diseño de una antena de banda ancha para televisión digital

DISEÑO DE UNA ANTENA DE BANDA ANCHA PARA TELEVISIÓN
DIGITAL
WIDEBAND ANTENNA DESIGN FOR DIGITAL TELEVISION
Danelys Rodríguez Ávila1, Héctor Manuel Águila Acosta 2, Francisco Marante Rizo3.
1
ISPJAE. Ing.mail: [email protected]
2
3
ISPJAE.Ing.mail: [email protected]
ISPJAE DrC. mail: [email protected]
Temática: El desarrollo sostenible y sustentable de las Telecomunicaciones en Cuba
La Habana, octubre 2013
RESUMEN
En el presente trabajo se realiza el diseño de una antena de banda ancha utilizando como elementos
básicos dipolos y lazos, con el objetivo de cubrir la banda de televisión digital (470-900 MHz). Para el
análisis de los resultados se tuvieron en cuenta diferentes criterios, como el coeficiente de reflexión
inferior a -10 dB en la banda de interés, valor de ROE inferior a 2 y máxima estabilidad del patrón de
radiación.
Palabras Clave: antenas balanceadas, lazos, dipolos, antena helicoidal
ABSTRACT
A wideband antenna design is described in this work. Wire antennas like dipoles and loops have been
used as basic elements. This antenna has been done with the objective of covering the bandwith of
Digital Television (470-900 MHz). The results analysis have followed some criteria like reflexion
coefficient under -10 dB, SWR below 2 and maxim stability of the radiation pattern.
KeyWords: balanced antennas, loops, dipoles, helix antenna
INTRODUCCIÓN
Con el objetivo de cubrir la banda de televisión digital (470-900 MHz) se desea diseñar una antena
receptora basada en el empleo de estructuras conocidas como lazos y dipolos. (1)
Es difícil encontrar una estructura capaz de ofrecer por sí sola el ancho de banda requerido para
recibir la señal de televisión. Para esto es preciso emplear varios elementos, de forma tal que, al
combinarlos, se logre una estructura que cubra toda la banda deseada. Además, es preciso lograr
nuestro objetivo utilizando la menor cantidad de elementos posible. (2)
Se decidió escoger al aluminio como material para el diseño, debido a la posibilidad de usar varillas
tradicionales de antenas obsoletas.
Diseño de un dipolo con espira circular.
Se decidió comenzar el trabajo con un dipolo de /2 y un lazo grande (
) debido a las atrayentes
características que presentan estos elementos, en cuanto a radiación, distribución de corriente y
ganancia. (3)
La frecuencia de trabajo estuvo definida por la frecuencia central f0, a través de las cual se definió la
longitud de onda para el diseño
0. ).
Cálculos iniciales:
fmin = 470MHz
fmax = 900MHz
.
9 Para el dipolo /2
9 Para el lazo grande.
El lazo fue trabajado como una antena helicoidal de una sola vuelta con radiación axial, donde se
establece un régimen de onda progresiva y la radiación máxima es en dirección al eje de la antena.
(4)
(3.1)
Donde C es la Longitud del lazo
1
De acuerdo a criterios de diseño de la antena helicoidal, el ancho de banda (definido como
) debe
ser menor que 1.78, lo cual significa que el lazo puede cubrir un ancho de banda de 380 MHz,
comprendido entre 495 MHz y 885 MHz, para trabajar en la frecuencia central
885
495
. (5)
1.76
Por tanto, las dimensiones del lazo se pueden calcular según:
C
C
λ
2πr
r
S
C tan
430 mm
430 mm
68 mm
430 tan12.5
95 mm
(3.2)
.
Donde S es la separación entre espiras, r el radio de la espira y
según las
recomendaciones prácticas (6)
Teniendo en cuenta los criterios mencionados anteriormente, se construyó el primer prototipo en el
HFSS (High Frequency Structure Simulator) (7), ver Figura 1.1, que luego de continuos análisis de
barridos paramétricos, fue óptimo para las siguientes dimensiones:
Tabla I: Dimensiones del primer prototipo: Lazo con dipolo
Elemento
Longitud del dipolo
Separación
entre las espiras
Radio del
conductor
Lazo
690 mm (r=110 mm)
48 mm
5 mm
Dipolo
80 mm
48 mm
5 mm
Figura 1.1 Primer prototipo: Lazo con dipolo
2
La simulación realizada arrojó un coeficiente de reflexión por debajo de -10dB entre 479 y 744 MHz
como se muestra en la Figura 1.2. Este resultado cubre solo una parte de la banda de interés, por lo
que se hace necesario modificar
las dimensiones de la estructura para así lograr nuevas
resonancias, fundamentalmente en el extremo superior.
Figura 1.2: Coeficiente de reflexión para el primer prototipo.
Análisis para el radio del lazo
Se hizo un barrido paramétrico aumentando el radio del lazo. Como se observa en la Figura 1.3, a
medida que aumenta el radio r, el coeficiente de reflexión (inferior a -10dB) va corriéndose hacia la
izquierda, alejándose de la frecuencia útil, por lo que el valor óptimo obtenido resultó para 110 mm.
Sin embargo, a medida que disminuye el radio del lazo el valor modular del coeficiente de reflexión
disminuye, como se observa en la Figura 1.4. En la gráfica se observan los resultados para radios
igual a 80 mm y 110 mm.
3
XY Plot 5
Ansoft LLC
0.00
HFSSDesign1
Curve Info
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep1
b='0mm'
-5.00
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep1
b='30mm'
-7.50
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep1
b='40mm'
-10.00
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep1
b='50mm'
d B (S (1 ,1 ) )
-2.50
-12.50
-15.00
-17.50
-20.00
-22.50
0.25
0.50
0.75
Freq [GHz]
1.00
1.25
1.50
Figura 1.3: Variación del coeficiente de reflexión con el radio del lazo.
Figura 1.4: Coeficiente de reflexión a medida que disminuye el radio del lazo.
Análisis para la longitud del dipolo y la separación de sus brazos.
Al aumentar la longitud del dipolo o la separación de sus brazos el coeficiente de reflexión no mostró
resultados favorables. En la Figura 1.5 se observa cómo, al aumentar la longitud del dipolo a 100 mm,
4
disminuye el ancho de banda. Con similar comportamiento se mostraron los resultados obtenidos en
la variación de la separación entre los brazos del dipolo, siendo su valor óptimo de 48 mm como se
observa en la Figura 1.6.
Figura 1.5: Coeficiente de reflexión a medida que varía la longitud del dipolo.
Figura 1.6: Coeficiente de reflexión a medida que varía la separación del dipolo.
5
Es necesario entonces introducir nuevos elementos que resuenen en frecuencias superiores de
interés, ya que se hicieron variaciones de todas las dimensiones de la antena diseñada y el
coeficiente de reflexión por debajo de -10 dB solo cubre 268 MHz de ancho de banda (477-745MHz),
la ROE se encuentra entre 1 y 2, en el mismo rango de frecuencias aún cuando presenta una buena
eficiencia y un patrón de radiación estable. Se hace necesario buscar soluciones que logren los
requisitos planteados al inicio del diseño (ancho de banda entre 470 MHz y 900 MHz).
Diseño de un dipolo doble con espira circular.
El primer intento por incrementar el rango de frecuencias de trabajo de la antena fue introducir un
nuevo dipolo. Luego de diferentes parametrizaciones respecto a su posición y dimensiones, se
conformó una estructura (Figura 1.7) que mostró resultados favorables, los cuales serán descritos a
continuación.
Con valores de radio del lazo de 110 mm, longitud del dipolo inicial (dip) 80 mm, separación del dipolo
inicial 60 mm, longitud del dipolo añadido (dip2) 100 mm con separación de 80 mm entre sus brazos
quedó optimizado el diseño.
Figura 1.7: Nueva estructura conformada.
En la Figura 1.8 se observa el comportamiento del coeficiente de reflexión del nuevo diseño cuando
varía la longitud del nuevo dipolo (dip2). El mejor resultado se obtiene para la longitud de 140 mm,
lográndose un ancho de banda de 419 MHz, que va desde los 589 MHz hasta 1 GHz
aproximadamente. Es posible notar que el borde superior de este rango supera el límite superior de
ancho de banda requerido, sin embargo no sucede así con el borde inferior, el cual no cubre la banda
de interés desde los 400MHz hasta los 589MHz.
6
XY Plot 1
Ansoft LLC
-0.0000
0.00
HFSSDesign1
-0.0000
Curve Info
-3.8775
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep1
long_dip2='80mm'
-6.3210
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep1
long_dip2='100mm'
-10.0000
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep1
long_dip2='120mm'
-5.00
d B ( S ( 1 ,1 ) )
-10.00
-10.0000
-10.2319
-11.2528
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep1
long_dip2='140mm'
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep1
long_dip2='160mm'
-15.00
-20.00
-25.00
0.25
0.50
0.75
MX1: 0.5897
1.00
Freq [GHz]
0.4193
1.25
1.50
MX2: 1.0090
Figura 1.8: Coeficiente de reflexión variando la longitud del nuevo dipolo.
Se dispuso nuevamente a variar la longitud del dipolo inicial (dip), esperando que su conjugación con
la nueva estructura arrojaran diferentes resultados debido al efecto mutuo establecido. De esta
manera se obtuvo el resultado esperado al aumentar la longitud del dipolo inicial hasta 140 mm se
logró desplazar el ancho de banda hacia el rango de frecuencias de interés, sin aparente reducción
del mismo. (Figura 1.9)
XY Plot 21
Ansoft LLC
0.00
HFSSDesign1
Curve Inf o
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep1
landa='600mm' sep2='0mm' sep_y='60mm'
-5.00
-10.0000
-10.0000
dB(S(1,1))
-10.00
-15.00
-20.00
-25.00
-30.00
0.25
0.50
MX1: 0.5414
0.75
Freq [GHz]
1.00
1.25
1.50
0.4093
MX2: 0.9507
Figura 1.9: Coeficiente de reflexión para dipolos de 140 mm.
7
El patrón de radiación de la antena está dado por la interacción de los dipolos con el lazo, en el cual
se ve una radiación máxima en bandas laterales asociadas a los dipolos, como se observa en la
Figura 1.10.
Figura 1.10: Patrón de radiación en 3D para dipolos de 140 mm.
Las siguientes simulaciones demostraron que el aumento de las longitudes de los dipolos, no
superaba el resultado obtenido. Se varió la longitud del dipolo añadido desde 140 hasta 160 mm (con
paso de 10 mm), manteniendo la longitud del dipolo inicial en 140 mm y se simularon los dos dipolos
con longitudes de 160 mm. El resultado se muestra en las Figuras 1.11, 1.12 y 1.13. El trabajo con el
radio del lazo tampoco arrojó resultados significativos, pues a medida que disminuye el radio del lazo
el valor modular del coeficiente de reflexión disminuye.
8
XY Plot 4
Ansoft LLC
0.00
HFSSDesign1
Curve Info
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep1
-10.0000
-10.0000
d B (S (1 ,1 ))
-12.50
-25.00
-37.50
0.25
0.50
0.75
MX1: 0.5087
Freq [GHz]
1.00
1.25
1.50
0.3833
MX2: 0.8920
Figura 1.11: Coeficiente de reflexión para dip=140 mm y dip2=150 mm.
XY Plot 6
Ansoft LLC
-4.00
HFSSDesign1
Curve Info
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep1
-6.00
-8.00
-10.0000
-10.00
-10.0000
dB(S(1,1))
-12.00
-14.00
-16.00
-18.00
-20.00
-22.00
0.25
0.50
MX1: 0.4681
0.75
Freq [GHz]
1.00
1.25
1.50
0.3079
MX2: 0.7760
Figura 1.12: Coeficiente de reflexión para dip=140 mm y dip2=150 mm.
9
XY Plot 5
Ansoft LLC
-2.50
HFSSDesign1
Curve Info
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep1
-5.00
-7.50
-10.0000
-10.00
-10.0000
dB(S(1,1))
-12.50
-15.00
-17.50
-20.00
-22.50
-25.00
0.25
0.50
MX1: 0.4839
0.75
Freq [GHz]
1.00
1.25
1.50
0.3025
MX2: 0.7865
Figura 1.13: Coeficiente de reflexión para dip= dip2=160 mm.
En la Figura 1.14 se puede observar a través de un barrido parámetrico la influencia de la separación
del dipolo inicial y del dipolo añadido sobre el coeficiente de reflexión de la antena.
XY Plot 16
Ansoft LLC
0.00
HFSSDesign1
Curve Info
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep1
landa='500mm' sep2='0mm' sep_y='20mm'
-5.00
-7.9137
-8.2094
-10.0000
-10.00
-8.5599
-10.0000
-11.7636
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep1
landa='500mm' sep2='0mm' sep_y='40mm'
-11.4746
-12.0609
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep1
landa='500mm' sep2='0mm' sep_y='60mm'
-15.00
d B ( S ( 1 ,1 ) )
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep1
landa='500mm' sep2='0mm' sep_y='80mm'
-20.00
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep1
landa='500mm' sep2='10mm' sep_y='80mm'
-25.00
-30.00
-35.00
-40.00
-45.00
0.25
0.50
MX1: 0.4646
0.75
Freq [GHz]
1.00
1.25
1.50
0.4756
MX2: 0.9403
Figura 1.14: Influencia de la variación de la separaciónde los dipolos sobre el coeficiente de
reflexión.
Se destaca la separación de 80 mm para el dipolo inicial y de 100 mm para el dipolo añadido pues es
la configuración de mayor ancho de banda (475 MHz).
En espera de obtener mejores resultados se siguió modificando la posición de los dipolos en la
10
estructura. Luego de la optimización de los parámetros de interés, la posición más adecuada para
cada elemento de la antena, arrojó resultados relevantes para las dimensiones que se muestran en
las Fig 1.16 a), b), c)
Figura 1.15 Antena Propuesta
a)
b)
c)
Figura 1.16 a), b), c) Dimensiones de la Antena Propuesta
11
Se obtuvo un coeficiente de reflexión inferior a -10 dB desde 300 MHz hasta 10 GHz como se
muestra en la Figura 1.17. La razón de onda estacionaria se mantuvo por debajo de 2 en el mismo
rango de frecuencias anteriores, como se muestra en la Figura 1.18.
XY Plot 2
Ansoft LLC
-10.00
Name
-10.8686
m1
X
HFSSDesign1
Curve Info
Y
m1
0.3818 -14.1605
m2
1.0364 -18.3966
m3
3.3374 -18.4950
m4
6.8646 -33.7461
m5
5.4929 -20.2265
dB(S(1,1))
Setup1 : Sw eep1
landa='400mm'
-15.00
m2
m3
m5
dB(S(1,1))
-20.00
-25.00
-30.00
m4
-35.00
0.00
2.00
4.00
Freq [GHz]
6.00
8.00
10.00
MX1: 0.3000
Figura 1.17: Coeficiente de reflexión para el modelo final. (Valor inicial en 300MHz =-10.86 dB)
XY Plot 4
Ansoft LLC
1.88
HFSSDesign1
Curve Info
VSWR(1)
Setup1 : Sw eep1
landa='400mm'
1.8016
1.75
1.63
VSWR(1)
1.50
1.38
1.25
1.13
1.00
0.00
2.00
4.00
Freq [GHz]
6.00
8.00
10.00
MX1: 0.3000
Figura 1.18: VSWR por debajo de 2 en todo UHF y más (Valor inicial en 300 MHz: 1.8)
La Figura 1.19 muestra la impedancia de entrada de la nueva configuración, en el cual los valores
medidos para el rango de frecuencias de interés poseen desviaciones admisibles de los valores
12
ideales para la aplicación deseada.
XY Plot 5
Ansoft LLC
100.00
HFSSDesign1
Curve Inf o
im(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep1
landa='400mm'
re(Z(1,1))
Setup1 : Sw eep1
landa='400mm'
84.6468
80.00
67.6835
Y1
60.00
40.00
20.00
15.5943
0.00
-15.5709
-20.00
0.00
2.00
4.00
Freq [GHz]
6.00
8.00
10.00
MX1: 0.4700
0.5000
MX2: 0.9700
Figura 1.19: Impedancia de entrada hasta 10 GHz
En la Tabla II se recogen los valores de impedancia tanto real como imaginaria medidos en cada
extremo de la banda analizada (470MHz-10GHz)
Tabla II: Impedancia real e imaginara para 470MHz y 1 GHz
Frecuencias
470 MHz
1 GHz
Re (Z11)
67.68 Ω
83 Ω
Im (Z11)
15.59 Ω
-16 Ω
La antena en cuestión posee une buena eficiencia de radiación (99%), además muestra patrones de
radiación acordes a la aplicación deseada en el cuál se observa una influencia predominante del
patrón de radiación de los dipolos reforzado por el lazo, como se observa en la Figura 1.19. La
ganancia máxima de la antena es de 1.1 dB aproximadamente (Figura 1.20), la cual es un valor típico
para los elementos que conforman la antena.
13
Figura 1.19: Patrón de Radiación 3D (Vista superior)
Figura 2.20: Patrón de Radiación de la antena 2D. Análisis de las mediciones de la antena.
La culminación del ciclo investigativo se basa en la etapa de medición, la cual resulta de gran interés
en la comparación de los resultados obtenidos de forma práctica con los teóricos esperados.
Luego de analizar los resultados obtenidos en las simulaciones se realizó la construcción del prototipo
de antena que presentó los mejores resultados: Dipolo doble con espira circular, la cual se muestra
en la Figura 2.21.
14
Figura 2.21: Antena construida.
Los resultados obtenidos se observan en la Figura 2.22, en la cual se aprecia un coeficiente de
reflexión inferior a -10 dB, desde los 400 MHz hasta 2 GHz.
Figura 3.41: Coeficiente de reflexión para la antena construida.
El prototipo construido no solo cumple con los objetivos de ancho de banda propuestos inicialmente,
es posible notar además que la medición de la estructura mostró resultados similares a los obtenidos
en la simulación, lo que corrobora la fiabilidad del software utilizado HFSS.
15
CONCLUSIONES
Para la obtención de un amplio rango de frecuencias a través de estructuras básicas como lazos y
dipolos es necesaria su combinación de manera que contribuyan, según sus dimensiones, a la
generación de diferentes frecuencias de resonancias para la conformación del ancho de banda
deseado. Luego de evaluado cada prototipo de manera independiente hasta la obtención del máximo
de sus potencialidades, no termina el proceso de análisis del mismo, ya que éste no se comporta de
igual forma al introducir otros dispositivos al sistema. Fue posible la obtención de un prototipo de
antena conformada por lazos y dipolos que cubren y sobrepasan el ancho de banda requerido para la
Televisión Digital. Los valores obtenidos en la medición de dicha antena concuerdan en gran medida
con los obtenidos en la simulación. La ganancia y el patrón de radiación describieron además valores
y forma deseados.
16
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