propuesta de antena de reflector esquinado para la recepción de

PROPUESTA DE ANTENA DE REFLECTOR ESQUINADO PARA
LA RECEPCIÓN DE TELEVISIÓN DIGITAL
PROPOSAL CORNER REFLECTOR ANTENNA FOR RECEPTION OF DIGITAL TELEVISION
Tuan Ernesto Cordoví Rodríguez 1, Roberto Jiménez Hernández 2, Máximo Ruiz Matoses 3,
1 Antenas VC, Cuba, [email protected], Carretera Central No. 536-A Esquina a Tirso Díaz, Santa Clara, Villa Clara
2 Universidad Central "Marta Abreu" de las Villas (UCLV), Cuba, [email protected]
3 Lambda Antenas, España, [email protected]
RESUMEN: El siguiente trabajo trata de un desarrollo de antena como continuidad a los que se estuvieron
realizando a partir de que la Comisión Nacional de Televisión Digital, dirigida por el Ministerio de
Comunicaciones de Cuba, planteara la necesidad de antenas para la recepción de la Televisión Digital
Terrestre (TDT). A partir de la asignación de la tarea se han realizado algunas propuestas como son: las
Antenas Yagui de 5 elementos de 300Ω, y las Antenas Log-periódicas de 75Ω. Además se incluyó a la cantera
de proyectos la antena reflector esquinado, la cual se eligió después de un breve estudio de diversos modelos y
consideraciones, de acuerdo a la utilidad y competencia con antenas extranjeras, precios, y la tecnología para
la fabricación de las mismas que se posee en la actualidad. También como objetivo fundamental se tuvo en
cuenta aprovechar algunos materiales ociosos y de lento movimiento que actualmente se encuentran en
almacén. El resultado final obtenido fue el de una antena destinada a cubrir la banda de UHF del canal 14 al 52
para propósitos de Televisión Digital fundamentalmente. También se exponen criterios tecnológicos para la
reanudación de la fabricación masiva de la antena reflector esquinado para satisfacer la demanda de la
población y algunas instituciones por parte de la Empresa de Antenas de Villa Clara.
Palabras Claves: Ganancia, impedancia, patrón de radiación, coeficiente de radiación trasera, razón de
onda estacionaria
ABSTRACT: The following work is a continuation and development of antenna to which were made from the
National Commission for Digital TV, run by the Ministry of Communications of Cuba, raised the need for
antennas for reception of Digital Terrestrial Television (TDT). From the assignment of the task they have been
some proposals, such as: the Yagi Antenna 5 elements of 300Ω, and the log-periodic antennas 75Ω. Also it
included in the pool of the cornered projects reflector antenna, which was selected after a brief survey of various
models and considerations, according to the utility and competition with foreign antennas, prices, and the
technology for manufacturing the same it currently owns. Also fundamental objective was considered seize
some idle and slow-moving that are currently in stock materials. The end result was an antenna to cover UHF
channel 14 to 52 for purposes primarily Digital Television. Technological criteria are also set for the resumption
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of mass production of the reflector antenna byline to meet the demand of the population and some institutions by
the Company Villa Clara antennas.
KeyWords: Gain, impedance, radiation pattern, front to back ratio, standing wave ratio
1. INTRODUCCIÓN
Las antenas para Televisión (tanto digital como
analógica) para exteriores son muy populares en el
mercado, debido a su gran importancia en el
sistema de recepción que beneficia la calidad de la
imagen. En la práctica se ha demostrado
principalmente en la TDT, que a pesar de la
robustez de la señal, ésta se puede deteriorar por
agentes ruidosos de cualquier naturaleza que
afectan la recepción.
La Empresa de Antenas de Villa Clara 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 y
se encamina a desarrollar nuevos modelos de
antenas que satisfagan las necesidades imperantes
en estos momentos.
Para la recepción de la TDT en lugares alejados del
transmisor se utilizan antenas de relativa alta
ganancia en la banda de UHF como las antenas
Uda-Yagi pero estas poseen anchos de banda
relativamente estrecho y aunque las antenas logperiódicas son de mayor ancho de banda, son más
complejas eléctrica y mecánicamente [1]
Teniendo en cuenta criterios de diseño y requisitos
económicos se realizó un nuevo producto de
antena reflector esquinado de relativa alta ganancia
que garantiza la recepción en la banda de UHF
aprovechando algunos materiales ociosos que hoy
se encuentran en los almacenes de la Empresa de
Antenas de Villa Clara.
2. ANTENA REFLECTOR ESQUINADO
La antena reflector esquinado es una antena que se
usa fundamentalmente en aplicaciones de radar y
mediciones por tener un patrón de radiación
bastante directivo, en algunos diseños carente de
lóbulos laterales y está constituida por un dipolo
colocado a lo largo del plano de la bisectriz dentro
de dos planos reflectores con un ángulo
determinado en el vértice, el cual se recomienda
como compromiso de diseño 90º, como se muestra
en la Figura. 1, el cual está alimentado por lo
general con un dipolo de media longitud de onda
(λ/2) [2] - [3].
Figura. 1: Variantes de antenas con reflector
esquinado, (a) con planos de chapas conductoras y
(b) con plano de rejilla de conductores rectos.
2.1 Dipolo Mariposa (Bow-Tie)
La alimentación, tanto con dipolo recto o doblado
para cubrir la banda de UHF del canal 14 al 52 no
resulta conveniente, debido a su ancho banda
relativamente estrecho. Por esa razón se eligió
como elemento excitado el dipolo del tipo Mariposa
(Bow-Tie), el cual es prácticamente definido por
ángulos, y por tanto es inherente de banda ancha,
con todas sus variantes prácticas posibles,
fabricados con chapa o malla, mostrados en la
Figura. 2. Posee características bastante similares
a las de un dipolo del tipo bicónico con propiedades
físicas-eléctricas que le permiten cubrir un buen
ancho de banda. Se obtienen mejores resultados
tomando un ángulo de 80º (Figura 2a) en el vértice
de ambos monopolos [3]. Doblándolo en forma
semicónica se puede lograr reducir el tamaño del
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dipolo para evitar posible contacto físico con los
paneles del reflector esquinado (Figuras 2b y 2c).
Figura. 2: Dipolo Mariposa (Bow-Tie) propuesto
como alimentador de la antena reflector esquinado
(a) monopolo fabricado con chapa mallada, (b)
doblado semicónico del monopolo y (c) dipolo
propuesto.
En este caso se utiliza con los bordes redondeados,
que permite mayor facilidad para la colocación de
un borde de goma o plástico para cubrir los cortes
filosos que pueden producir accidentes.
2.1.1
Comparación
entre
el
Mariposa (Bow-Tie) y el
doblado
dipolo
dipolo
Utilizando la herramienta del software CST
Microwave Studio se puede apreciar el
comportamiento del parámetro razón de onda
estacionaria (ROE) que define el ancho de banda
con respecto al balance de impedancia del dipolo
mariposa en comparación al dipolo doblado en la
Figura 3. Se puede observar que el Mariposa es el
seleccionado porque posee menor ROE y mayor
ganancia adicional en todo el rango de frecuencias
de trabajo en UHF. Para antenas de TV la ROE
debe ser inferior a 2.0.
Figura. 3: Comparación entre Bow-Tie y Dipolo
Doblado: (a) ROE y (b) Ganancia de Potencia
Isotrópica
2.2 Criterios de diseño de la
reflector esquinado para UHF
Antena
En primer lugar se hizo el cálculo y simulación de
una antena con los requerimientos recomendados
por John D. Kraus en su libro Antennas, el cual
propone algunos criterios de diseño prácticos para
el caso de la antena con reflector de rejilla
mostrados en la Figura. 4a destinada a cubrir un
determinado ancho de banda con una ganancia que
puede variar entre 11 dBi a 14 dBi los cuales son
[2]:
•
Espaciamiento Sv entre el vértice y el
dipolo de 0.4λ.
•
Longitud L de cada plano reflector de
1.13λ.
La longitud H de cada varilla de 1.2λ.
El espaciamiento centro a centro de las
varillas de los paneles reflectores de
0.092λ.
El diámetro de cada varilla del reflector
de 0.015λ.
•
•
•
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•
El largo del dipolo Mariposa (Bow-Tie)
de 0.8λ a la frecuencia central.
Los parámetros anteriores son considerados para la
longitud de onda media (λc) en el centro de la
banda de trabajo y para una ganancia de 13 dBi. El
ángulo es de 45º en los vértices de los extremos
interiores de cada monopolo Mariposa (Bow-Tie)
con un doblé de 90º para alimentación con cinta de
300Ω (Figura. 1.a).
En la Tabla I se muestran los valores en milímetros
según las recomendaciones anteriores. Estos
valores fueron tomados con el objetivo de realizar
una primera simulación con el software CST
Microwave Studio para el análisis posterior de los
resultados.
Tabla I: Dimensiones de la antena recomendada
Parámetro
Valores en mm
Sv
205
L
580
H
616
G
47
Diámetro Varillas
8
Longitud Mariposa
411
Queda estructurado el reflector con 27 varillas de
616 mm cada una.
A continuación se muestran las características en
función de la frecuencia de los parámetros
fundamentales como son: la ganancia, el
coeficiente de radiación trasera y la ROE mostrados
en la Figura 4.
Figura. 4: Antena con 27 varillas con Sv=0.4λ, (a)
modelo de la antena, (b) ROE, (c) Ganancia de
Potencia y (d) Coeficiente de Radiación Trasera
La máxima ganancia está cerca del extremo
superior de la banda, en 674 MHz, con 13.6 dBi,
mientras que en las frecuencias del extremo inferior
y central se encuentra entre 11 dBi y 13 dBi. Queda
demostrado que la ganancia aumenta con la
frecuencia favoreciendo a las más altas y disminuye
en las más bajas. L y H son menores en longitudes
eléctricas, en las frecuencias más bajas y trae
consigo un decremento de la ganancia [2]. La ROE
está entre 1.6 y 3.2, valores muy elevados para
antenas de TV.
También se muestran los patrones de radiación
aproximadamente en el centro de la banda
(600MHz) en la Figura. 6.
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puede observar los resultados de las simulaciones
en la Figura. 6 donde la ganancia máxima posee un
decremento de 1 dBi con relación al modelo
anterior.
Figura. 5: patrón de radiación a 600 MHz, (a) en el
Plano Horizontal E y (b) en el Plano Vertical H
2.2.1
Antena
reflector
propuesta.
esquinado
La propuesta anterior resulta tentadora pero
costosa y poco resistente mecánicamente. Es por
ello que dio lugar a reducir el número de varillas,
aumentando la separación G entre ellas, y de los
planos reflectores a 500 mm, teniendo en cuenta la
longitud de onda en el centro de la banda, los
cuales se muestran en la Tabla II.
Tabla II: Dimensiones propuestas
Parámetro
Valores en mm
Sv
250
L
500
H
700
G
62.5
Diámetro Varillas
8
Longitud Bow-Tie
305
Figura. 6: Antena con 18 varillas, optimizada en
longitud L, H y con Sv=0.48λ, (a) modelo de antena,
(b) ROE, (c) Ganancia de potencia y (d) FTB
El número de varillas se fue reduciendo hasta
quedar en 17, y como compensación se
incrementaron las longitudes de las varillas a 700
mm para favorecer las frecuencias más bajas. Se
En la Figura 7 se muestra los patrones de radiación
en diversos planos característicos de este último
modelo.
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Figura. 7: Patrón de Radiación de la antena
propuesta, (a) Patrón de radiación en el Plano
Horizontal E y (b) En el Plano Vertical H
Estos lóbulos laterales pueden favorecer la
influencia de las reflexiones multitrayecto de la
señal y otros ruidos de gran magnitud, pero en este
caso se aprovechan las bondades y robustez de la
señal digital bajo la Norma China DTMB contra
éstos como son: el Código PN Pseudo-aleatorio de
Ruido (PN-Pseudo-random Noise) como intervalo
de guarda de cada símbolo que permite una
sincronización más rápida del sistema y una
estimación de canal más precisa, y la modulación
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing,
o Modulación por División de frecuencia Ortogonal)
utilizada en redes inalámbricas bajo estas
influencias [5].
2.3 Resultados y validación
Después de los cálculos y simulaciones se dio la
tarea de fabricar un prototipo de la antena
propuesta con el objetivo de realizar algunas
mediciones características. Para realizar estas
últimas, se tomó como referencia una antena con
similares características pero con reflector de malla
y el dipolo patrón del tipo PROMAX AMC/1, los
cuales se muestran en la Figura. 8.
Figura. 8: Antenas utilizadas en la validación, (a)
Prototipo de la antena mejorada con reflector de
varillas, (b) Antena con reflector esquinado de malla y
(c) dipolo patrón AMC/1
Se utilizaron diferentes instrumentos y accesorios
que permitieron las mediciones, los cuales son:
•
Analizador de Espectro DEVISER DSA
8853 para medición del patrón de
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radiación y las pérdidas por retorno.
•
Analizador
de
espectro
HM5014-2 como generador.
•
Analizador de TV para la medición de
potencias y otros parámetros de la señal
digital
HAMEG
•
Se utilizaron, además, cable coaxial
RG-6, un puente de pérdidas por
retorno, dos adaptadores de Impedancia
de 50Ω a 75Ω y dos adaptadores de
impedancia de 300Ω a 75Ω.
En la Figura. 9 se muestra la disposición de cada
dispositivo para establecer las mediciones
Figura. 10: Gráfico comparativo entre la ROE
Medida y Simulada
En la Figura. 10 se puede notar que la ROE esta
dentro del margen de aceptación para una antena
de TV, con una ROE inferior a 2.0.
2.3.2
Figura. 9: Conexión de instrumentos y accesorios
para mediciones, (a) Medición de Pérdidas por
Retorno, (b) Medición del patrón de Radiación
2.3.1
Medición de la ROE
Muchos analizadores de espectro no tienen la
opción de medir la ROE, pero éstos a su vez miden
las pérdidas por retorno. El método para calcular la
ROE a partir de las pérdidas por retorno (PR) se
muestra en las siguientes ecuaciones, calculando el
módulo del coeficiente de reflexión (│Γ│) desde (1)
en (2) y sustituyéndolo en (3).
PR = 20 log │Γ│
(1)
│Γ│ = 10𝑃𝑅/20
(2)
ROE =
1+│Γ│
1−│Γ│
Medición de la ganancia, del
coeficiente de radiación trasera y del
patrón de radiación
Tanto la ganancia, el coeficiente de radiación
trasera y el patrón de radiación se midieron a una
distancia de 10 m entre la antena transmisora y la
antena receptora bajo prueba, soportada por un
mástil de 3 m y una base giratoria con resolución de
10º. Se tomó como antena transmisora una antena
Uda-Yagi con reflector esquinado modelo VZENIT
UHF de TELEVES diseñada para recepción de TV
y un Analizador de Espectro como generador con
0 dBm de potencia a la salida en la frecuencia de
600MHz.
Para la medición de los parámetros característicos
se usó el método comparativo con un dipolo de
referencia [6]. Se realizaron las mediciones de tres
antenas mostradas en la Figura. 8 las cuales
también se muestran en la Tabla III. Las
ecuaciones para calcular la ganancia y el
coeficiente de radiación trasera de las antenas son
las siguientes:
G(dBi) = Pfront − Pdip + 2.15
(3)
Estas ecuaciones son insertadas en la herramienta
de software MatLab, la cual permite una
comparación gráfica de la ROE mostrada en la
Figura. 10.
(4)
Donde Pfront es la potencia en dBm recibida por la
antena bajo prueba con la parte delantera apuntado
hacia la antena transmisora y Pdip es la potencia
en dBm recibida por el dipolo de λ/2.
F� = Pfront − Pback
B
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(5)
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Donde Pback es la potencia recibida con la parte
delantera apuntando hacia la dirección contraria de
la antena transmisora.
Tabla II: Mediciones de Potencia en dBm,
Ganancia y Coeficiente de radiación Trasera
Parámetro
Pfront
Pback
G(dBi)
F/B(dB)
Antena Prototipo
-38.4
-64
11.95
25.6
Antena con malla
-37,7
-66.5
12.65
28.8
Dipolo referencia
-48.2
-48.2
2.15*
-
*Ganancia típica en dBi de un dipolo de λ/2.
condiciones ideales de espacio libre. En este caso
no se tienen estas posibilidades.
2.4 Materiales para la fabricación.
Los materiales para llevar a cabo la realización de
esta antena se encuentran disponibles. También se
cuenta la tecnología para la realización de una
producción masiva de antenas reflector esquinado,
a la cual se le designó el modelo comercial
ADM020 propuesto en la Figura 12.
La ganancia de la antena prototipo, con respecto a
la simulada, posee un decremento de 0.25 dBi,
mientras que el coeficiente de radiación trasera
posee también un decremento de 3.35 dB. Se
puede notar que la antena de malla posee mejores
parámetros que la de tubos aunque solo se puede
usar para pruebas y mediciones debido a la poca
resistencia a los fuertes vientos.
Para la medición del patrón de radiación se tomó
solo en consideración el patrón de radiación en el
plano horizontal o plano E. Los valores de potencia
recibida para cada ángulo fueron normalizados y
colocados en la Figura. 11 junto al patrón de
radiación dado por la simulación a la frecuencia de
600MHz mostrado en la Figura 7. a. El patrón de
radiación se tomó a 600MHz, debido a que en
584MHz (que es el centro de la banda de
operación) transmite el Canal Digital 32 de Santa
Clara y crea interferencias.
Figura. 11: Gráfico comparativo entre los Patrones
de Radiación en el Plano E simulado y medido.
Las variaciones en el patrón de radiación son
debido a la influencia de las señales multitrayecto
que se suman con la señal directa proveniente de la
antena transmisora y que se reflejan desde el
suelo. Para las mediciones anteriores se
recomienda realizarlas en una Cámara Anecóica
con paredes absorbentes que simula las
Figura. 12: Modelo de antena ADM 020 para
propósitos comerciales, (a) modelo original, (b)
plegado de la antena para su empaquetado y
transportación, y (c) despiece de la antena.
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El listado de materiales que conforma la antena es
el siguiente:
a. Boom de tubo cuadrado 18x18mm
b. Soporte esquinado a 90 grados para el
plano reflector
c. Varilla de reflector de 8 mm de diámetro
(actualmente ocioso)
d. Abrazadera dentada
e. Grapa
f. Tapón extremo para varilla de 8 mm
g. Tapón extremo para perfil de 18 x18
h. Tornillo de cabeza de mariposa M4X30
i. Tuerca de mariposa M4
j.
Tuerca M6
k. Caja de dipolo inferior
l.
Pétalo
de
dipolo
o
monopolo
(actualmente ocioso)
m. Tuerca de mariposa M6
n. Caja de dipolo superior
o. Boom de soporte para varillas de
reflector
p. Remache Cherry de 4mmX8mm para
fijación de los soportes esquinados y
3X8mm para la sujeción de las varillas a
cada plano reflector
3. CONCLUSIONES
A
través
de
este
trabajo
se
muestra
fundamentalmente la actividad que realiza la
Empresa de Antenas de Villa Clara, encontrándose
inmersa en el desarrollo y despliegue de la
Televisión Digital en todo el territorio nacional. Se
propuso un tipo de Antena reflector esquinado ADM
020, se comparó con un diseño teórico, se
analizaron sus parámetros radioeléctricos a través
de un software profesional, se midieron las
características de impedancia y radiación con la
instrumentación requerida donde se comprobó la
validez de los resultados y se propuso un modelo
para su fabricación.
Se consideró también la importancia de agregar
nuevos productos a nuestra cantera de proyectos, y
como
recomendaciones
consideramos
las
siguientes:
4. AGRADECIMIENTOS
Se les agradece profundamente a los compañeros
directores de la Empresa Lambda Antenas, de
España, por el apoyo desinteresado brindado en la
realización de este primer trabajo en conjunto, el
cual nos fue vital para fortalecer los lazos de
colaboración y amistad. Se le agradece al
Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones
de la UCLV y al Instituto de Investigación y
Desarrollo de Telecomunicaciones (LACETEL) por
brindar todo el apoyo necesario a la Empresa de
Antenas. Y por último un fuerte agradecimiento a la
Republica Popular China por la donación de la
instrumentación que permitieron realizar este
trabajo
5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1. Amador Fundora, J, A.: "Antena de Banda
Ancha para la Recepción de Televisión", Facultad
de Ingeniería Eléctrica, CUJAE, pp. 2 – 3, Ciudad
de La Habana, 2013.
2. Kraus, J, D.: "Antennas", 2da Edición, pp.
549 – 559, New Delphi, 1988.
3. Balanis, C, A.: "Antenna, Theory, Analysis
and Design", 3ra Edición, pp. 884 - 889, 2005.
4. Brown, G, H. y O. M. Woodward:
"Experimentally
Determined
Radiation
Characteristics
of
Conical
and
Triangular
Antennas",
Research
Department,
RCA
Laboratories Division, pp. 25 – 27, Princeton, N. J.
1952.
5. Song J.: "DTMB，DTMB-A, and the
Extended Applications" DTV Technology R&D
Center, Department of Electronic Engineering,
Tsinghua University, pp. 15 – 16, China, 2014
6. Albornoz J. M.: "Medición de Parámetros
Característicos en Antenas" Facultad de Ingeniería
Eléctrica de la Universidad de los Andes, pp. 92 –
95. Mérida, Venezuela, 1995
6. SÍNTESIS CURRICULARES
AUTORES
LOS
Tuan E. Cordoví Rodríguez, Ingeniero en
Telecomunicaciones
y
Electrónica,
Especialista Principal de I+D de la
Empresa de Antenas de Villa Clara,
graduado en el año 2010 en la Universidad
Central “Marta Abreu” de Las Villas
(UCLV). Correo: [email protected],
Teléfonos: 042 291364, +53 58497783.
• Introducir estas antenas en la cartera de
productos de la empresa con vistas a su
gestión de mercadotecnia.
• Seguir
perfeccionando
estos
diseños,
agregando otros modelos de antenas con
características similares y mediante el estudio
de diferentes materiales para su fabricación.
DE
Roberto Jiménez Hernández, Profesor Titular, Consultante y de
Mérito, Doctor en Ciencias Técnicas. Graduado en la Facultad de
“VII Simposio de Telecomunicaciones”
Cordoví, T., Jiménez, R., Matoses, M. | “Propuesta de Antena de Reflector Esquinado para la recepción de Televisión Digital”
Ingeniería Eléctrica en Noviembre de 1964 en la Universidad
Central “Marta Abreu” de Las Villas en la Especialidad de
Telecomunicaciones. Graduado de Doctor en Ciencias Técnicas en
la especialidad de Radiocomunicaciones (Ph. D.) en el Instituto
Nacional de Investigaciones de Radio de Moscú en Junio de 1979
en el tema “Investigación de los parámetros eléctricos de las
antenas lineales para radiodifusión y radiocomunicaciones”.
Máximo Ruiz Matoses, Ingeniero en Telecomunicaciones y
Director Técnico de la Empresa Española Lambda Antenas.
“VII Simposio de Telecomunicaciones”