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.

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