Diseño de antenas de dipolos en V para la TDT

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA. Diseño de antenas de dipolos en V para la TDT. Autor: Claudia Monzón Díaz Tutor: Dr. C. Roberto Jiménez Hernández. Santa Clara 2017 "Año 59 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA Diseño de antenas de dipolos en V para la TDT Autor: Claudia Monzón Díaz [email protected]. Tutor: Dr. C. Roberto Jiménez Hernández Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones de la Facultad de Eléctrica de la UCLV [email protected]. Santa Clara 2017 "Año 59 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. “El hombre nunca sabe de lo que es capaz hasta que lo intenta” Charles Dickens.

(5) ii. DEDICATORIA. A mis dos madres, Nancy y Mayelín por ser ejemplo de la mujer que quiero ser. A toda mi familia, por darme apoyo, confianza y sobre todo mucho amor. A mis tutores por su ayuda incondicional..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. A mi mamá, mi papá, mi hermano, mis tíos, primos, abuelos, en fin, a toda mi familia por todo el amor y dedicación que me han brindado en todos mis años de estudio y en mi vida. A mi tutor Roberto Jiménez, por brindarme su infinita experiencia. Al MSc. Tuan E. Cordoví de la Empresa de Antenas de Villa Clara, por ayudarme incondicionalmente en la realización de este trabajo. A mis amigas de la carrera, en especial a mis pequeñas, Adanay y Sahilí, mis compañeras de batalla, por estar a mi lado en las buenas y en las malas y hacerme sentir como en familia; también a Adriana, Lia, Yanet, Mónica, Amanda, Greter, Dedaldina, Molly… por compartir conmigo momentos inolvidables. A Marian, por ser mi guía en estos cinco años. A todos los profesores que han contribuido en mi formación profesional. A todo el que ha puesto un granito de arena para que mi sueño de ser ingeniera se haga realidad. A todos, muchas gracias….

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

(8) v. RESUMEN El presente trabajo está encaminado al diseño de dos propuestas de antenas de dipolos en V (una interior y una log periódica) para la Televisión Digital Terrestre (TDT). En nuestro país se está llevando a cabo el despliegue de la TDT por lo que la comisión nacional para la Televisión Digital, rectorada por el Ministerio de las Comunicaciones de Cuba plantea la necesidad de antenas receptoras de la señal para los canales del 7 al 13 de VHF y del 14 al 52 de UHF, con vistas a respaldar el desarrollo de este programa nacional. Para dar cumplimiento al propósito de este trabajo se analizaron varias bibliografías con lo que se pudo estudiar las características de las antenas propuestas para un posterior diseño con la ayuda del software profesional CST Microwave Studio 2015. Luego de haber sido simuladas las antenas y obtenidos los parámetros deseados para estas bandas, fueron construidos los dos prototipos y realizadas las mediciones pertinentes con el apoyo de la Empresa de Antenas de Villa Clara. Los resultados obtenidos en las mediciones fueron satisfactorios por lo que permite la introducción en la industria cubana de dichas propuestas en el futuro..

(9) vi TABLA DE CONTENIDOS PENSAMIENTO ..................................................................................................................... i DEDICATORIA ..................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ......................................................................................................... iii TAREA TÉCNICA ............................................................................................................... iv RESUMEN ............................................................................................................................. v INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1: Fundamentos teóricos de las antenas con dipolos en V. ................................ 3 1.1.. Introducción ............................................................................................................. 3. 1.2.. Antenas interiores .................................................................................................... 3. 1.2.1 Antena de dipolo en V ........................................................................................... 4 1.3.. La antena log periódica ............................................................................................ 4 Principio básico ................................................................................................ 5. 1.4.. Parámetros de las antenas log periódicas ................................................................. 7 Impedancia en el punto de alimentación .......................................................... 7 Patrón de Radiación .......................................................................................... 7 Ancho de banda y Razón de Onda Estacionaria (ROE) ................................... 9 Directividad y Ganancia ................................................................................... 9. 1.5.. Antena log periódica de dipolo (LPD) ................................................................... 10 Estructura física .............................................................................................. 10 Propiedades generales..................................................................................... 11 Principio de funcionamiento........................................................................... 12 Método de diseño ........................................................................................... 14. 1.6.. Antena log periódica de dipolos en V resonantes. ................................................. 18.

(10) vii 1.7.. Antenas para la TDT en Cuba................................................................................ 19 Parámetros de calidad de la televisión digital ................................................ 20 Potencia de la señal................................................................................................... 20 MER (Modulation Error Ratio, Razón de Error en la Modulación) ......................... 21 BER (Bit Error Ratio) ............................................................................................... 21 C/N (Relación Portadora a Ruido)............................................................................ 22. 1.8.. Conclusiones del capítulo ...................................................................................... 22. CAPÍTULO 2: Diseño y simulación de antenas de dipolos en V ........................................ 23 2.1. Introducción ............................................................................................................... 23 2.2. Descripción del software a utilizar para la simulación .............................................. 23 2.3. Recomendaciones para el diseño de antenas para TDT. ........................................... 25 2.4. Antena interior o dipolo en V .................................................................................... 25 2.4.1 Simulación y análisis de la antena interior de dipolo en V ................................ 26 2.5. Diseño y simulación de la antena log periódica clásica ............................................ 27 2.5.1 Diseño según la solución del método de Carrel ................................................. 28 2.5.2 Simulación .......................................................................................................... 30 2.5.3 Resultados de la simulación ............................................................................... 31 2.6. La antena LPD mejorada. .......................................................................................... 33 Dipolos en V ............................................................................................................. 33 Ahusamiento de la línea de transmisión ................................................................... 33 Stub ........................................................................................................................... 33 2.6.1 Resultados de la simulación. .............................................................................. 34 2.6.2 Conclusiones parciales ....................................................................................... 38 2.7. Materiales utilizados y descripción técnica ............................................................... 38.

(11) viii 2.8. Conclusiones del capítulo. ......................................................................................... 40 CAPÍTULO 3: Análisis de los resultados y validaciones de los prototipos. ........................ 41 3.1. Introducción ............................................................................................................. 41 3.2.. Descripción técnica del equipamiento utilizado en las mediciones. ..................... 41. 3.2.1. Analizador de Espectro ..................................................................................... 41. 3.2.2. Antenas de referencia para las mediciones ....................................................... 42. 3.2.3. Analizadores de Televisión .............................................................................. 42. 3.3.. Mediciones de parámetros radioeléctricos de los prototipos de antenas ............... 43. 3.3.1 Medición de pérdidas por retorno ....................................................................... 43 3.3.2 Medición de la ROE .......................................................................................... 45 3.3.3 Medición de Ganancia ....................................................................................... 47 3.3.4 Medición del ángulo de apertura y directividad ................................................. 50 3.3.5 Medición del patrón de radiación ...................................................................... 51 3.4.. Mediciones de señal en zonas de baja cobertura ................................................... 53. 3.4.1 Validación de la Antena Exterior LPDV a través de los parámetros de calidad de la recepción de la TDT. ................................................................................................ 54 3.4.2 Validación de la Antena Interior de Dipolo en V a través de los parámetros de calidad de la recepción de la TDT. ............................................................................... 55 3.5.. Valoración Económica ........................................................................................... 56. 3.6.. Conclusiones del capítulo ...................................................................................... 57. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 58 Conclusiones..................................................................................................................... 58 Recomendaciones ............................................................................................................. 58 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 59 ANEXOS .............................................................................................................................. 62.

(12) ix Anexo I: Plan de canalización de la Televisión Digital actual en Cuba ........................... 62 Anexo II: Interpretación física de MER dentro de la modulación digital 64QAM. ......... 70 Anexo III: Coeficiente de radiación trasera de la LPDV para las bandas de VHF y UHF de la TDT. ......................................................................................................................... 70 Anexo IV: Características técnicas del analizador de espectro DEVISER DSA-8853T. 70 Anexo V: Equipamiento empleado en las mediciones y validaciones. ............................ 71 Anexo VI: Mediciones de pérdidas por retorno y ROE de las antenas prototipos. .......... 73 Anexo VII: Código para la comparación de la ROE simulada y medida de la antena en MATLAB ......................................................................................................................... 73 Anexo VIII: Mediciones de ganancia: Antena LPV345 transmitiendo y Antena LPDV prototipo recibiendo .......................................................................................................... 74 Anexo IX: Mediciones de ganancia: Antena LPV345 transmitiendo y dipolo de referencia recibiendo ........................................................................................................ 75 Anexo X: Medición del patrón vertical ............................................................................ 76 Anexo XI: Mapa de cobertura del canal 13 en Villa Clara .............................................. 76 Anexo XII: Mediciones con la antena LPDV prototipo en las zonas de baja cobertura de Villa Clara. ....................................................................................................................... 77 Anexo XIII: Mediciones de los parámetros de calidad de la antena de dipolo en V en algunas localidades del municipio de Santa Clara, para los canales 13 y 32. .................. 80.

(13) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN En los últimos años, las telecomunicaciones han estado en un creciente desarrollo y nuestro país no está exento de ello, la televisión es uno de los sectores que está dando pasos firmes con la implementación de la Televisión Digital Terrestre conocida por sus siglas TDT. Esto conlleva a que se necesiten nuevos tipos de antenas que garanticen la recepción en zonas de baja cobertura. Dentro de los sistemas de telecomunicaciones las antenas juegan un papel muy importante, pues sin ellas, las diferentes estaciones radioeléctricas no podrían funcionar, además, estas son las que garantizan que la comunicación a nivel mundial sea más fácil y rápida. Para garantizar el despliegue de la TDT, la comisión nacional para la Televisión Digital, rectorada por el Ministerio de las Comunicaciones de Cuba plantea la necesidad de antenas receptoras de la señal de televisión digital para los canales del 7 al 13 de VHF y del 14 al 52 de UHF, con vistas a respaldar el desarrollo de este programa nacional [1]. Muchos fabricantes de antenas han proyectado sus nuevos productos hacia esta rama debido a los requerimientos de este tipo de señal. También existe interés en la búsqueda o perfeccionamiento de diseños que cumplan con esto. Dentro de los distintos tipos de antenas que pueden cumplir con los requerimientos de la TDT se encuentran las interiores, que son muy útiles en las zonas cercanas a los transmisores. Otro tipo de antena de gran aceptación son las log periódicas de dipolos (LPD), las cuales son clasificadas como exteriores. Estas permiten trabajar en un amplio rango de frecuencias manteniendo en la práctica las características de radiación e impedancia en esta banda de trabajo. El diseño de antenas interiores y log periódicas son objeto de gran interés por sus potencialidades en la práctica. Es por ello que este trabajo está encaminado a proponer dos tipos de antenas de dipolos en V para la recepción de las bandas de frecuencias de la Televisión Digital Terrestre en Cuba..

(14) INTRODUCCIÓN. 2. Para dar cumplimiento al objetivo general se precisan como objetivos específicos: 1. Caracterizar las antenas propuestas, a partir de los principales parámetros a medir para la correcta recepción de la TDT. 2. Diseñar con ayuda de la simulación dos tipos de antenas: una interior y una LPDV para la recepción de las bandas de VHF y UHF asignadas para TDT en Cuba. 3. Validar los prototipos diseñados a partir del análisis de los resultados de las mediciones experimentales. Para la realización de este trabajo se cuenta con el apoyo de la Empresa de Antena de Villa Clara, la cual es una institución que juega un papel fundamental en los cambios científicos-tecnológicos en los que se encuentra inmerso el país con respecto a la TDT. Su objeto social está encaminado a desarrollar nuevos modelos de antenas que satisfagan las necesidades de la población y que contribuyan en la reducción de las zonas de baja coberturas de los transmisores de TDT instalados en la actualidad. En esta institución se realizará la construcción de las antenas propuestas. El informe de dicha investigación quedará estructurado en introducción, capítulos, conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y anexos. El capítulo 1 se enfoca en el análisis y estudio bibliográfico de las antenas en cuestión y sus principales parámetros, así como, en los fundamentos teóricos y prácticos de la TDT y sus características en el país. El capítulo 2 está orientado a la realización del diseño de los modelos seleccionados, la simulación de los mismos y el análisis de los resultados de esta. Por último, en el capítulo 3 se validan los prototipos diseñados tras su construcción y se establecen comparaciones entre las simulaciones y los resultados obtenidos de las mediciones reales. En las conclusiones 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. 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 teóricos de las antenas con dipolos en V.. 3. CAPÍTULO 1.. Fundamentos teóricos de las antenas con dipolos en V 1.1. Introducción Con el despliegue de la Televisión Digital (TDT) en Cuba se ha manifestado la necesidad de nuevas antenas que cumplan los requerimientos para una buena calidad del servicio. En este capítulo se abordarán las características de dos posibles antenas para la TDT, una interior de dipolo en V y una log periódica exterior. 1.2. Antenas interiores En general las antenas interiores son menos eficientes que las exteriores, debido a que reciben una potencia de la señal más pequeña y es más recomendable usarlas en una vivienda que este relativamente cerca del transmisor de TV. A continuación se muestran las características básicas de las antenas interiores en la TDT:[2]  Son capaces de recibir la señal tanto la banda alta de VHF (174 MHz a 216 MHz) como la de UHF (470 a 698 MHz).  Suelen tener una ganancia de 2 a 3 dBi las pasivas. Cuando se le incorporan elementos. activos pueden lograrse ganancias muy superiores.  Generalmente necesitan un decodificador de TDT.  Son omnidireccionales, ya que suelen ser dipolos simples, lo que no permite orientar. directamente la antena a un repetidor y por este motivo no son tan eficaces.  Para que sean eficientes conviene que estén relativamente cerca del transmisor, de lo. contrario, se le incorporaría un elemento activo.  Son económicas, ya que no requieren de muchos elementos..

(16) CAPÍTULO 1: Fundamentos teóricos de las antenas con dipolos en V.. 4. 1.2.1 Antena de dipolo en V La antena de dipolo en V consiste en dos varillas, cada una con uno de sus extremos conectados a una línea de alimentación. En la mayoría de las aplicaciones, el plano formado por el dipolo es paralelo a la dirección de tierra. Esto provoca un aumento de los lóbulos laterales, la directividad lineal ordinaria comienza a disminuir para longitudes mayores de aproximadamente 1,25λ. Sin embargo, ajustando el ángulo 𝜃 a un valor menor que 90º, como se muestra en la Figura 1.1, se puede lograr máxima directividad ya que su lóbulo principal aumenta y sus lóbulos laterales se hacen más pequeños que los del dipolo lineal correspondiente.. Figura 1.1. Antena de dipolo en V. (Fuente: [3]) La mayoría de las antenas en V son simétricas y pueden tener patrones de radiación unidireccional o bidireccional, como se muestra en la figura 1.1b.[3]. Figura 1.2. Direccionalidad de la antena de dipolo en V. a) Unidireccional. b) Bidireccional. (Fuente: [3]) 1.3. La antena log periódica Una antena de tipo log periódica es una antena de banda ancha con varios elementos unidireccionales como se muestra en la figura 1.3, cuyos parámetros de impedancia o de radiación son una función periódica del logaritmo de la frecuencia de operación. Para esta propiedad, las dimensiones deben ser geométricamente similares a lo largo de la dirección principal de radiación. Este tipo de antena surgió del trabajo inicial de V. H. Rumsey, J. D. Dyson, R. H. DuHamel y D. E. Isbell en la Universidad de Illinois, en 1957..

(17) CAPÍTULO 1: Fundamentos teóricos de las antenas con dipolos en V.. 5. Figura 1.3. Ejemplo de antena log periódica. (Fuente: [4]) El diseño de estas antenas se realiza a partir de las dimensiones de un dipolo y la separación que se van multiplicando por una constante. Las antenas log periódicas no solo son un tipo, sino más bien una clase de antenas porque tienen muchos tipos distintos. Principio básico Las estructuras autoescalables cumplen el principio de Rumsey y por tanto son aptas para realizar antenas independientes de la frecuencia. Considérese inicialmente la configuración plana de la figura 1.4a. Ésta es una estructura autoescalable, y en el caso de que β = 90º, es autocomplementaria. Sin embargo, tiene una amplitud de corriente total constante en función de la distancia a los terminales, por lo que al truncarla aparecerá una onda estacionaria y la antena dejará de ser independiente de la frecuencia. Si a la estructura se le añaden discontinuidades, tal como se indica en la figura 1.4b, la radiación aumentará, de forma que la corriente decrecerá con la distancia y será posible truncarla. La estructura de la figura 1.4b puede realizarse autocomplementaria si α= 135º y β= 45º; sin embargo, no es autoescalable de forma continua, ya que aparecen las dimensiones Rn (los radios donde se practican las hendiduras) y, por tanto, no será apta para realizar una antena independiente de la frecuencia..

(18) CAPÍTULO 1: Fundamentos teóricos de las antenas con dipolos en V.. 6. Figura 1.4. Estructura log periódica. (Fuente: [5]) Si los radios Rn se eligen de forma que se mantenga entre dos consecutivos una relación constante τ.. τ=. 𝑅𝑛+1 𝑅𝑛. <1. (1.1). Resulta una antena autoescalable, siempre que se aplique un cambio de escala de valor 𝑘 = 𝜏𝑚;. 𝑚 = ±1, ±2, ±3 …. (1.2). y, por tanto, el comportamiento de la antena a dos frecuencias distintas fo y fm, relacionadas por 𝑓𝑚 = 𝜏 𝑚 𝑓0. (1.3). es el mismo. Si se toman logaritmos en la expresión anterior se obtiene que 𝑙𝑜𝑔 𝑓𝑚 = 𝑚 log 𝜏 + log 𝑓0. (1.4). es decir, si se representa gráficamente cualquier parámetro de la antena en función del logaritmo de la frecuencia, se observará que presenta un comportamiento periódico cuyo periodo es logarítmico. Es por este motivo que a estas estructuras se les llama log periódicas. Nótese que una antena log periódica no sería de banda ancha si los parámetros de la antena variasen dentro de un periodo mayor de lo permisible [5]. En general todas las estructuras log periódicas responden al modelo de la figura 1.4b, en la que existe una celda básica que se repite multiplicando todas las dimensiones de la celda anterior por un factor de escala..

(19) CAPÍTULO 1: Fundamentos teóricos de las antenas con dipolos en V.. 7. 1.4. Parámetros de las antenas log periódicas Los parámetros de las antenas log periódicas dependen de la estructura y cualidades físicas de esta, así como del ambiente en que ella se encuentre y para el cual fue diseñada. Según estas características será el desempeño de la misma. Impedancia en el punto de alimentación Desde el punto de vista circuital, la antena puede tomarse como una impedancia, cuya parte real es la resistencia de radiación de la misma más la resistencia de pérdidas, y una componente imaginaria reactiva, que depende del campo cercano que dicha antena genera [6]. La impedancia del punto de alimentación de una antena es un parámetro con gran importancia en la mayoría de antenas, ya que esta define el acople de la antena con la línea de transmisión, y, por tanto, como va a ser la transferencia de potencia entre ellas. Patrón de Radiación El patrón de radiación de una antena es una representación gráfica de la radiación de la antena en función del ángulo de dirección [7]. Este normalmente se representa en un sistema de coordenadas esféricas como se muestra en la figura 1.5, donde se especifican coordenadas mediante las cuales caracterizar el campo eléctrico en un punto distante, y con esto, el patrón de radiación; para el campo radiado, la intensidad del campo es siempre tangente a la superficie esférica, pudiendo tener componentes “Eθ” y “Eφ” que pueden o no estar en fase de tiempo, definiendo el tipo de polarización de la onda electromagnética. Para facilitar esta representación, se utilizan cortes del patrón de radiación típicamente comprendido en un haz principal y una estructura de lóbulos laterales que se representan como un trazo en dos dimensiones. Los planos más utilizados son el plano horizontal (θ = 90˚) y el plano vertical (φ = 0, φ = 90˚ y en general φ = constante), que definen los patrones horizontales y verticales de la antena respectivamente [6]. La magnitud del campo eléctrico puede escribirse como 𝐸 = 𝐾 ⁄𝑟 𝑓(𝜃, 𝜑) [𝑉 ⁄𝑚]. (1.5).

(20) CAPÍTULO 1: Fundamentos teóricos de las antenas con dipolos en V.. 8. Donde “f (θ, φ)” representa las características direccionales de radiación en función de la dirección espacial En general esta función está normalizada a su valor máximo |f (θ, φ) |max = 1. La representación de “|f (θ, φ) |” es el patrón de radiación de la antena en cuestión. 𝜋. Para 𝜃 = 2 (plano xy), se tendrá el patrón de radiación horizontal, mientras que para φ = constante se tendrán los patrones de radiación vertical. Los planos E y H son, respectivamente, los planos pasando a través de la antena, en la dirección del máximo del lóbulo principal, y paralelos a los vectores de radiación “E” y “H” respectivamente.. Figura 1.5. Sistema de coordenadas esférico. (Fuente: [8]) La mayoría de las antenas directivas poseen un patrón de radiación como muestra la figura 1.6, donde se destaca un lóbulo principal, que radia el mayor por ciento de la energía electromagnética, y un conjunto de lóbulos secundarios (laterales) de menor nivel que el principal, y un lóbulo trasero.. a). b). Figura 1.6. Patrón de radiación de una antena. a) En el plano xy. b) tridimensional. (Fuente: [8] [9]).

(21) CAPÍTULO 1: Fundamentos teóricos de las antenas con dipolos en V.. 9. El patrón de radiación y la impedancia del punto de alimentación cumplen con la propiedad de reciprocidad, es decir, dichos parámetros son los mismos para transmisión y para recepción [10]. Ancho de banda y Razón de Onda Estacionaria (ROE) Las antenas log periódicas pueden tener relaciones de ancho de banda de 10: 1 o mayores. La relación de ancho de banda es el cociente de la frecuencia máxima entre la mínima de operación. Se usa la relación de ancho de banda para las antenas de banda ancha [11]. La razón de onda estacionaria es una medida de las reflexiones ocurridas en el sistema director de onda (línea de transmisión, guía de onda, etc.) acorde al grado de adaptación de impedancia de la antena con este. Mientras mayor sea el grado de adaptación, menor potencia será reflejada y, por lo tanto, mayor cantidad de ésta será irradiada o recibida por la antena. Un valor de ROE igual a uno implica que la antena está completamente adaptada y un 100% de la potencia está siendo aprovechada si se desprecian las pérdidas en calor. En la práctica, un nivel aceptable de adaptación de impedancia se logra en la mayoría de las aplicaciones con una ROE igual a 2, que equivale a que un 90% de la potencia recibida por la antena está siendo dirigida hacia el receptor. Por lo tanto, se debe tener un valor para la ROE menor o igual a 2 para considerar a las antenas de TV con un nivel aceptable de adaptación de impedancia. Para el caso de las antenas para recepción de TV digital se considerará un ancho de banda aceptable la gama de frecuencia donde la ROE está por debajo de 2,0 y donde la Ganancia no disminuya por debajo de 3dBi con relación a la máxima. Directividad y Ganancia La directividad es una medida de la concentración de radiación en la dirección del máximo de radiación. Esta, a diferencia de la ganancia, no depende de la eficiencia de la antena. En antenas donde el máximo se encuentra en el ángulo 𝜃 = 0° puede ser determinada la razón de directividad teniendo en cuenta los Planos E y H, a partir de la siguiente expresión:. 𝐷=. 2∙𝐷𝐸 ∙𝐷𝐻 𝐷𝐸 +𝐷𝐻. (1.6).

(22) CAPÍTULO 1: Fundamentos teóricos de las antenas con dipolos en V.. 𝐷(ⅆ𝐵) = 10 log 𝐷. 10 (1.7). La ganancia directiva se define como la razón de potencia requerida desde un radiador isotrópico para producir la intensidad de radiación de la antena en cuestión en la dirección deseada a la potencia requerida desde la antena [12]. La ganancia directiva de la antena está en la dirección de máxima intensidad de radiación (máximo del lóbulo principal). En este caso se eliminan las coordenadas (θ, φ) del argumento. Las antenas log periódicas pueden ser unidireccionales o bidireccionales, y tener una ganancia directiva de baja a moderada. También se pueden alcanzar ganancias mayores usándolas como elementos de una red más complicada. 1.5. Antena log periódica de dipolo (LPD) Un conjunto básico log periódico de dipolos es la configuración más difundida de las antenas log periódicas, fue introducida por Isbell en mayo de 1960 [13]. Esta es una antena direccional que consiste en un conjunto de dipolos alimentados a una línea de trasmisión central con inversión de la fase entre estos, donde cada grupo de elementos resuena a una frecuencia distinta y en un rango determinado. La unión de todos los elementos resonantes a diferentes frecuencias en una disposición logarítmica, hace que se pueda conformar una antena con un ancho de banda seleccionado por el diseñador [4]. Estructura física La estructura física de una antena log periódica es repetitiva, y eso causa un comportamiento repetitivo de sus características eléctricas. En otras palabras, el diseño de una antena log periódica consiste en una figura geométrica básica definida por ángulos que se repite, pero con distintos tamaños. Su diseño consiste en varios dipolos de distinta longitud y distancia, que se alimentan de una sola fuente en el extremo pequeño como se muestra en la figura 1.7. La línea de transmisión está en zigzag entre los puntos de alimentación de pares adyacentes de dipolos como muestra la figura 1.8. Las longitudes de los dipolos, sus distancias, la separación entre ellos y su diámetro se relacionan en tal forma que los elementos adyacentes tienen una relación constante entre sí [14]..

(23) CAPÍTULO 1: Fundamentos teóricos de las antenas con dipolos en V.. 11. Figura 1.7. Estructura de una antena log periódica de dipolo. (Fuente: [15]). Figura 1.8. Línea de transmisión entre los dipolos. (Fuente: [15]) Las longitudes y las distancias, la separación y el diámetro de los dipolos se relacionan con la fórmula: 𝑅𝑛+1 𝑅𝑛. Donde. =. 𝑙𝑛+1 𝑙𝑛. 1. 𝑑𝑛+1. 𝜏. 𝑑𝑛. = =. =. 𝑠𝑛+1 𝑠𝑛. (1.8). 𝑹 es la distancia entre dipolos 𝒍 es la longitud del dipolo 𝝉 es la relación de diseño o factor de escala (𝜏 <1) 𝒅 es el diámetro de los dipolos 𝒔 es la separación entre los dipolos adyacentes. Propiedades generales. Estas propiedades son consideradas requisitos indispensables para lograr un exitoso funcionamiento de la antena log periódica..

(24) CAPÍTULO 1: Fundamentos teóricos de las antenas con dipolos en V.. 12.  Una excitación de la antena o conjunto a partir del elemento de alta frecuencia o extremo pequeño de la antena.  Una radiación trasera (en el caso de radiadores unidireccionales), de tal forma que la. antena radia hacia la parte más pequeña, con radiación prácticamente cero o despreciable en la dirección delantera.  Una región de transmisión formada por la estructura del conjunto con una distribución de corriente prácticamente constante en el centro de los elementos, y con una radiación despreciable.  Una región activa a partir de la cual la antena radia fuertemente a causa de la combinación adecuada de magnitudes y fases de las corrientes.  Una región inactiva o de reflexión más allá de la región activa. La característica esencial de toda antena “independiente de la frecuencia” para que sea exitosa es un rápido decrecimiento de la corriente más allá de la región activa, de tal manera que la estructura pueda ser truncada sin afectar su operación [16]. Principio de funcionamiento En un sistema log periódico de dipolos horizontales o verticales, la energía de RF a una frecuencia dada viaja a través del alimentador hasta que llega a la región activa en la que las longitudes eléctricas y las relaciones de fase son tales que producen radiación hacia los elementos cortos e intermedios de longitudes aproximadamente menores o cercanas a λ⁄2. Debido a la conexión con alimentación cruzada, los campos producidos por delante de la región de transmisión se anularán. La región restante en el extremo largo es la región de reflexión, esta tiene poco efecto, ya que muy poca energía viaja más allá de la región activa. La formulación de una teoría para los conjuntos de antenas log periódicas se hace un proceso difícil, debido a la complejidad de modelar el comportamiento de cada elemento en el conjunto general como un todo. Debido a las variaciones de algunos parámetros con la frecuencia, tales como la longitud y la separación de los elementos en longitudes de ondas, las magnitudes y fases de las corrientes entre otros, la modelación para el cálculo del diagrama de radiación y comportamiento de la antena se torna complicada. Para simplificar esto existe un método en el cual se logra una primera aproximación del comportamiento del conjunto. Este método consiste en considerar la estructura periódicas como una estructura.

(25) CAPÍTULO 1: Fundamentos teóricos de las antenas con dipolos en V.. 13. localmente periódica, cuyo período varía lentamente, creciendo de un modo lineal con su distancia al vértice [17]. Para el análisis de la estructura log periódica se separa tres regiones de importancia en mostradas en la figura 1.9, las cuales permiten entender de manera más sencillas el comportamiento de la antena, por lo que se explicaran a continuación:. Figura 1.9. Regiones de funcionamiento de los dipolos. a) Vista lateral. b) Vista superior. (Fuente: [7]) 1) Región de transmisión: En esta región los elementos de la antena son cortos respecto a la longitud resonante (es decir, 𝑙 ≪ 𝜆⁄2), donde “𝑙” es la longitud total del elemento, por lo que presentan una impedancia de carácter capacitivo relativamente elevada. La corriente en el elemento es pequeña, y va casi en cuadratura de adelanto al voltaje suministrado por la línea de transmisión. La separación entre elementos es pequeña en longitudes de onda, y la inversión de fase producida por la trasposición de la línea significa que los elementos adyacentes están desfasados casi 180°. De un modo más preciso, cada corriente elemental adelanta a la del elemento precedente en un ángulo aproximadamente igual 𝛼 = (𝜋 − 𝛽ⅆ) siendo "ⅆ" la separación entre elementos y “𝛽" es la constante de fase a lo largo de la línea (𝛽 = 2𝜋⁄𝜆 = 𝜔⁄𝜈 ) ..

(26) CAPÍTULO 1: Fundamentos teóricos de las antenas con dipolos en V.. 14. En general, 𝛽, 𝜆 𝑦 𝜈 difieren de los valores que tendrían en el vacío, debido al efecto de carga producido por los elementos sobre la línea de transmisión. A causa del desfasaje y poca separación de los elementos, la radiación de esta región será muy pequeña en el sentido del retroceso 2) Región activa: En esta región las longitudes de los elementos son del orden de la longitud de onda resonante (𝑙 ligeramente inferior a 𝜆⁄2), así la impedancia del elemento tiene una componente resistiva apreciable. La corriente de un elemento es grande y, casi en fase con el voltaje básico, la corriente está ligeramente en adelanto, un poco por debajo de la resonancia y ligeramente atrasada un poco por encima de dicha resonancia. La separación entre elementos es ahora suficientemente grande y la fase de la corriente en un elemento dado está en adelanto sobre la del elemento precedente en un ángulo 𝛼 = (𝜋 − 𝛽ⅆ) que se aproxima a 𝜋⁄2. Esta combinación de condiciones producirá una fuerte radiación en el sentido del retroceso por un conjunto aproximadamente del tipo “end fire”. 3) Región reflectora: En esta región la longitud de los elementos es mayor que la longitud resonante 𝑙 ≥ 𝜆⁄2, así la impedancia de estos elementos se hace considerablemente inductiva y cada corriente se retrasa respecto al voltaje básico. El voltaje básico dado por la línea de transmisión es, de esta forma, bastante pequeño, ya que, en un conjunto bien diseñado apropiadamente, casi toda la energía transmitida a lo largo de la línea ha sido ya sustraída y radiada por la región activa. La separación entre elementos puede ser aquí mayor que 𝜆⁄4 pero el desfasaje por unidad de longitud de la línea en esta región es pequeño, de modo que este entre elementos (incluyendo la inversión de fase debida a la trasposición) es tal que todo el resto de radiación tiene aún el sentido del retroceso. Además, la impedancia característica de la línea de transmisión se hace reactiva en esta región, lo que significa que toda pequeña radiación procedente de la región activa no es aceptada en esta, sino que la refleja hacia atrás, o sea hacia el punto de alimentación [7]. Método de diseño El procedimiento más completo para dar los criterios de diseño de la antena LPD fue desarrollado por el trabajo de tesis doctoral de R.L. Carrel [18] desarrollado en 1961 en la.

(27) CAPÍTULO 1: Fundamentos teóricos de las antenas con dipolos en V.. 15. Universidad de Illinois. La configuración general de una antena log periódica se describe en términos de los parámetros de diseño 𝜏, 𝛼 y 𝜎, relacionados por las siguientes expresiones y que puede verse reflejado en la curva mostrada en la figura 1.10, se comenzará por los valores de las distintas curvas de ganancias directivas ya optimizadas para distintos valores de 𝜏 y 𝜎. 1) Primero calcular alfa en grados, según la siguiente fórmula. 1−𝜏. 𝛼 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 [ 4𝜎 ]. (1.9). 2) Buscar el ancho de banda de la región activa de la antena. 𝐵𝑎𝑟 = 1,1 + 7,7(1 − 𝜏) cot 𝛼. (1.10). Figura 1.10. Curva de ganancia directiva en dBi para valores de τ y σ. (Fuente: [15]) 3) Calcular el ancho de banda deseado. 𝑓. 𝐵 = 𝑓𝑚𝑎𝑥. 𝑚𝑖𝑛. (1.11). 4) Hallar el ancho de banda de diseño. 𝐵𝑠 = 𝐵 𝐵𝑎𝑟. (1.12).

(28) CAPÍTULO 1: Fundamentos teóricos de las antenas con dipolos en V.. 16. 5) A través de la velocidad de la luz y la frecuencia mínima obtener el valor de landa máxima.. 𝜆𝑚𝑎𝑥 = 2𝑙𝑚𝑎𝑥 =. 𝑐. (1.13). 𝑓𝑚𝑖𝑛. 6) Obtener la longitud máxima aproximada de la antena. 𝜆𝑚𝑎𝑥. 𝐿= (. 4. 1. ) (1 − 𝐵 ) cot 𝛼. (1.14). 𝑠. 7) Hallar aproximadamente la cantidad de elementos que se va a utilizar en la antena 𝑁 =1+. ln 𝐵𝑠. (1.15). 1 𝜏. ln. 8) Obtener la frecuencia media: 𝑓𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 = √(𝑓𝑚𝑖𝑛 ) ∙ (𝑓𝑚𝑎𝑥 ). (1.16). 9) Calcular lambda media 𝜆𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 = 𝑓. 𝑐. (1.17). 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎. 10) Hallar la longitud del brazo medio de la antena. ℎ=. 𝜆𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎. (1.18). 4. 11) Calcular la impedancia característica promedio de la antena 𝑙. 𝑍𝑑 = 120 [ln (𝑑) − 2,5]. (1.19). donde 𝑙 ⁄ⅆ es la relación longitud a diámetro de los dipolos. 12) Buscar la impedancia característica del alimentador de los dipolos. 1. 1. R0 ’. 8σ’Zd 2 ( ) R0 ’. Z0 = R 0 ’ {[ 8σ’Zd ] + √[ Donde 𝜎 ′ =. 𝜎 √𝜏. + 1]}. y R 0 ’ es la impedancia de entrada de la antena. 13) Calcular la resistencia media.. (1.20).

(29) CAPÍTULO 1: Fundamentos teóricos de las antenas con dipolos en V.. 𝑍. 𝜏. 𝑅0 = 𝑍0 √1 + (𝑍0 ) (4𝜎) 𝑑. 14). 17 (1.21). Hallar la razón de onda estacionaria 𝑅𝑂𝐸𝑝𝑟𝑜𝑚 =. 𝑅 𝑅 ’ 1+| 0− 0 | 𝑅0+𝑅0 ’ 𝑅 𝑅 ’ 1−| 0− 0 | 𝑅0+𝑅0 ’. (1.22). 15) Calcular la separación centro a centro del alimentador de los dipolos. 𝑍. 0 𝑠 = ⅆ cosh (120 ). (1.23). Donde ⅆ es el diámetro de los conductores del alimentador. 16) Determinar la longitud del elemento mayor: 𝜆𝑚𝑎𝑥. L1 = S (. 2. ). (1.24). Donde “S” depende ligeramente de “𝑍0 ” y de la relación “𝑙/ⅆ” o “ℎ/𝑎” (relación longitud del brazo al radio), pudiendo calcularse desde el gráfico de la Figura 1.11 o por la expresión empírica propuesta en el libro de Fundamentos de la Ingeniería Electromagnética de Roberto Jiménez [16] 𝑆 = 𝑘1. −. 𝑍0 𝐾2 𝑍𝑑. .. Figura 1.11. Gráfico de los valores de S vs Z0 . (Fuente: [8]). (1.25).

(30) CAPÍTULO 1: Fundamentos teóricos de las antenas con dipolos en V.. 18. Cuyas constantes son evaluadas acorde a la relación “𝑙/ⅆ” y por tanto acorde al valor de 𝑍𝑑 . Para “𝑙/ⅆ” = 3300 𝑍𝑎 = 702,2 []. 𝑘1 = 1,085 𝑘2 = 4. Para “𝑙/ⅆ” = 177. 𝑍𝑎 = 351,138 [] 𝑘1 = 1,03. 𝑘2 = 8. Para “𝑙/ⅆ” = 33. 𝑍𝑎 = 149,58 []. 𝑘2 = 16. 𝑘1 = 1. Para todos los casos 100  𝑍0  400 [] y el error máximo relativo es del orden de 1,61 % para 𝑍0 = 400 []. 17) Hallar las longitudes de los brazos: ℎ1 = 𝑆 (. 𝜆𝑚𝑎𝑥 4. ). (1.26). ℎ2 = ℎ1 ∙ 𝜏. (1.27). ℎ𝑛 = ℎ𝑛−1 ∙ . (1.28). 18) Determinar los espaciamientos centro a centro entre dipolos: 𝑅1 = 4𝜎ℎ1. (1.29). 𝑅2 = 4𝜎ℎ2. (1.30). 𝑅𝑛 = 4𝜎ℎ𝑛. (1.31). 1.6. Antena log periódica de dipolos en V resonantes. El mayor inconveniente de una antena log periódica de dipolos es su gran tamaño, pues son destinadas a cubrir una amplia banda de frecuencias por lo que las longitudes de sus elementos son relativamente grandes [7]. La antena log periódica de dipolos en V, mostrada en la figura 1.13, salva esta dificultad de un modo ingenioso, permitiendo un mejor desempeño en alguno de sus diversos modos de funcionamiento..

(31) CAPÍTULO 1: Fundamentos teóricos de las antenas con dipolos en V.. 19. Figura 1.13. Conjunto log periódico de dipolos en V. (Fuente: [19]) En el primer elemento que tiene longitud (𝜆⁄2) el funcionamiento es similar a la antena log periódica de dipolos rectos, ya que la pequeña inclinación de avance de los elementos tiene muy poca influencia en este modo. Sin embargo, al crecer la frecuencia más allá de aquella en que resuenan los elementos más pequeños, es decir cuando la región activa va más allá del extremo menor, o extremo frontal, los elementos mayores posteriores se hacen activos en el modo (3𝜆⁄2). De este modo, la inclinación de avance de los elementos asegura una buena unidireccionalidad de su radiación. Un ulterior aumento de frecuencia hace que la región activa se desplace en el modo (3𝜆⁄2), avanzando a lo largo del conjunto hasta que de nuevo sobrepase el extremo frontal para volver al extremo posterior en el modo (5𝜆⁄2). Este esquema hace posible obtener anchos de banda de relación de frecuencias de unos 20:1 con una construcción relativamente compacta. Las características direccionales y de impedancia se conservan buenas en todo el espectro de frecuencias, salvo en intervalos próximos a las frecuencias de transición [20]. 1.7. Antenas para la TDT en Cuba El despliegue de la Televisión Digital Terrestre es un proyecto integral de creación de infraestructura social, con la finalidad de mejorar el nivel de vida del pueblo, introduciendo una tecnología de punta que beneficia a toda la población y anticiparse a la inevitable obsolescencia tecnológica. Se prevé que la Televisión Digital estará instalada totalmente en Cuba en el año 2021, cuando se aplicará el “apagón analógico”, luego de transitar por tres etapas para introducir ese sistema de trasmisión que traerá ventajas como la mayor calidad en el servicio y el.

(32) CAPÍTULO 1: Fundamentos teóricos de las antenas con dipolos en V.. 20. tremendo ahorro de energía eléctrica en el país al desinstalarse todos los transmisores de los diferentes canales analógicos [21]. Las características de la Televisión Digital permiten un mejor aprovechamiento del espectro radioeléctrico, razón por la cual, el espectro dedicado a la transmisión de televisión será reducido a la Banda III de VHF desde el canal 7 al 13 y la Banda de UHF desde el canal 14 al 52 [22]. Además, se pretende emigrar hacia la banda de UHF, o sea, a partir de 470 MHz y hasta aproximadamente 700 MHz (canal 51). Esta reducción del espectro hace necesaria una nueva distribución de canales a los centros transmisores de televisión en el país. En el Anexo I se muestra el plan de canalización para Televisión Digital en Cuba y el transmisor con su canal correspondiente para cada municipio específico en la actualidad [23]. Por todo esto en nuestro país se necesitarán antenas con excelentes características para lograr una correcta recepción de la señal. En Cuba se han introducido antenas log periódicas de dipolos para la recepción de la TDT como lo son los modelos LPV345HV, ADM 009 y la ADM 001 muy popular en la población cubana, las cuales son validadas en el Instituto de Investigación y Desarrollo de Telecomunicaciones (LACETEL).. Parámetros de calidad de la televisión digital Los principales parámetros para medir la calidad de la televisión digital terrestre son los siguientes: Potencia de la señal: La potencia de la señal que se recibe en la toma de la vivienda o local, se mide en dBm. El valor admisible mínimo conocido como TOV: Umbral de Visibilidad (Threshold Of Visibility), según el Standard UIT-R BT. 2032-2 y en pruebas realizadas en laboratorios indican valores inferiores de -85 dBm para algunos receptores repartidos a la población cubana. Sin embargo, en la práctica, en algunas mediciones realizadas con antenas exteriores en diferentes localidades del territorio nacional, los niveles débiles oscilaban por debajo de -68 dBm los cuales también se ven la Tabla 1.1..

(33) CAPÍTULO 1: Fundamentos teóricos de las antenas con dipolos en V.. 21. Tabla 1.1. Indicadores de recepción de la señal en receptores de TVD. (Fuente [24] [25]) Rango de niveles según UIT-R BT.2035-2. Indicador según UIT-R BT.2035-2. >-15dBm. Muy intenso. -15 dBm>nivel>-28 dBm. Intenso. -28 dBm>nivel>-53 dBm. Moderado. <-68 dBm. Débil. MER (Modulation Error Ratio, Razón de Error en la Modulación): El MER, en términos de QAM (Quadrature Amplitude Modulation, Modulación de Amplitud de Cuadratura) que es la modulación más usada en TDT, es la razón entre la amplitud del símbolo promedio (Sp) y la amplitud del error promedio (E) para el símbolo que normalmente se mide en dB. 𝑆𝑝. 𝑀𝐸𝑅 = 20 log10 ( 𝐸 ). (1.32). Es la equivalente a la Relación Señal a Ruido (S/N) pero en la modulación. Se define también como un factor que nos informa de la exactitud de una constelación digital mostrado en el anexo II. El valor aceptable del parámetro MER no está determinado. La mayoría de los receptores actuales decodifican correctamente la señal que toma, si se dispone de una MER > 20 dB con un valor mínimo aconsejable de 22 dB. El valor mínimo aconsejable para la MER en una antena es de 23 dB. La MER puede verse alterada por las señales multitrayecto, interferencias, ruidos provocados por el hombre, entre otros [26]. BER (Bit Error Ratio): Es el parámetro fundamental que nos determina la calidad de la señal demodulada (trama de transporte) de los sistemas de televisión digital terrestre. Es el número de bits o bloques incorrectamente recibidos, con respecto al total de bits o bloques enviados durante un intervalo específico de tiempo. Esta es la medida fundamental para determinar.

(34) CAPÍTULO 1: Fundamentos teóricos de las antenas con dipolos en V.. 22. la calidad de la señal. Para una correcta decodificación de la señal digital, únicamente se define un valor del BER < 2 x 10−4 después de la decodificación en el receptor. Por encima de este valor, es imposible realizar la decodificación debido al gran número de errores presentes en el flujo de datos [26] [27]. C/N (Relación Portadora a Ruido): Es también importante a la hora de realizar la decodificación. Si la C/N está por debajo de cierto valor, la decodificación no se puede realizar [27] Todos estos parámetros descritos anteriormente se pueden calcular con instrumentos de medida como son los Medidores de Campo Portátiles con diversas funcionalidades, donde se pueden observar dos mediciones de campo a una distancia considerable de un transmisor de dos antenas: una exterior y otra interior pasiva dentro de un local, a través del instrumento, el Analizador de TV DEVISER S7000. 1.8. Conclusiones del capítulo En este capítulo quedaron expuestos las principales características de las antenas interiores y de una de las antenas exteriores más utilizadas: la log periodica de dipolos (LPD). Estas antenas son muy utilizadas en nustro país para la televisión digital terrestre, pues, un buen diseño cumple con todos los parámetros requeridos para una alta calidad de servicio. Se analizaron sus características y métodos de diseño. Se hizo énfasis en una de las variantes de antenas log periódicas: la antena log periódica de dipolos en V (LPDV). Esta antena será diseñada y simulada con la ayuda del software CST Microwave Studio a igual que una antena interior conformada, también, por un dipolo en V..

(35) CAPÍTULO 2: Diseño y simulación de antenas de dipolos en V.. 23. CAPÍTULO 2. Diseño y simulación de antenas de dipolos en V 2.1. Introducción En este capítulo se realiza el diseño y simulación de una antena interior y una log periódica exterior destinada a trabajar en las bandas VHF y UHF de la TDT en Cuba. La antena interior estará conformada por un dipolo doblado en V. La antena exterior será una del tipo log periódica. Partiendo de su diseño clásico, se modificará la inclinación de los brazos de los dipolos, buscando el ángulo óptimo para lograr una antena LPDV con mejor directividad y mayor ganancia que la clásica. Luego, con la ayuda del software CST Microwave Studio, se analizarán los diseños realizados para obtener las características de pérdidas por retorno, razón de onda estacionaria y ganancia, confirmando así la validez de estos. 2.2. Descripción del software a utilizar para la simulación El programa de simulación CST Microwave Studio 2015 es una herramienta especializada para la simulación electromagnética en tres dimensiones (3D) basado en el método de las Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo. Es un programa creado por la empresa CST (Computer Simulation Technology), que se dedica a proporcionar software para el diseño electromagnético en todas las bandas de frecuencia. Algunas aplicaciones típicas incluyen dispositivos de RF y microondas para comunicaciones móviles inalámbricas. Es un programa muy completo con multitud de opciones de configuración, ajuste y presentación de resultados, que permiten obtener una visión del comportamiento de los diseños electromagnéticos. Dispone de una interfaz gráfica muy potente, que permite generar todo tipo de superficies y volúmenes, pudiéndose combinar de forma booleana para generar nuevas formas según convenga..

(36) CAPÍTULO 2: Diseño y simulación de antenas de dipolos en V.. 24. A la hora de diseñar, se definen las unidades en las que se trabajan, MHz para la frecuencia, así como mm para las dimensiones físicas. El material que se utiliza en el diseño se puede escoger entre un conductor eléctrico perfecto (PEC) y un material real con su permitividad y sus pérdidas [28] [29]. Otro aspecto importante es elegir el rango de frecuencias con el que se trabaja. El programa dispone de 5 módulos de cálculo:  Transient Solver  Eigen Mode Solver  Frequency Domain Solver  Resonant: Fast S-Parameter solver  Resonant: S-Parameter Fields solver El módulo solucionador Transiente (Transient Solver) es la más utilizada en la simulación de antenas, fundamentalmente en las simulaciones efectuadas. Es un simulador electromagnético en 3D de propósito general que proporciona la propagación del campo bajo estudio en el dominio del tiempo. Es la herramienta más flexible del programa y permite simular la mayoría de problemas electromagnéticos. Una vez elegido el simulador Transient Solver, se pueden definir 2 tipos de puertos:  Waveguide Port.  Discrete Port. A la hora de realizar las simulaciones de las antenas, se ha optado por utilizar Puerto Discreto (Discrete Port) con el fin de satisfacer las diversas variantes de alimentación de las antenas. Con la utilización del software se encontrarán los diferentes parámetros como son el patrón de radiación, la impedancia de entrada compleja, la razón de onda estacionaria (ROE), la ganancia directiva, el coeficiente de radiación trasera, el ángulo de elevación y la polarización, entre otros, variando las características físico-constructivas de la antena, y se obtendrá un método de diseño para las antenas utilizadas, según los resultados obtenidos..

(37) CAPÍTULO 2: Diseño y simulación de antenas de dipolos en V.. 25. 2.3. Recomendaciones para el diseño de antenas para TDT La Comisión de la TV Digital encomendó a la Empresa de Antenas de Villa Clara la tarea de realizar antenas multibanda con ganancia de potencia relativamente mediana. Considerando el futuro apagón analógico donde existirá cobertura de la TDT en todo el país con transmisores de mayor potencia que los actuales, las futuras antenas para la recepción de la TDT deben poseer aproximadamente entre 5 dBi y 7 dBi de ganancia de potencia. Especialmente diseñadas para viviendas que estén cercanas al transmisor, aproximadamente hasta 30 km como principal característica, deben tener buen desempeño en la banda de VHF, desde el canal 7 al 13, y en la banda de UHF, desde el canal 14 al 52. Según la recomendación anterior y la disponibilidad de fabricación de las antenas en la industria nacional se tuvo en cuenta las siguientes especificaciones:  Las antenas deben operar dentro del rango de frecuencias de 174 a 216 MHz (Banda III de VHF) y de 470 a 698 MHz (Banda de UHF).  El alimentador de la línea de transmisión será un cable coaxial de 75 Ω.  El diámetro de los dipolos será de 10 mm, que utiliza la Empresa de Antenas de Villa Clara en estos momentos, para facilitar su posterior fabricación para la realización de las mediciones. Para la antena LPDV:  La longitud máxima no debe sobrepasar los 800 mm debido a su costo.  La ganancia de potencia de la antena debe ser mayor que 5 dBi en la banda VHF y que 7 dBi en la banda UHF.  Los lados del boom cuadrado (conductores de la línea de transmisión para el caso de las antenas LPD) serán de 18 mm. 2.4. Antena interior o dipolo en V Experimentalmente, se simuló un dipolo de 𝜆𝑉𝐻𝐹 ⁄2 para la la frecuencia central de la banda de VHF en 195 MHz. El mismo inicialmente fue calculado con la ecuacion aproximada para un dipolo: 𝐿𝑑𝑖𝑝𝑜𝑙𝑜 =. 𝜆𝑉𝐻𝐹 2. 300. ∗ 0,95 = 2∗195 ∗ 0,95 = 730𝑚𝑚. (2.1).

(38) CAPÍTULO 2: Diseño y simulación de antenas de dipolos en V.. 26. Luego fue optimizado para trabajar en 195 MHz con una longitud de 720 mm y se comprobó que el mismo resuena en el segundo modo en 3𝜆𝑈𝐻𝐹 ⁄2 a la frecuencia central de UHF de la TDT, aproximadamente 600 MHz. Posteriormente el mismo fue doblado a un ángulo óptimo de 55° con el objetivo de lograr una antena de “orejas de conejo” que se pueda utilizar como antena interior. En la figura 2.1 se muestran dos modelos propuestos como antena interior visualizados en CST-MS.. Figura 2.1. Antenas interiores de dipolos diseñadas en CST-MS 2.4.1 Simulación y análisis de la antena interior de dipolo en V Además de la longitud del dipolo inicialmente calculado también se agregó dentro del ambiente del CST-MS la base y soporte metálico que influyen en el parámetro de impedancia y radiación de las antenas. Primeramente, se muestran los resultados con relación a la ROE tanto del dipolo recto como el dipolo en V en la Figura 2.2. La curva roja corresponde a la ROE del dipolo recto y la curva verde a la del dipolo en V.. Figura 2.2. Relación de Onda Estacionaria (ROE) en función de la frecuencia en VHF y UHF de TDT en los dipolos.

(39) CAPÍTULO 2: Diseño y simulación de antenas de dipolos en V.. 27. Como se puede observar, los dipolos resuenan tanto en la frecuencia central de VHF, como en la de UHF. Aun así, el dipolo en V con ancho de banda más reducido contiene las frecuencias de interés, las que corresponde a la frecuencia central del canal 13 y canal 32 con una ROE por debajo de 2. A continuación, se muestra la ganancia de potencia de los dos dipolos en la Figura 2.3. Se puede notar que en UHF, principalmente en 581 MHz (Canal 32 de Alta Definición de Santa Clara) la ganancia es mayor.. Figura 2.3. Ganancia de potencia en función de la frecuencia de VHF y UHF de TDT La antena de dipolo en V resulta conveniente como antena interior dentro de la ciudad de Santa Clara y otros lugares donde los canales de los transmisores de TDT estén comprendidos dentro del rango de su desempeño. Se puede observar que la ganancia del dipolo en V en el canal 13 de VHF es menor, pero la señal de este se transmite con suficiente potencia (2,5 kW) y la propagación es más favorable, lo cual compensa las pérdidas de ganancia. En el caso del canal 32 ocurre lo contrario porque se transmite en UHF con solo 1 kW y las perdidas por propagación en el medio son mayores y requiere aumentar un poco la ganancia para mejorar la recepción. 2.5. Diseño y simulación de la antena log periódica clásica La antena log periódica clásica es la que está compuesta por un arreglo de dipolos, también llamadas LPDA. Los dipolos están generalmente, formando entre sí, un ángulo de 180º..

(40) CAPÍTULO 2: Diseño y simulación de antenas de dipolos en V.. 28. 2.5.1 Diseño según la solución del método de Carrel Se requiere lograr una antena que trabaje en los modos 𝜆⁄2 y 3𝜆⁄2, por lo que se eligió como frecuencia mínima 156 MHz para el primer modo y 470 MHz (frecuencia mínima en UHF) para el segundo modo. La frecuencia de 470 MHz se dividió en 3 partes para escoger la frecuencia mínima del primer modo. Se utilizó el mismo procedimiento para obtener la frecuencia máxima del primer modo, la que resultó ser 232 MHz. Se evidencia que la banda de frecuencias de 156 MHz a 232 MHz contiene la de VHF. Para lograr una ganancia mayor que 6.5 dBi aproximadamente se escogió un factor de escala 𝜏=0,9. Para estos valores la 𝜎 óptima resultante es 0,17, pero para lograr que la longitud del boom sea lo más corta posible, se eligió una 𝜎 = 0,08. Para realizar los cálculos correspondientes al método de Carrel se utilizó el software LPCAD35 como se muestra en la figura 2.4; donde se utilizaron los parámetros de trabajo antes expuestos. En el diseño de la antena LPDA se tienen en cuenta que los parámetros de diseños 𝜏 y 𝜎 son los que regulan la ganancia, el ancho de banda y la longitud de la misma. A través de LPCAD35 se pueden ajustar los parámetros para lograr la antena con el mejor desempeño, ya que este software utiliza las ecuaciones de diseño ofrecidas en algunas bibliografías [30] para un mejor diseño en el menor tiempo posible. El cálculo en LPCAD 35 consiste en introducir valores como: la frecuencia inferior (fmin ), la frecuencia superior (fmax ),τ, 𝜎 y el diámetro del primer elemento. Con estos datos el software puede calcular el número de dipolos, la longitud, el diámetro, y el espaciamiento entre ellos. También permite calcular la impedancia de la línea de transmisión que alimenta los dipolos a partir de la impedancia de entrada de 75 Ω. Además, se obtiene la separación centro a centro de la línea de transmisión tubular cuadrada..

(41) CAPÍTULO 2: Diseño y simulación de antenas de dipolos en V.. a). 29. b). c). d). Figura 2.4. Presentación del software LPCAD 35 para el diseño de la antena LPDA. a) ventana de inserción y cálculo de los parámetros esenciales, b) cálculo de los parámetros constructivos de los dipolos, c) cálculo de la línea de transmisión y d) presentación del diseño Finalmente, se obtuvieron los siguientes resultados: -Número de dipolos: 7 -Ganancia aproximada: 7 dBi -Longitud de cada uno de los dipolos: L1= 92,0 cm. -Espaciamiento entre los dipolos: R1= 14,0 cm.

(42) CAPÍTULO 2: Diseño y simulación de antenas de dipolos en V.. L2= 82,8 cm. R2= 13,2 cm. L3= 74,5 cm. R3= 11,9 cm. L4= 67,0 cm. R4= 10,2 cm. L5= 60,3 cm. R5= 9,7 cm. L6= 54,3 cm. R6= 8,7 cm. 30. L7= 48,9 cm -Longitud del boom cuadrado: 709 cm -Espaciamiento entre los booms: 30 cm 2.5.2 Simulación El software CST Microwave Studio 2015 permite trabajar con facilidad a la hora de diseñar los propios modelos, lo que permite comprobar el diseño de estructuras resonantes según los métodos teóricos de diseños. Primeramente se definen las unidades en las que se trabajará, para las dimensiones milímetros (mm) y megaHertz (MHz) para la frecuencia. Para diseñar una antena log periódica de dipolos es necesario utilizar las herramientas que permiten crear cubos y cilindros, definiendo las coordenadas de los elementos se construirá una antena alimentada por un puerto discreto a través de una línea de transmisión. Cada elemento de la antena se le asignará un material, es este caso será conductor eléctrico perfecto (PEC). Finalmente la estructura quedará como se muestra en la figura 2.5.. Figura 2.5. Antena LPDA diseñada en CST-MS.

(43) CAPÍTULO 2: Diseño y simulación de antenas de dipolos en V.. 31. Al tener todo listo se activa el Transient Solver y el programa abre una ventana para fijar el margen para la simulación. Dependiendo de la potencia del ordenador empleado, la simulación puede tardar varios minutos o incluso horas, por ello en la parte inferior derecha aparece la barra de progreso de la simulación y un botón donde poder abortarla si fuera necesario. En la ventana de mensajes, el software irá informando del progreso de la simulación y de si se produce o no algún error. Al terminar la simulación se puede acceder a los diferentes resultados 2.5.3 Resultados de la simulación La simulación de la antena LPDA clásica mostró resultados buenos pero mejorables. Estos se miden en cuanto a pérdidas por retorno en dB, razón de onda estacionaria (ROE) y ganancia directiva en dBi. El barrido de frecuencias se realizó desde 174 MHz hasta 698 MHz, o sea, abarcando las dos bandas de frecuencias de interés. En todos los casos se observa como la antena resuena en el primer y segundo modo y atenúa las frecuencias que no pertenecen a las bandas VHF y UHF de TDT. Se va a señalar en cada gráfica el comportamiento de cada parámetro en el inicio y final de las bandas de VHF y UHF y en la frecuencia central de los canales 13 y 32, los cuales son los principales canales de transmisión de la señal de TDT en Santa Clara. En la figura 2.6 se muestra el comportamiento de la antena LPDA clásica en cuanto a las pérdidas por retorno.. Figura 2.6. Pérdidas por retorno de la LPDA clásica.

(44) CAPÍTULO 2: Diseño y simulación de antenas de dipolos en V.. 32. Las pérdidas por retorno de una antena que trabaja correctamente debe ser menor que -10 dB. Se observa que la banda de VHF está por debajo de -15 dB lo que indica que en esta banda la antena funciona satisfactoriamente. No es así en la banda de UHF, ya que se encuentra en la zona más crítica, por debajo de -6 dB. Esto se mejorará con las posteriores modificaciones del diseño. El comportamiento de la razón de onda estacionaria (ROE) se muestra en la figura 2.7. La ROE óptima de una antena tiene que ser menor que 2. La gráfica muestra que la ROE en VHF está por debajo de 1,5, lo que reafirma que la antena en VHF funciona satisfactoriamente. En UHF hay valores que están por encima de 2, por lo que en las posteriores modificaciones se trabajará en función de disminuirlos.. Figura 2.7. Razón de onda estacionaria de la LPDA clásica La ganacia de las antenas multibandas deben oscilar entre los 6,5 dBi y los 10 dBi . En la figura 2.8 se muestra el comportamiento de la gancia para las bandas de VHF y UHF, señalando las frecuencias de los canales 13 y 32.. Figura 2.8. Ganancia vs. frecuencia de la LPDA clásica..

(45) CAPÍTULO 2: Diseño y simulación de antenas de dipolos en V.. 33. Como se observa, la ganancia en VHF es satisfactoria, en cambio, en UHF, la ganancia no es uniforme. Aunque en la frecuencia del canal 32 es adecuada, se debe lograr una estabilidad en el resto de la banda de frecuencias, para que los demás canales no estén afectados. 2.6. La antena LPD mejorada Para mejorar los parámetros de pérdidas por retorno, ROE y ganancia se hicieron varias modificaciones, las cuales se exponen a continuación: Dipolos en V La primera fue doblar los dipolos en V. Esto aumenta unidireccionalidad de la antena y permite un mejor desempeño de esta en los distintos modos de funcionamiento [7]. Se utlizó como ángulo de inclinación óptimo de los dipolos con respecto al boom 60º [14]. Ahusamiento de la línea de transmisión La segunda transformación fue ahusar la línea de alimentación. Esto consiste en ahusar la separación de los booms. Con esta modificación mejora la ganancia de potencia de la antena. Se realizó un ahusamiento discreto de solo 3º. Stub Por último se introdujo en el diseño una sección de línea de transmisión que actúa como cortocircuito al final de la antena. En UHF la ganancia no es uniforme, por lo que hay frecuencias que tienen ganancias muy bajas. A estas se les llama puntos débiles. Con esta transformación se eliminan dichos puntos débiles en la cobertura de frecuencias [30]. La figura 2.9 muestra un ejemplo.. Figura 2.9. Gráfica de ganancia vs. Frecuencia de una LPD sin stub y con stub. (Fuente: [30]).