejores resultados.. Fig.2.7 Variables utilizadas para el cálculo y optimización En ambas herramientas de optimización la variable que se desea conocer su comportamiento es la pérdida por retorno que a su vez nos muestra el comportamiento de la ROE que es muy importante en cuanto a la adaptación de impedancia que es primordial a tener en cuenta al calcular una antena. La lista de parámetros para la simulación mostradas en la Fig. 2.7 se utilizan para controlar los elementos físicos de la antena: El comportamiento de las pérdidas por retorno en función de la frecuencia se muestra a continuación en la Fig. 2.8.. Fig.2.8 Pérdidas por retorno en función de la frecuencia.

(45) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. 34. La ROE en función de la frecuencia se muestra a continuación en la Fig. 2.9. Para un ancho de banda de 5MHz está entre (1 y 1.7). Estos valores cumplen con los requisitos de diseño propuestos de una ROE < 2.. Fig.2.9 Comportamiento de la ROE El patrón de radiación de la antena se muestra a continuación con las características típicas de este tipo de antena, el cual se encuentra influenciado por el plano de tierra mostrado en la Fig. 2.10. Debido a estas condiciones se desvía la máxima ganancia hacia la parte superior y laterales de la antena en el plano vertical. Según el plano horizontal radia con la misma intensidad en todas las direcciones. La ganancia de la misma es de 4.2dBi..

(46) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. 35.

(47) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. 36. Fig.2.10. Patrones de radiación: (a) Horizontal y Vertical en coordenadas polares y (b) en 3D 2.4. Adaptación de impedancia de la antena PIFA. La alimentación se realiza de forma paralela a la parte vertical de la chapa en L sujeta en el centro entre la parte horizontal y la de tierra (Fig. 2.11). Esta debe permitir el desplazamiento y el ajuste de posición de la alimentación al menos 30mm a partir de 25mm de separación de la cara de la parte vertical que permita ajustar a un mínimo de ROE similar al barrido paramétrico anteriormente visto. Pero debe llevarse a la práctica en el momento de las medidas. En el extremo abierto posee debajo de la chapa horizontal otro tramo del mismo material de 50mm que permite ajustar la longitud de la antena que permita ajustar a un mínimo de ROE similar al barrido paramétrico anteriormente visto. Este ajuste tiene mayor rigor e importancia.. Fig. 2.11. Secciones donde debe existir movilidad para el ajuste de la ROE.

(48) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. 2.5. 37. Diseño estructural. Una vez realizada la simulación electromagnética se requiere del diseño mecánico correspondiente de la antena de mejores resultados en cuanto a los parámetros eléctricos. Cabe destacar que muchos accesorios de la misma no se simulan junto a la estructura como tal debido a que poseen muchos detalles como bordes filosos, salientes y curvas muy cerradas que conlleva un incremento en la generación de mallas en CST e incrementa el tiempo del cálculo al no disponer de recursos computacionales. 2.5.1 Materiales empleados Para seleccionar los materiales tenemos que describir situaciones a tener en cuenta en la construcción. 1. La estructura de la antena la conforma la chapa en L como tal. La chapa de soporte triangular se coloca, pero su función es evadir obstáculos sobre el techo del vehículo como las ramas de árboles, cables, etc. que pudieran golpear y destruir o sacar fuera de parámetros la antena. 2. Entre la parte metálica del techo y la base de la antena debe haber una lámina de goma, con dimensiones al igual que la base, hermetización y sujeción. Ambas deben tener las mismas dimensiones y perforaciones de la chapa base de la antena MHA 170 de muestra. 3. La alimentación se realiza de forma paralela a la parte vertical de la chapa en L sujeta en el centro entre la parte horizontal y la de tierra. Esta debe permitir el desplazamiento y el ajuste de posición de la alimentación al menos 30mm a partir de 25mm de separación de la cara de la parte vertical que permita ajustar a un mínimo de ROE. 4. La longitud de la antena debe ser controlada por un tramo de la misma chapa monopolo como parte de la longitud física de la antena, pero colocado debajo de la misma con tornillos y ranuras de 30mm con el objetivo de regular la longitud para la frecuencia que se desee trabajar. Los materiales fundamentales para la fabricación se muestran señalizados en la Fig. 2.12 y se describen a continuación: 1. Chapa de aluminio de 6mm de espesor, 60mm de ancho y 640 de largo..

(49) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. 38. 2. Chapa de aluminio de 1-2mm de espesor, 190mm de ancho y 630 de largo. 3. Barras plásticas maciza de diámetro asequible y 200mm de largo. 4. Lamina de goma de 190mm de ancho y 630mm de largo. 5. Tornillos, arandelas y tuercas correspondientes.. Fig. 2.12. Partes fundamentales de la antena propuesta Además de los materiales de fabricación utiliza una serie de accesorios diversos que pueden tener variaciones a conveniencia, son mostrados en la Fig. 2.13. Estos accesorios son los siguientes: Tornillo de cabeza hexagonal M4x20 (3). Tornillo rosca chapa M4x20 con cabeza cónica (2). Tornillo M4x20 de cabeza cónica (1) Tuerca M4 (4). Arandelas M4 (6). También lleva 10 tornillos para el montaje en el techo del vehículo que se seleccionaran en el momento del montaje..

(50) CAPÍTULO 2. DISEÑO Y SIMULACIÓN. 39. La alimentación se realiza con cable coaxial RG-58. Cada conductor se coloca entre dos arandela inferiores y superiores con el fin de que haga buen contacto al apretar los tornillos con sus tuercas. Una opción sería colocar arandelas de conectorización en los extremos del cable como se muestra en la imagen anterior. Se debe proponer una forma de recubrimiento a esas secciones..

(51) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y ANÁLISIS. 40. CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y ANÁLISIS. En el presente capítulo se desarrollan todas las mediciones realizadas con el modelo real de la antena y su posterior implementación. Las mediciones realizadas al prototipo de antena permitieron comparar el prototipo con el modelo original simulado. Para finalizar se aborda la inserción del prototipo en su entorno de desempeño para su validación. 3.1. Prototipo de Antena de bajo perfil. En este epígrafe se muestra en la Fig. 3.2 la Antena de Bajo Perfil fabricada físicamente en la Empresa Antenas de Villa Clara.. Fig. 3.2. Prototipo Antena de Bajo Perfil.