antenas receptoras para la tv digital

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antenas receptoras para la tv digital
ANTENAS RECEPTORAS PARA
LA TV DIGITAL
DISERTANTE
Ing. Juan Mártony
CUE Ltda
[email protected]
www.cue.com.uy
Noviembre 2014
ANTENAS RECEPTORAS PARA
LA TV DIGITAL
Ventajas de la TV digital para el usuario:
Mejor calidad de imagen

Eliminación del problema de recepción de trayectos
múltiples de la TV analógica (imagen fantasma)

Mejor calidad de sonido

La misma norma (ISDB-t) en América del Sur

Utilización mas eficiente del espectro (mas programas
por canal, canales contiguos en una misma área, redes
de una sola frecuencia).

Utilización de una sola antena para la banda de UHF.

Bandas de frecuencias asignadas a la TV
BANDA DE VHF
Se divide en dos conjuntos de frecuencias llamados Banda I y Banda III.
La frecuencia máxima fmax = 216 MHz y la mínima fmin = 54. La relación es de 4 o sea
de dos octavas lo que hace difícil recibir bien todas las frecuencias con una sola antena.
BANDA DE UHF para TV terrestre
Originalmente del canal 14 al 83(70 canales de 6 MHz, de 470 a 890 MHz)

Se redujeron recientemente a 20 canales, del 21 al 41para uso de otros
servicios, principalmente móvil (telefonía celular) que necesita mas espectro
para LTE y otros servicios.

El canal 37 se saltea y está destinado a Radio astronomía


Para la ciudad de Montevideo se han reservado 9 canales de esta sub banda
En la banda original fmax / fmin = 890/470 = 1,87

La nueva banda fmax / fmin = 638/512 = 1,25

Al ser la relación mucho menor es posible captar los canales con una sola
antena con mas eficiencia (mejor adaptación de impedancias, menor relación
de onda estacionaria o mayor pérdida de retorno) simplificando su diseño.
Canales de UHF, continuación.
VHF versus UHF
VENTAJAS DEL UHF


Antena mas simple, pequeña y alta ganancia.
Los elementos de la antena son mas cortos . La longitud de elementos que
constituyen la antena (dipolos de aproximadamente 1/2 longitud de onda) son del
orden de:
2 metros para la Banda I (VHF), 0,75 metros para la Banda III (VHF)
0,27 metros para la Banda IV (UHF)

Las antenas receptoras interiores son mas pequeñas y eficientes

Más fácil en montaje, mas livianas y menos sensibles a los vientos y aves.

Menor ruido eléctrico en UHF. No hay señales fuertes intermedias como la FM en las
bandas de VHF que saturan amplificadores. Puede cambiar en el futuro.
VENTAJAS DEL VHF

No es tan crítica la calidad de las componentes asociadas como ser: el cable de
bajada, conectores, divisores de señal, acopladores direccionales, simetrizadores
(balun) para evitar pérdidas, que son menores a frecuencias mas bajas.
Antenas típicas utilizadas en TV
Algunas Características Eléctricas.
Impedancia.
En la recepción de señales de TV, de bajo nivel de señal, la impedancia utilizada es de
75 ohmios, que es además la de un dipolo de media longitud de onda. Esto significa
que la antena, la línea de transmisión (su impedancia característica), conectores, todas
las componentes intermedias para dividir señal, amplificador y la impedancia mostrada
por el sintonizador de TV o del Set top box deben acercarse lo mas posible a ese valor
para maximizar la transferencia de señal.
ROE (Relación de Onda Estacionara de voltaje)
Sobre una línea de transmisión (ahora en general un cable coaxial) se forman ondas
estacionarias. Es debida al apartamiento de la impedancia (característica) de 75
ohmios en su extremo. El ROE es la relación entre el máximo y el mínimo de la
amplitud tensión de la señal encontrada dentro de la línea. Si la impedancia es 75 ohm
pura, no hay ondas estacionarias y la transferencia de energía es total. Se puede
expresar en forma equivalente el apartamiento dando el cociente de la señal que se
refleja entre la que se envía (llamada pérdidas de retorno que se expresa en dB). Hay
instrumentos que lo pueden medir con precisión.
Ganancia.
Es la capacidad de la antena en transformar la energía electromagnética interceptada en
voltajes y corrientes sobre la línea de transmisión o impedancia de carga.
La Ganancia de una antena se expresa en dB como la relación de la potencia máxima
obtenible y la potencia de una antena de referencia que suele ser la isotrópica (se dan
como dBi) o en relación a un dipolo de media onda (dBd).
Recordar que se vinculan las ganancias en dB con la igualdad dBd = dBi + 2,14 dB
Cuando mayor es la ganancia menor es el ángulo sólido de captación de señal o sea que
la antena es mas direccional. Es importante que la antena se apunte precisamente a la
fuente de señal
Polarización de las ondas electromagnéticas.
En TV la polarización es principalmente horizontal y corresponde al vector campo
eléctrico emitido en esa posición. Las antenas formadas por dipolos deben estar
horizontales y perpendiculares a la dirección de incidencia de la señal para máximo
rendimiento.
Se transmite en ocasiones algo de polarización vertical para móviles, cuya antena
receptora suele tener cualquier posición.
Relación frente – espalda
Es la relación entre la señal que llega en la dirección de máxima ganancia con la que se
recibe a 180 °, o sea de atrás. En zonas urbanas y con interferencias una antena con
buena relación puede mejorar la recepción si viene en dirección diferente a la transmitida
de TV.
Características constructivas
El material mas utilizado en la fabricación de antenas es el aluminio por ser excelente
conductor, resistente a la oxidación, liviano y fuerte.
No es fácilmente soldable y es necesario utilizar tornillos o soportes de otros materiales,
usualmente ferrosos galvanizados, y se produce corrosión galvánica y oxidacion lo que
aumenta la resistividad y deteriora la eficiencia de la antena.
Algunos modelos colocan los elementos de aluminio remachados para evitar los efectos
del óxido.
Los tornillos de bronce son una solución mas cara pero durable pero se forma entre el
aluminio y el bronce un polvillo que conviene cepillar cada tanto.
Las partes de material plástico deben ser resistentes a la radiación ultravioleta para
aumentar su durabilidad.
Es conveniente para la estabilidad a largo plazo las antenas tener la menor cantidad de
contactos eléctricos expuestos a la intemperie, en particular en lugares cercanos a agua
salada o expuestos a gases de chimeneas de calderas.
Cuando la antena es de 300 ohmios de impedancia de salida (típicamente del dipolo
doblado) se coloca un balun que permita pasar sin pérdidas a una línea de bajada
coaxial de 75.
Debe ser apto para UHF y de uso exterior pues el agua lo deteriora rápidamente.
Los conectores tipo F exteriores para cable coaxial usados universalmente
conveniente untarlos con grasa siliconada que repela el agua o sellarlos con cinta
aisladora auto soldante.
Las antenas que tienen salida de 75 ohm con conector F hembra deben estar
protegidos con un anillo de goma que evita le entre agua al conector macho del cable
coaxial.
Las antenas de UHF (por ejemplo del tipo YAGI o Logarítmicas) al ser mas pequeñas
pueden sujetarse desde su extremo (en las de VHF se hace desde el centro) y de
esas manera el mástil metálico no interfiere para nada en las características
eléctricas.
Esto genera un par mecánico en caso de vientos y hay que tomar las precauciones
para que el conjunto antena - mástil no gire y se pierda orientación.
TIPOS DE ANTENA UTILIZADAS PARA TV EN UHF
CLASIFICACIÓN


Según forma: Logarítmica periódica, Yagi, Panel, Bucle (loop), Monopolo
Según ancho de banda: Monocanal (o para un grupo reducido de canales), Multicanal,
Multibanda

Con salida balanceada (300 ohm) o desbalanceada (75 ohm)

Según su ganancia: para área urbana, para la periferia, para áreas alejadas

Interior, exterior fijas o para móvil

Pasiva o activa (con amplificador incluido)
Antena Logarítmica Periódica
Es una antena de banda ancha muy empleada en la recepción en todas las bandas y
servicios, en particular para la TV UHF y VHF. Recibe su nombre por la relación de
longitud y distancia entre un elemento y el contiguo que es una constante como se ve en
la figura. Los extremos de los dipolos quedan alineados. Se alimenta por el lado del
dipolo pequeño cambiando la fase 180° en cada dipolo consecutivo y en el extremo lleva
una impedancia (Zl).
Hay dos configuraciones para alimentar los dipolos, uno en zig zag invirtiendo la fase en
cala elemento o la de doble boom aislados. El cable de alimentación entra por atrás por
un conector F en uno de los boom y va hacia el frente a conectarse a ambos. Se
construye para TV de modo que la impedancia sea de 75 ohm y directamente conectada
con coaxial del frente al conector de salida. El dipolo mas pequeño de media longitud de
onda de largo determina la frecuencia máxima y el mayor las mínima. Puede
conseguirse buenas ganancias y gran ancho de banda (bajo ROE) en un amplio rango lo
que la hace ideal para las necesidades de la TV. Fue dada a conocer en en 1957 por los
inventores R.H. DuHamel y D.E. Isbel.
Se muestran un modelo para medidas de laboratorio y otro de UHF para la banda de TV
de las siguientes características.
Frecuencia: 470~890
Canales: 14-83
Número de elementos: 16
Ganancia: 11 dBi
Longitud: 960 mm
Peso (sin el soporte): 500g
Conector de salida: F Hembra
Antena YAGI
Las antenas tipo Yagi son muy populares eficientes y de fácil construcción. Están
formadas por un solo elemento activo (1) o alimentado y por lo tanto solo dos contactos
expuestos. Los demás elementos pasivos son: el reflector (2) y los directores (3), en
corto circuito en el centro.
Su ganancia dependiendo de la cantidad total de elementos es muy buena y por lo tanto
direccional. El dipolo activo de la figura es del tipo plegado, de mayor ancho de banda
que el dipolo simple. El balun es interior a una caja de plástico donde se conecta el cable
coaxial (4).
Estas antenas son de banda estrecha, solo para un grupo reducido de canales.
Ajustando distancias y tamaños alrededor de esos valores se mejora la impedancia y
ganancia y lóbulos de irradiación indeseados. Hay infinidad de variantes a partir del
modelo indicado.
En la medida que el tamaño de los dipolos
aumenta en relación a su longitud, el ancho
de banda mejora. En la figura se ven los
dipolos directores tipo moña, un dipolo
doblado como elemento activo alimentado
con un balun en una caja de plástico a
prueba de agua y una parrilla reflectora en
“v” que además de aumentar la ganancia
rechaza las señales provenientes de la
espalda.
La antena de la figura tiene 14 dBi
Ángulo de recepción horizontal 30°
Ángulo de recepción vertical 29°
Antena PANEL
Las antenas tipo panel (en inglés bow tie) son muy
populares, de buena ganancia y ancho de banda,
eficientes, livianas, de baja resistencia al viento y de
fácil construcción.
La forma de moña de los dipolos le da muy buen ancho
de banda.
El panel reflector trasero contribuye a la ganancia y
rechaza las señales provenientes de atrás. Están
formadas usualmente por uno, dos o cuatro elementos
activos que se unen por un línea.
Los dipolos activos de los extremos deben alimentarse
con fase invertida para que todos los irradien en fase.
Tienen muchos puntos de conexión eléctrica lo que
puede generar problemas si hay corrosión.
La antena de la figura tiene una ganancia de 12 dBi y
cubre toda la banda, conector de salida tipo F de 75
ohm
Antenas interiores
Antena interior multibanda
y buclen (loop)
En zonas de señales fuertes se puede utilizar
una antena dentro del recinto donde se
encuentra el televisor. En VHF se utilizan dos
varillas telescópicas movibles cuya longitud se
ajusta según la banda, extendida para los
canales bajos y mas cortas para los bajos.
Como se reciben múltiples reflexiones de la
señal la calidad recibida de las transmisiones
analógicas es muy pobre y debe ajustarse
cada cambio de canal. Algunos TV incorporan
un monopolo telescópico.
Para los canales de UHF se utilizan bucles. El
diagrama de radiación es direccional y similar
al dipolo de media onda. El bucle de la figura
está optimizado para 470 MHz y tiene
aproximadamente 200 ohm de impedancia.
En resonancia D x  f (MHz)
Antenas interiores

Antenas interior pasiva y activa
La gran ventaja de la TV digital frente a la
analógica es la desaparición de la “imagen
fantasma” lo que hace mas interesante el
uso de antenas interiores. La antena de la
figura de arriba es diseñada para la
captación de los canales de UHF
asignados y atenúa señales de fuera de
banda de otros servicios que puedan
interferir. Puede hacerse plana para
colocar en la pared detrás de un mueble.
Su rendimiento aumenta notablemente si
se acerca a una ventana y en ocasiones se
puede ubicar para captar todos los canales
sin necesidad de moverla.
Hay antenas con amplificador incorporado
y algunas captan todas las bandas (VHF y
UHF). Se pueden también montar en
ocasiones en un balcón. Hay que
alimentarlas con una fuente externa. Con
señales muy fuertes en ocasiones no
funcionan satisfactoriamente y se debe
probar una pasiva como la de arriba.
Un problema difícil de solucionar!!!
El enemigo público de las antenas
MEDIDAS DE SEÑAL RECIBIDA.
El instalador de antena tiene que orientar para máxima señal y asegurarse que el nivel de señal recibido
es adecuado.
En una instalación con varios receptores es necesario conocer si los niveles recibidos son suficientes en
todos los puntos y si hay un razonable margen sobre el mínimo de señal utilizable. Otros parámetros que
se puedan medir contribuyen a poder encontrar dificultades en la recepción. Los instrumentos de calidad
están diseñados para medir:
Nivel de señal (dbuV o también dVmV, dBm),
47 a 70 dBuV
C/N Relación portadora a ruido (carrier to noise) (dB), mayor o igual a 25 dB
MER (modulation error ratio,) dB mayor o igual 21 dB
BER (bit error ratio) típico, 1.0 E-4 (limite min. 1.0 E-2)
VBRE (Viterbi bit error ratio) típico, 1.0 E-6 (limite min. 1.0 E-4)
Margen de ruido (Noise margin) es la tolerancia o margen de dB´s que excede respecto al mínimo de
calidad aceptable del MER.
Visualización de la calidad digital de la recepción
Instrumento para medida de señal de TV terrestre
y satelital
Instrumentos de medida compactos
Espectro de los canales digitales en UHF de Montevideo (con
antena interior canales 12, 4, 5, 10 y TV ciudad). Los
diagramas que siguen son con antena exterior en diferentes
direcciones.
COMPONENTES ASOCIADOS
Cables coaxiales
En la distribución de señal se usan los mismos cables
de 75 ohm de impedancia característica que en
CATV. La mejora de los cables ha sido notable por el
uso de espuma de plástico como dieléctrico y mejor
blindaje exterior con un film metálico (en gral.
Aluminio) que cubre toda la superficie.
Las pérdidas en altas frecuencias son debidas al efecto pelicular que aumenta la
resistencia eléctrica de los conductores y con menor incidencias las pérdidas dentro del
dieléctrico. Es por ello que la atenuación (en dB/m) varía con la frecuencia. En las alta
frecuencias, varía con la raiz de la frecuencia lo que permite calcular con buena precisión
valores intermedios a partir de la tabla de atenuación anterior. Un cable de mayor
diámetro tiene menos pérdidas pues conduce las corrientes en una superficie mayor. La
velocidad de propagación de las ondas dentro del cable es dependiente de la constante
dieléctrica del material aislante y es de aproximadamente el 87% de la velocidad de la luz
para los cables mas utilizados, es decir que se propaga mas lento que la luz.
Los cables utilizado sen el exterior deben tener una cubierta protectora exterior resistente
a los rayos ultravioletas. Los interiores, mas flexibles en ocasiones no tienen el film de
aluminio por lo que es muy importante que la superficie que cubre la malla externa sea la
mayor posible. Esto se da en porcentaje cubierto que varía del 60% para arriba. Mas del
80 % es recomendable.Para usos especiales y de alta calidad se fabrican cables
totalmente de cobre.
El cable bifilar de 300 ohm, antes muy popular es muy poco utilizado
CONECTORES
El conector F es un tipo de conector coaxial de radiofrecuencia de uso común en la
televisión terrestre por antena aérea, televisión por cable y universal para la televisión por
satélite y los cable módem, por lo general con el cable RG-6/U , o en instalaciones
antiguas, con RG-59/U. Fue inventado por Eric E. Winston en la década de 1950
mientras trabajaba en el desarrollo de la televisión por cable. En la década de 1970 se
convirtió en lugar común para las conexiones de televisión de la antena de VHF, cuando
el cable coaxial reemplazó al de dos hilos, y más tarde también para UHF.
El conector F es barato y sin embargo tiene 75 Ω de adaptación de impedancia hasta 1
GHz y cuenta con un ancho de banda usable de hasta varios GHz. Una de las razones
de su bajo costo es que utiliza el conductor sólido (cable central) de los tipos
especificados de cable coaxial como pin del conector macho. Este diseño está sujeto a
las propiedades de la superficie del conductor interno (que debe ser alambre sólido) y
que no es resistente a la corrosión, por lo que son necesarias versiones resistentes al
agua para uso exterior (por ejemplo, en las antenas). El estándar en la industria del cable
actualmente es el uso de accesorios de compresión.
Ofrece mejoras significativas sobre el conector DIN utilizado en Europa para receptores
terrestres. Se debe estar atento a la calidad del conector y a la coincidencia con el
tamaño de cable.
Divisores, taps y otros
Para distribuir la señal recibida por la antena se usan
una serie de componentes como los divisores (splitters)
que dividen la señal de entrada en dos o mas salidas y
los acopladores direccionales (tap) que se intercala en
un cable con un alto nivel de señal y tiene una salida con
un nivel menor que se da en dB relacionando la entrada
con la salida atenuada para alimentar al TV con una
señal de nivel adecuado.
Las entradas deben presentar una impedancia de 75
ohm e igualmente las salidas de manera de no generar
desacoples y ondas estacionarias en los cables que
aumenta la atenuación y deteriora la calidad de señal.
Son componentes importantes los balun, atenuadores, y
cargas terminales. Deben mantener sus características
lo mas independiente posible de la frecuencia
Acopladores direccionales (tap)
AMPLIFICADORES.
Hay una gran variedad de amplificadores según el uso.
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Amplificadores de antena para señales débiles (booster)
Amplificadores de línea para alimentar varios televisores o compensar las pérdidas de tiradas largas de
coaxial.
Amplificadores de alto nivel de señal para sistemas de distribución de TV en edificios y alimentar muchos
receptores.
Amplificadores de banda ancha (por ej para todos los canales de VHF y UHF).
Amplificadores de banda (por ej. de la banda de UHF)
Amplificadores monocanales para amplificar señales débiles de un canal y equilibrar el nivel con otros
recibidos fuertes
Amplificadores de ganancia y/o pendiente ajustable (para compensar pérdidas de alta frecuencia de los
cables).
* Se dan características de amplificadores a continuación gentileza de ProEletrónica de Brasil.
*Distancias mínimas entre antenas de diferentes bandas.
*Sistema de recepción que mezcla VHF + UHF con amplificador
próximo a las antenas (booster)

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