Diseño, Evaluación y Construcción de una Antena de Televisión Digital para Vehículos Juan Guillermo Estrada Escobar 5 de diciembre de 2013

Índice general 1

Objetivos 1. Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. Objetivos específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. Especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Marco Conceptual 1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Taxonomía de antenas de ventana . . . . . . . . . 2.1. Antenas Parche enmalladas . . . . . . . . . 2.2. Antenas mimetizadas en el desempañador . 3. Estructuras impresas . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1. Consideraciones técnicas adicionales . . . 3.1.1. Elementos del carro . . . . . . . 3.1.2. Diversidad . . . . . . . . . . . . 3.1.3. Materiales . . . . . . . . . . . . 3.2. Técnicas o Métodos de simulación . . . . . 3.2.1. Discretización de volumen . . . 3.2.2. Discretización de Superficie . . . 4. Antenas Planas Multibanda . . . . . . . . . . . . . 4.1. Antena F Invertida Plana . . . . . . . . . . 4.2. Arreglo de Antenas . . . . . . . . . . . . 4.3. Antena Monopolo Rectangular Modificada

3

Diseño 1. Desarrollo Teórico . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. Desarrollo del modelo de simulación . . . 1.2. Diseño de la antena para TDT . . . . . . . 1.3. Diseño de la antena multibanda FM y TDT 1

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7 7 7 7

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9 9 12 12 14 16 21 22 22 23 23 24 24 24 24 26 26

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29 29 30 32 34

ÍNDICE GENERAL 2.

4

5

2

Viabilidad de la Implementación de una antena Multibanda para TDT, Radio FM y Radio AM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

Resultados 1. Implementación . . . . . . . . . . . 2. Plataforma de Medición . . . . . . . 3. Antena de TDT . . . . . . . . . . . 4. Antena Multibanda para TDT y FM Conclusiones

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38 38 40 41 41 45

Índice de figuras 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7

2.8 2.9 2.10 2.11 2.12

2.13 2.14 2.15 2.16

2.17 2.18

Vehículo con antena tradicional látigo de techo . . . . . . . . . . . . . . . Antenas necesarias en el vehículo. Tomado de [1] . . . . . . . . . . . . . . Antena parche malla. Modificada de [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Antena “see through”. Tomada de [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Plano E y Plano H simulado de la antena látigo λ /4. Tomado de [4] . . . . Antena de grilla sobre el desempañador de la ventana trasera.Tomado de [5] (a) Geometría de la antena de desempañador modelado como una antena loop modificada con brazos horizontales. (b) Frecuencia de antiresonancia vs el numero de brazos. Tomado de [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (a) Antena w-loop. (b) VSWR. Tomado de [7] . . . . . . . . . . . . . . . (a) Antena Fractal. (b) Pérdidas de Retorno. Tomada de [2] . . . . . . . . . Antenas Propuestas por Matsuzaza et al y su coeficiente de reflexión. Tomado de [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (a) Estructura simple impresa en la ventana. (b) Pérdidas de Retorno. Tomada de [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (a) Grafica de la antena construida sobre plano de tierra. (b) Comparación con la medición de la antena construida en el cuerpo del vehículo. Tomado de [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (a) Monopolo meandro con quasi-mangas de banda ancha. (b) Pérdidas de Retorno. Tomado de [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (a) Antena optimizada con algorítmo genético. (b) |S11 | de la antena. Tomado de [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Antena Dipolo Meandro. Tomado de [13]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Comportamiento del patrón de radiación ante los elementos del carro. Línea contínua carro vacio Línea discontinua con sillas y línea punteada con sillas y conductor. Tomado de [14]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VSWR de un dipolo impreso, fabricado con diferentes materiales. Tomado de [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Antena PIFA. Tomado de [16] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

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9 11 13 13 14 15

. 16 . 17 . 18 . 18 . 19

. 20 . 20 . 21 . 21

. 22 . 23 . 25

ÍNDICE DE FIGURAS

4

2.19 2.20 2.21 2.22 2.23

Antena PIFA en forma de R. Tomado de [17] . . . . . . . Antena PIFA con “slots” en forma de L. Tomado de [16] . Arreglo de Antenas de Doble Banda. Tomado de [18] . . . Antena Monopolo Rectangular con Slots. Tomado de [19] . Antena Monopolo Doble Banda. Tomado de [20] . . . . .

3.1 3.2

Modelo simplificado de simulación del vehículo en HFSS. . . . . . . . . . Antena monopolo plana para comprobación del modelo de simulación simplificado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Simulación vs Medición Antena No 1 (Roja Simulación Violeta Medición) Modelo Computacional de la Antena de TDT montada sobre el Vidrio. . . . Variación paramétrica antena de TDT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dimensiones Antena de TDT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Antena de TDT sobre el modelo computacional simplificado del vehículo. . Antena multibanda de FM y DVB-T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resultado del análisis paramétrico de la antena multibanda sobre el modelo del vidrio. |S11|[dB] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9

4.1 4.3 4.2 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8

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25 26 27 27 28

. 30 . . . . . . .

31 32 33 34 35 35 37

. 37

Antenas construida en el vidro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conexión de la antena con la línea MS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proceso de construcción de la antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Antena de TDT sobre el Vehículo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Espacio para realizar la medición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Plataforma de medición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Resultado de la medición comparado con la simulación de la antena de TDT. S11 Medición Vs Simulación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39 39 39 40 41 42 42 44

Índice de tablas 3.1 3.2

Antenas analizadas para como base para la implementación de la TDT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Antenas analizadas para como base para la implementación de la TDT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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anena de . . . . . . 32 anena de . . . . . . 36

Prefacio El presente libro recopila el proceso de Diseño, Evaluación y Construcción de una Antena de Televisión Digital para Vehículos, utilizando una de las ventanas del vehículo para su construcción. El proyecto mencionado es presentado como requisito para optar al título de Maestría en Ingeniería Electrónica de la Pontificia Universidad Javeriana. El libro se organiza de la siguiente manera, en el primer capítulo se presentan los objetivos generales y específicos del proyecto, los cuales incluyen las especificaciones de diseño requeridas para la aplicación deseada. En el segundo capítulo, se presenta el marco conceptual describiendo el funcionamiento general de las antenas montadas sobre vehículos, y las diferentes implicaciones que conlleva el desarrollo de antenas de este tipo. Se presenta adicionalmente una clasificación de los principales aportes y desarrollos que han tenido estas antenas según sus elementos de análisis y diseño, tales como el tipo de alimentación, geometría y Modelado computacional. Así mismo, se presenta un estudio de diferentes antenas planas mutibanda con el fin de establecer una topología apropiada de antena para que opere en las diferentes bandas requeridas. En el tercer capítulo, se presenta el diseño de la antena detallando su desarrollo teórico, diseño, simulación, optimización y construcción de la estructura. En el cuarto capítulo, se presentan los resultados de diseño, la comprobación del modelo planteado y la verificación de los resultados obtenidos. Finalmente, en el último capítulo se presentan las conclusiones del proyecto y posibles temas de trabajos futuros.

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Capítulo 1 Objetivos 1.

Objetivo general

Diseñar, construir y comprobar una antena de ventana en automóviles para prestar servicios de recepción de televisión digital DVB-T y radio FM.

1.1.

Objetivos específicos

• Analizar y documentar la literatura existente sobre antenas de ventana, centrándose en la capacidad de mimetización y las figuras de mérito. • Modelar apropiadamente el sistema carro-antena para optimizar el tiempo de simulación. • Diseñar y elaborar el set de pruebas apropiado para medir las figuras de mérito de la antena propuesta. • Diseñar, construir y comprobar la antena de ventana para la banda de frecuencias de DVB-T con las restricciones de mimetización y manejo eficiente de la energía. • Diseñar, construir y comprobar una antena de ventana multibanda para DVB-T y radio FM. • Realizar la viabilidad técnica de diseñar la antena para que incluya los servicios de AM.

1.2.

Especificaciones

• Operación en las bandas de Radiodifusión FM comercial (88MHz-108MHz) y DBV-T2 de (470MHz-862MHz)

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CAPÍTULO 1. OBJETIVOS • Polarización lineal (horizontal - vertical) • Antena impresa en un vidrio del carro • Coeficiente de reflexión menor a -10dB en las bandas de operación.

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Capítulo 2 Marco Conceptual 1.

Introducción

Más de cien años de experiencia en el diseño y la elaboración de antenas [21], han permitido que hoy tengamos desarrollos de antenas muy sofisticadas en las cuales se tienen aportes innovadores en diversas dimensiones, como en forma, materiales, desempeño y aplicaciones. En particular existe un grado de interés en la industria automotriz de desarrollar antenas eficientes en vehículos, para prestar servicios unificados de los sistemas tradicionales AM y FM y los nuevos servicios de WiMAX, GPS, GPRS, Televisión digital terrestre, entre otros. Para estos sistemas, la antena tradicional látigo localizada en la parte superior del vehículo ha sido la estructura sistemáticamente utilizada en muchas aplicaciones comerciales como se muestra en la Figura 2.1. Esta antena presenta un buen desempeño en FM, sin embargo tiene limitaciones de desempeño para la recepción de AM por su tamaño en relación con la longitud de onda. La antena es muy simple tanto en el diseño como en su construcción, es de bajo costo y es una antena que ha sido ampliamente estudiada en la literatura [22, 23]. Por esta razón una gama muy amplia de vehículos modernos siguen usando este tipo de antena como su elemento de recepción por defecto.

Figura 2.1: Vehículo con antena tradicional látigo de techo

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CAPÍTULO 2. MARCO CONCEPTUAL

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Por razones estéticas del diseño del carro, se hace inviable que se pueda solucionar el problema de la recepción de los diversos servicios inalámbricos que se integran actualmente en un vehículo, simplemente colocando una serie de antenas látigo en la parte superior del vehículo. Con el fin de solucionar el reto anteriormente mencionado, la comunidad científica ha abordado el problema desde diferentes ópticas. En la década de los 70 se empezó a desarrollar la idea de poder diseñar una antena de modalidad de recepción en un vehículo de forma mimetizada o físicamente con una gran estética. El desafío al diseñar una antena para vehículos está en que los parámetros de desempeño tales como ancho de banda, directividad, ganancia y eficiencia entre otros, deben ser comparables a los de la antena monopolo tradicional. La antena látigo presenta un buen desempeño en automóviles, por lo que el reto de diseñar una antena comparable se ha convertido en un problema de ingeniería que ha requerido bastante investigación [1].Soluciones a este desafío incluyen diseñar la antena en las partes plásticas del carro como los guarda fangos y los parachoques, diversas antenas miniaturizadas se han diseñado para ubicarse en la parte superior del vehículo [24], enmascaradas en las puertas, o los espejos en los retrovisores del carro [25], o diseñar la antena en la parte dieléctrica más accesible del carro las cuales corresponden a las ventanas [8]. Esta última técnica será la detallada en este documento ya que tiene diversas ventajas comparativas entre las cuales se encuentran, disponibilidad en diferentes ubicaciones del vehículo, una mayor área disponible, multifuncionalidad ya que pueden ayudar a la protección mecánica del vidrio y a que en el vidrio posterior se puede utilizar como desempañador al aplicarle un voltaje DC. Las estrategias de diseño anteriores incluyen no solo una transferencia eficiente de energía sino también aspectos de diseño visual o mimetización del objeto radiante en el vehículo. Adicionalmente, estas técnicas procuran integrar en una sola antena tecnologías de diferentes portadoras con el objeto de disminuir la complejidad y de integrar la mayor cantidad de servicios inalámbricos en la menor cantidad de antenas posible [26]. El uso de las antenas de ventana promete una serie de ventajas adicionales para el desarrollo de sistemas de comunicaciones en los vehículos. Un ejemplo claro es el diseño que permite vehículos más armónicos, con una estética refinada y sencilla. Según diferentes autores, existen dos aspectos que la hacen deseable: la primera es que evitaría no solo el vandalismo sino que también previene accidentes [2]; la segunda es que puede ser un aporte significativo en la necesidad de manejar diferentes sistemas inalámbricos [1], lo que permitiría de un lado que no estén a la vista y de otro lado que se reduzca la cantidad de antenas en el vehículo como se muestra en la Figura 2.2. Sin embargo, el diseño de antenas de ventana innovadoras que permitan igualar y mejorar el desempeño de las antenas existentes es un verdadero reto desde el punto de vista técnico, científico, estético y de implementación ya que debe ser al menos comparable en su desempeño con la antena látigo la cual es muy eficiente, debe ser multibanda ya que actualmente es inviable tener una antena para cada servicio, y se debe tener en cuenta que el material del vidrio es fundamentalmente un sustrato anisotrópico y no homogéneo con un espesor grueso y con alta permitividad [27] [4]. Además de que se requiere mantener la visibilidad del vidrio, debe ser económica y ser fácilmente ensamblable.

CAPÍTULO 2. MARCO CONCEPTUAL

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Figura 2.2: Antenas necesarias en el vehículo. Tomado de [1] Una característica del diseño de antenas en VHF y UHF en carros, es que el vehículo usualmente metálico tiene un tamaño equivalente de algunas longitudes de onda. Esto implica que el elemento radiador es afectado dramáticamente por este objeto parásito. Por esta razón, en términos de diseño electromagnético, el vehículo hace parte fundamental de la antena y debe ser tratado como tal [28, 29]. Existen diversos métodos para modelar los vehículos en una simulación electromagnética, como los métodos de discretización del volumen, los métodos de discretización de la superficie, los métodos Quasi-ópticos y métodos híbridos que combinan diferentes técnicas computacionales para obtener una simulación con el menor costo computaciona|l posible [1]. Otro problema muy importante pero fuera del alcance de este proyecto de investigación, es el desempeño de los objetos radiantes y vehículos ante condiciones de movimiento. La aproximación usual para abordar este tipo de problemas es a través del modelo de canales variantes en el tiempo y sistemas de recepción avanzados como los sistemas MIMO o los basados en diversidad. En Colombia, después de un proceso de licitación del último quinquenio, finalmente se ha adoptado el estándar europeo de televisión digital DVB-T [30] desarrollado por la ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Entre los parámetros más relevantes de la interfaz de aire de este estándar se destacan, que la modulación es de tipo COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplexing) de 2k o 8k subportadoras separadas por 4k o 1k. Cada canal de televisión consume un ancho de banda de 6MHz, 7MHz y 8MHz en canalizaciones en la banda entre 470MHz y 862MHz. Adicionalmente, gracias a las herramientas avanzadas de simulación electromagnética y a los computadores modernos, se han abierto posibilidades de análisis y moldeamiento de problemas complejos como lo es el análisis de antenas de ventana sobre vehículos. En la medida que la banda de frecuencias en la que se pretenda analizar el problema sea más alto, la complejidad del modelo de simulación de la antena en el vehículo aumenta y se convierte en un reto importante. La siguiente sección presenta el resultado de la revisión de literatura en la que se ha encontrado que vale la pena ahondar en el estudio de estas antenas con el propósito de innovar.

CAPÍTULO 2. MARCO CONCEPTUAL

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Esto implica abordar temas como las diferentes clases de antenas de ventana, en especial las relacionadas con las necesidades locales Radio AM, FM y Televisión Digital. Así mismo y en segundo lugar es necesario profundizar en el estudio de técnicas adicionales que permitan potenciar el desempeño de este tipo de antenas, tales como las redes de acople, los materiales y la diversidad espacial. En tercer lugar es necesario analizar las diferentes técnicas existentes de simulación del sistema vehículo-antena, teniendo en cuenta los accesorios complementarios. En cuarto lugar, es necesario estudiar las diferentes posibilidades de medición de tal manera que se puedan ofrecer alternativas viables.

2.

Taxonomía de antenas de ventana

La revisión de la literatura sobre antenas de ventana en las últimas tres décadas condujo a la siguiente clasificación de topologías existentes en las cuales los autores presentan el conjunto de características para encontrar en ellas las ventajas y las desventajas propias de su topología que las hacen apropiadas al contexto. Los tipos de antenas más convenientes en este sentido son las que cumplen con las siguientes características: • Bajo perfil • Adaptables a superficies planas y conformes • Simples y económicas para la construcción • Robustas mecánicamente • Versátiles en la frecuencia de resonancia • Polarización, Patrón de radiación e impedancia requeridas. Las antenas que se ajustan a las necesidades descritas tienen formas que implican diversas características, ventajas y desventajas. Cualquier antena plana puede ser pensada para la aplicación de antenas de ventana donde el sustrato es vidrio, sin embargo en la literatura se destacaron las siguientes tres técnicas:

2.1.

Antenas Parche enmalladas

Se revisaron tres tipos de Antenas Parche Enmalladas, que tienen las siguientes características: son compactas, se adaptan a diferentes superficies, son relativamente económicas, son enmalladas tanto el parche como el plano de tierra y son antenas diseñadas para ventanas por lo tanto el factor de transparencia es fundamental. Se comportan como antenas parche de microcintas. Sin embargo cada una de ellas tiene particularidades que vale la pena analizar. En el primer caso [2], el parche se imprime sobre el vidrio como se muestra en la Figura 2.3, sin embargo las posibilidades son limitadas pues solo se pueden imprimir líneas de unos

CAPÍTULO 2. MARCO CONCEPTUAL

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pocos milímetros de ancho, antes de distorsionar el vidrio debido a que se refleja el calor. Se debe entender que entre más gruesas las líneas de la grilla, el ancho de banda se mantiene relativamente invariante, la ganancia aumenta y la polarización cruzada desmejora. La antena parche enmallada en comparación con la antena sólida, mantiene el patrón de radiación y disminuye la frecuencia de resonancia lo cual es una ventaja debido a que permite un cierto grado de miniaturización de la estructura. La mayor densidad de corriente se concentra en los bordes de las líneas verticales del parche. Dado que es una malla, la cantidad de cobre es menor por lo que hay mayor resistencia a la corriente y por ende menor ganancia. Las pérdidas en la ganancia también se pueden atribuir al almacenamiento de energía debido al acoplamiento mutuo generado por la cercanía entre las líneas.

Figura 2.3: Antena parche malla. Modificada de [2]

En el segundo caso [3], conocido como “see through microstrip antenna”. Esta antena se muestra en la Figura 2.4. En este caso lo que se hace es cambiar la grilla por líneas paralelas debido a que la mayor densidad de corriente en la grilla se concentra en las líneas perpendiculares a la a línea de alimentación. A pesar de lo cual, se conservan las características de desempeño de una antena parche. Se reporta en esta antena un ancho de banda de 1.5 %, pérdidas de retorno de 14dB a 925MHz, una ganancia de 2.5dBd, una relación frente espalda de 9dB y polarización cruzada menor a -13dB. A pesar de que se logra mayor transparencia, las investigaciones con este tipo de antena sugieren, debe desarrollarse un mejor sistema de alimentación. Además se propone diseñar arreglos de antenas para mejorar el desempeño.

(a) Geometría

(b) |S11 |

(c) Ganancia

Figura 2.4: Antena “see through”. Tomada de [3]

CAPÍTULO 2. MARCO CONCEPTUAL

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El tercer caso [31], muestra una antena enmallada como en el primer caso pero ahora se ha logrado un tipo de alimentación que utiliza tecnología CPW (Coplanar Waveguide) y un conector de montaje superficial que permite que se coloque la antena en cualquier lugar de la ventana. La antena propuesta tiene un ancho de banda de 2 %, una ganancia de aproximadamente 3dBi y una relación frente espalda de 10dB.

2.2.

Antenas mimetizadas en el desempañador

Con el fin de minimizar las obstrucciones visuales causadas por las antenas montadas sobre ventanas, los constructores se han concentrado en usar el desempañador del vehículo como antena para la recepción de VHF, esto adicionalmente evita los problemas mecánicos de la antena látigo de techo. La antena que se logra mediante esta técnica, tiene una mezcla de patrón de radiación vertical y horizontal que alcanza niveles de desempeño comparables a los de la antena látigo λ /4 de techo [4]. En la Figura 2.5 se aprecia el patrón de radiación de la antena látigo en el techo del vehículo. La línea punteada muestra el resultado medido y la continua el simulado. Se ve un patrón de radiación omnidireccional deformado hacia la parte derecha trasera del vehículo. Los resultados de la medición concuerdan con los simulados utilizando el método de los momentos. El diseño de este tipo de antena no se hace para obtener una figura geométrica óptima para imprimir en la ventana trasera sino que se busca utilizar la geometría del desempañador como antena. Por lo tanto en este diseño se generan dos problemas principales. En primer lugar se genera un problema de acople de impedancias en todo el ancho de banda desde HF hasta VHF. En segundo lugar se genera un problema de complejidad computacional alta para la solución electromagnética de la antena teniendo en cuenta la geometría del desempañador y el ancho de las líneas del desempañador con respecto al tamaño del vehículo. Para este tipo de antena se analizan tres casos en los que se muestra el desempeño potencial que se tiene al utilizar esta técnica.

Figura 2.5: Plano E y Plano H simulado de la antena látigo λ /4. Tomado de [4]

CAPÍTULO 2. MARCO CONCEPTUAL

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El primer caso [5] es una propuesta de diseño que adapta el desempañador del vidrio trasero del carro como una grilla con el fin de mejorar el acople de impedancia en un ancho de banda amplio y para mejorar la ganancia en polarización vertical en todo la banda de radio comercial FM, el resultado obtenido es una antena que presenta un ancho de banda del 25 % tomando como parámetro base para definir el ancho de banda un VSWR < 5.8. Para lograrlo utilizan un algoritmo genético en el que se representa cada segmento vertical como cromosomas en 2D, creando una grilla virtual en la que se genera una línea cuando el valor del bit es 1. Se simuló tomando como parámetros dieléctricos del vidrio, εr = 8 y tanδ = 0,03 a 100 MHz. En la figura 2.6 se aprecia la estructura generada y los resultados simulados y medidos del VSRW de la antena.

Figura 2.6: Antena de grilla sobre el desempañador de la ventana trasera.Tomado de [5]

En el segundo caso [6] se hace un análisis de la antena basándose en el hecho de que en los brazos verticales de la antena se obtienen condiciones de distribución de fuerzas electromagnéticas con diferencias de fase debidas a la frecuencia y a la dirección relativa de la señal de radio con respecto a la dirección relativa del plano de la ventana. Este principio es el de una antena loop, por lo que se hace un análisis comparativo de esta con una antena loop tradicional incluyendo alrededor de veinte brazos adicionales. Esta modificación geométrica cambia la distribución de corriente de recepción, el voltaje de salida de recepción, el patrón de radiación y la impedancia de entrada incluyendo la resistencia de radiación con respecto a una antena loop simple. Cada uno de estos cambios se tiene con función de la frecuencia. En la figura 2.7 se muestra el diagrama de la antena de ventana sujeta a estudio. Como parámetro de desempeño para comparar las antenas se toma la primera anti-resonancia, que en un loop tradicional se obtendría en las frecuencias bajas de VHF, pero en el caso de antenas para vehículos, se requiere que esta anti-resonancia esté muy por encima para que se pueda tener una transferencia de potencia apropiada a lo largo de toda la banda de VHF. La reactancia de un loop a bajas frecuencias es inductiva hasta que llega a la frecuencia de anti-resonancia en la que el comportamiento se convierte en capacitivo. Al incluir los brazos horizontales en el loop, se obtiene el efecto deseado de aumentar la frecuencia de antiresonancia debido a los efectos capacitivos de estos elementos que contrarrestan el efecto inductivo del loop exterior. En la figura 2.7 se tiene una gráfica en la que se muestra como aumenta la

CAPÍTULO 2. MARCO CONCEPTUAL

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frecuencia de antiresonancia a medida que se aumenta el número de brazos horizontales en el loop.

(a)

(b)

Figura 2.7: (a) Geometría de la antena de desempañador modelado como una antena loop modificada con brazos horizontales. (b) Frecuencia de antiresonancia vs el numero de brazos. Tomado de [6]

El tercer caso [7] es una antena que utiliza una configuración w-loop. La antena se ubica en una posición muy cercana a las líneas horizontales del desempañador. Esta antena se desarrolló con el fin de ser aplicada para el servicio de TDT (Televisión Digital Terrestre), con esta antena logran un ancho de banda entre 470 MHz y 716 MHz tomando como parámetro base un VSWR < 4 con una impedancia del alimentador de 75 Ω. Se basan en la estructura de un dipolo tradicional y comienzan a generar dobleces con el fin de mejorar el acople en impedancia de la antena en un ancho de banda mayor. En la Figura 2.8 se aprecia el ancho de banda obtenido y la estructura geométrica utilizada.

3.

Estructuras impresas

La ventaja de utilizar las ventanas del vehículo como soporte mecánico de una antena, es que se tienen diversas ubicaciones posibles, y se pueden alcanzar tamaños comparables a la longitud de onda de señales en VHF y UHF. En este numeral se estudiara una serie de topologías diversas de antenas impresas sobre los diferentes vidrios del vehículo. Los parámetros

CAPÍTULO 2. MARCO CONCEPTUAL

(a)

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(b)

Figura 2.8: (a) Antena w-loop. (b) VSWR. Tomado de [7] a tomar en cuenta de este tipo de antenas son la geometría, el punto de alimentación y la ubicación sobre la ventana. Para estas estructuras impresas cabe resaltar que se utiliza el vidrio de la ventana como un soporte mecánico para la antena y adicionalmente este descansa sobre la parte metálica del vehículo que funcionaría como un plano de tierra. Se analizaran seis diferentes topologías de estructuras impresas. El primer caso [2] muestra una antena que se presenta como una alternativa para las antenas de alambre que se montan en los vehículos. Es una antena fractal, construida basándose en geometrías auto similares. El objetivo de esta geometría es obtener una antena multibanda que sirva para la recepción de cuatro diferentes bandas de radio, FM (88 MHz-108 MHz), DVB1 (217,5 MHz-230 MHz), DVB2 (1452 MHz-1492 MHz). La geometría de la antena se muestra en la Figura 2.9, en la cual se ve una figura equilátera. Se tiene un stub al lado, que se sintoniza a1470 MHz para que funcione a una frecuencia más alta que las demás bandas de operación. Para que la antena funcione en las demás bandas, deben escoger apropiadamente las dimensiones de la estructura. La antena fue probada sobre la ventana de un carro para comparar su desempeño con respecto a una antena látigo de techo. El plano de tierra de dicha antena es la parte metálica del carro que rodea la ventana. En las bandas superiores, la impedancia de entrada de la antena es baja, de 10 Ω y la ganancia aproximadamente 5 dB menor a la de la antena de referencia, por lo tanto se utiliza un acople activo. Se utiliza un circuito de banda ancha que cubre las bandas de FM y DAB (Radio Difusión de Audio Digital). La gráfica de las pérdidas de retorno de la antena en la banda funcional del circuito se muestra en la figura 2.9, en la que se ve que el circuito activo permite un buen acople en la antena. La ganancia del amplificador se ajustó para que funcionara igual que una antena látigo pasiva en el techo. El desempeño de la antena en frecuencias por encima de 1 GHz, se desmejora debido a mayores dispersiones en la estructura del vehículo.

CAPÍTULO 2. MARCO CONCEPTUAL

(a)

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(b)

Figura 2.9: (a) Antena Fractal. (b) Pérdidas de Retorno. Tomada de [2]

El segundo caso [8] muestra una antena diseñada con el fin de recibir señales TDT (Televisión Digital Terrestre) la cual presenta una mejor polarización horizontal que la antena látigo tradicional de techo. Debido a que las señales de televisión son casi horizontales, esta antena mejora sustancialmente la baja recepción en polarización horizontal del monopolo. El autor presenta dos topologías diferentes, en la Figura 2.10 se muestra la geometría de dichas topologías y los resultados del coeficiente de reflexión en los que se demuestra que en los dos casos alcanzan un |S11 | < −10dB en todo el ancho de banda de TDT.

(a)

(b) Bat Wing

(c)

Figura 2.10: Antenas Propuestas por Matsuzaza et al y su coeficiente de reflexión. Tomado de [8]

El tercer caso [9] muestra una antena impresa en una ventana lateral del vehículo que utilizan cuatro elementos verticales conectados a un punto de alimentación. Los elementos son impresos en el vidrio utilizando tinta conductora y se modelaron como alambres conductores

CAPÍTULO 2. MARCO CONCEPTUAL

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perfectos con el fin de ser simulados. con esta antena logran un S11