antenas para televisión digital terrestre y su fabricación

Transcripción

ANTENAS PARA TELEVISIÓN DIGITAL
TERRESTRE Y SU FABRICACIÓN EN CUBA.
Autor:
Ing. Tuan E. Cordoví Rodríguez
Empresa de Antenas VC, Carretera Central No.
536-A Esquina a Tirso Díaz, Santa Clara, Villa
Clara, Cuba
[email protected]
[email protected]
Dpto. I+D+I
INTRODUCCIÓN
La comisión nacional para la Televisión Digital, rectorada por el
Ministerio de las Comunicaciones de Cuba, planteó la necesidad
de antenas receptoras de la señal de Televisión Digital, en las
bandas de frecuencias que comprendidas en los canales del 7 al 13
de VHF (Banda III) y desde el 14 al 52 de UHF, con vista a
respaldar el desarrollo de este programa nacional. Dichas antenas
deben cumplir con las características radioeléctricas adecuadas
para este tipo de señal y cumplir con una exigencia inicial, de este
organismo, así como precios competitivos para la población,
comparadas con la que potencialmente se importaran al país.
OBJETIVOS TRAZADOS
La Empresa Antena 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 encaminada a desarrollar nuevos
modelos de antenas que satisfagan las necesidades actuales. La cual tiene
como objetivos:
Ø Realizar estudios del estado del arte en la temática de las antenas
características para la recepción de la señal de Televisión Digital.
Ø Realizar el diseño de antenas domésticas para estos propósitos.
Ø Ejecutar la fabricación de prototipos diseñados.
Ø Validar los prototipos diseñados.
Ø Valoración económica de cada uno de los modelos.
Ø Producción masiva de los modelos seleccionados.
FACTORES QUE REGULAN EL DISEÑO Y FABRICACION DE
ANTENAS
Ø La Antenas Yagui es de banda estrecha.
Ø La Antena Yagui de alta ganancia requieren mayores longitud, mayor
cantidad de elementos y mayor costo.
Ø La Antena Log-periódica es de banda ancha.
Ø La Antenas Log-periódica de Arreglo de Dipolos de alta ganancia también
requieren de mayor longitud, mayor cantidad de elementos y mayor costo.
Ø Materiales utilizado para la fabricación.
Ø Tecnología para la fabricación.
Ø Productividad.
Ø Otros.
PROPUESTAS PRINCIPALES DE ANTENAS PARA TDT
ADY 004
ADM 009
ADM 010
ANTENA YAGUI DE 5 ELEMENTOS 300Ω
• Se propone un paquete de Antenas Yagui de 5 elementos para
cubrir , por segmentos, todos los canales del 14-52.
• Se propone antenas con alimentación para cinta de 300Ω.
• Para el diseño se dividió UHF en 4 secciones:
UHF:14-22, 23-32, 33-42, 43-52
Utilización de herramienta de software para cálculo y simulación:
MMANA-GAL BASIC
GANANCIA
PATRÓN DE RADIACIÓN
ROE
ANTENA LOG-PERIÓDICA DE 7 ELEMENTOS 300Ω Y 75Ω
• Se proponen Antena Log-periódicas de 7 dipolos para cubrir
todos los canales del 7-13 VHF Banda III y del 14-52 UHF.
• Se proponen Antenas con alimentación para cinta de 300Ω y
cable coaxial de 75Ω.
• Alimentación de dipolos a través del propio Boom.
Utilización de herramienta de software para cálculo y
simulación: CST Microwave Studio
ANTENA LOG-PERIÓDICA DE 7 ELEMENTOS 300Ω
GANANCIA
GANANCIA
PATRÓN DE RADIACIÓN
ROE
ROE
PRUEBAS REALIZADAS POR LACETEL
Parámetros
ADY 004
UHF
Frecuencias
evaluadas (MHz)
470
584
698
Ganancia (dBi)
5.4
11.0
8.0
Front-to-Back
(dB)
4
5.8
13
Razón de Onda
Estacionaria
1.22
1.13
1.16
Pérdidas por
Retorno (dB)
20.1
24.0
22.7
PRUEBAS REALIZADAS POR LACETEL
ADM 009
Parámetros
VHF
UHF
Frecuencias evaluadas (MHz)
174
195
216
470
584
Ganancia (dBi)
6.4
6.1
4.3
5.7
5.1
Front-to-Back (dB)
14
13
15
15
19
23
Razón de Onda Estacionaria
1.21
1.34
1.37
1 .17
1.21
29
Pérdidas por Retorno (dB)
20.5
16.7
6.1
22.1
20.3
698
4.4
17.9
CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS
OTROS MODELOS
ADY 002
ADY 003
CONCLUSIONES
Se pudo lograr un conjunto de antenas de mediana ganancia que
cubren todas las bandas de TV Digital funcional en todo el país
listas para trabajar ya sea con cinta de 300Ω o cable coaxial de
75Ω. Dentro de este campo se ha trabajado anteriormente donde
se han hecho diversas propuestas con la única diferencia que los
precios por gastos materiales estaban muy elevados para ser
comercializadas a la población. Queda demostrado, además, la
capacidad y fortaleza de Empresa Antenas V.C., única de su tipo
en el país, para llevar a cabo la fabricación de antenas
principalmente para la TV Digital la cual permite la sustitución
de importaciones.
RECONOCIMIENTOS
Agradecimiento Especial:
Agradecimientos a otras instituciones:
MINISTERIO DE COMUNICACIONES
BIBLIOGRAFÍA
1. BALANIS, Constantine. A. "Antenna, Theory, Analysis and Design". 2005, 3ra Edición, pp.
515-635
2. CARREL, R. "The design of log-periodic dipole antennas". 1958 IRE International
Convention Record, 1966. IEEE, 61-75.
3. YGLESIAS, Erick Cruz. C. Método de diseño para las características de impedancia y
radiación de antenas Log-periódicas de dipolos en V. Universidad Central "Marta Abreu" de las
Villas. Villa Clara, 2013
4. Laboratorio de TVD, " Caracterización de Antena ADY 004 Villa Clara", LACETEL, Edición
Junio 30, 2014, 16 pp.
5. Laboratorio de TVD, " Caracterización de Antena LPD ADM 009 Villa Clara", LACETEL,
Edición Junio 30, 2014, 16 pp.
ANTENAS PARA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE Y SU FABRICACIÓN EN
CUBA
ANTENNAS FOR DIGITAL TERRESTRIAL TELEVISION AND ITS
MANUFACTURE IN CUBA
Ing. Tuan Ernesto Cordoví Rodríguez
Empresa de Antenas VC, Carretera Central No. 536-A Esquina a Tirso Díaz, Santa Clara, Villa Clara, Cuba
e-mail: [email protected]
RESUMEN
El siguiente trabajo trata, fundamentalmente, acerca de algunos desarrollos de antenas 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 disponer de antenas para la recepción de la Televisión
Digital Terrestre (TDT). A partir de la asignación de la tarea se ha realizado el diseño de algunas propuestas
como son: las Antenas Yagi de 5 elementos de 300Ω, y las Antenas Log-periódicas de 7 elementos tanto de
300Ω y como de 75Ω las cuales, se eligieron después de un breve estudio de diversos modelos y
consideraciones de acuerdo a la utilidad, competencia con antenas extranjeras, precios y la tecnología
disponible en la actualidad para la fabricación de estas. Como resultado final se obtuvo el diseño de un grupo
de antenas destinadas a cubrir la Banda de VHF III del canal 7 al 13 y UHF del canal 14 al 52 para la recepción
de Televisión Digital fundamentalmente.
PALABRAS CLAVES: Yagui, Log-periódica, Impedancia, ROE, Ganancia
ABSTRACT
The present article is mainly about some antennas which were developed at the Company of Antennas of Villa
Clara due to the need of having antennas for receiving the Digital Terrestrial Television (TDT) in Cuba. Since
this task was assigned by the Digital TV National Commission, some antennas models have been simulated
and developed, such as: a Yagi-Uda antenna which consists of 5 elements and has an impedance of 300Ω and
two log-periodic antennas which consist of 7 elements and have an impedance of 300Ω and 75Ω respectively.
They all were chosen after carrying out a study of several models and by taking into account some
considerations regarding to the utility, performance, competition with foreign antennas and the present
technology available for manufacturing them.
The simulation results and the measurements performed on some antennas prototypes based on the models
simulated prove that they can be used to cover the VHF III band which covers from channels 7 to 13 and the
UHF band which covers from channels 14 to 52 to receive the Digital Terrestrial Television.
KEY WORDS: Yagui, Log-periodic, Impedance, SWR, Gain
1. INTRODUCCIÓN
Las antenas exteriores para Televisión (tanto digital como analógica) son muy populares en el mercado debido
a su gran importancia en el sistema de recepción. En la práctica se ha demostrado que, a pesar de la robustez
que caracteriza la señal de Televisión Digital transmitida, esta puede deteriorarse Debido a agentes ruidosos
(de cualquier naturaleza) que afectan la recepción
Desde que se creó la TV las antenas más utilizadas son las antenas Yagui y Log-Periódica. En las plataformas
de mercado publicadas en la red de redes se pueden apreciar distintos modelos de antenas de estos tipos e
incluso con algunas modificaciones para mejorar sus rendimientos.
1
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.
Teniendo en cuenta criterios de diseños y requisitos económicos se dio la tarea de realizar diversos tipos de
antenas con el objetivo de garantizar la recepción en el proceso de despliegue de la TDT en Cuba.
2. ANTENA YAGI
La primera antena propuesta corresponde a las antenasdel tipo Uda-Yagi de cinco elementos. El principio de
funcionamiento de la antena consiste en un elemento radiante o dipolo al cual se le incorpora elementos
parásitos paralelos en el mismo plano a distancias determinadas para transformar el Patrón de Potencia y
lograr direccionalidad con determinada ganancia como se muestra en la Fig. 1.
Figura 1: Antena Yagui y un ejemplo con su patrón correspondiente
Estas antenas poseen como desventajas que la Impedancia (Z) y el Ancho de Banda se ven afectados debido al
acoplamiento o impedancia mutua que existe entre los directores, reflector y el elemento radiante,
convirtiéndose, casi siempre, en antenas de banda estrecha por lo cual se deben optimizar variables como:
longitud de cada uno de los elementos y la separación entre ellos para lograr el ancho de banda recomendado.
[1]
En estos casos se utiliza dipolo abierto para un grupo de antenas de Impedancia de 75Ω, para la alimentación
con cable coaxial de 75Ω. Otro grupo utiliza línea bifilar de 300Ω y es por ello que se utiliza dipolo doblado,
comúnmente utilizado para estos propósitos.
3. ANTENA LOG-PERIÓDICA
La Antena Log-periódica de Arreglo de Dipolos es una antena direccional que consiste en un conjunto de
dipolos conectados a una línea de trasmisión central con inversión de fase entre los dipolos donde cada
elemento resuena a una frecuencia distinta y en un rango determinado. La unión de todos los elementos
resonantes a diferentes frecuencias en una disposición logarítmica, permite conformar una antena con un gran
ancho de banda. Se compone de una sucesión de elementos radiantes, dipolos semejantes cuyas distancias
mutuas y frecuencias de resonancia hacen que tome forma geométrica repetitiva, con tamaños diferentes
alimentados con una línea de transmisión en los extremos más pequeños como es mostrado en la Fig.2.
2
Figura 2: Forma geométrica de la Antena Log-periódica
La alimentación de la antena se lleva a cabo por cinta bifilar de 300Ω o cable coaxial de 75Ω. Cada dipolo está
alimentado por una línea bifilar que se entrecruza desfasándolos a 180 grados entre estos, garantizando que
cada dipolo radie en fase. Pero en este caso los dipolos están soportados por el propio Boom formado por dos
tramos en vez de estar alimentados por una línea bifilar entrecruzada o tener un Boom formado por dos tubos o
barras que además de proveer alimentación es el soporte estructural de la antena como se muestra en la Fig. 3.
En este último caso los dipolos se encuentran ubicados de forma alternada para garantizar el desfasaje.
[1][2][3]
Figura 3: Dipolos alimentados con línea bifilar y alimentados con líneas formadas por el propio Boom.
4. CRITERIOS DE DISEÑO DE ANTENA YAGI DE 300Ω
Teniendo en cuenta el buen desempeño de la Antena Yagi en banda estrecha se tomó como criterio realizar
diferentes tipos de antenas con características radioeléctricas y físicas semejantes que cubrieran toda la Banda
de UHF y por tal motivo que se diseñó una antena por cada rango en la banda UHF los canales comprendidos
desde el 14 al 22, del 23 al 32, del 33 al 42 y del 43 al 52 respectivamente.
Como primera propuesta se realizó una antena para el rango desde el 43 al 52 en el cual se encuentra el canal
48 cuyo transmisor se encuentra ubicado en el Hotel Habana Libre y que fue el primer transmisor de
Televisión Digital en aquellos momentos por el cual era conveniente tomarlo como referencia para las primeras
pruebas en el terreno. Como parte del diseño teórico se realizó el modelado y posteriormente la simulación
con la herramienta de Software Libre MMana-Gal que utiliza el Método de los Momentos (MoM) a través de
conductores rectos y que es ampliamente utilizada para el diseño de antenas de Televisión. Se tuvieron en
cuenta como variables fundamentales la Longitud y Separación entre Elementos.
3
En la Fig. 4 se puede observar como queda conformado un modelo geométrico con la herramienta de software
MMana-Gal en comparación con el modelo real equivalente.
Figura 4: Modelo real de Antena Yagi de 5 elementos de 300 Ω para los canales del 43 al 52 y modelo
implementado a través de conductores rectos en la simulación.
Para el caso de la de banda de 674Mhz a 680MHz donde está comprendido el canal 48 las características de la
antena se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1: Características radioeléctricas de la Antena Yagui en el Canal 48
Frecuencia
(MHz)
677
Resistencia
(Ω)
281
Reactancia
(Ω)
71.8
ROE
1.29
Gd
(dBd)
7.45
Ga
(dBi)
9.6
F/B
(dB)
24
ROE: Relación de Onda Estacionaria sobre línea bifilar de 300Ω
Ga: Ganancia de la antena tomando como referencia un Radiador Isotrópico
Gd: Guanacia de la antena tomando como referencia un Dipolo de λ/2
F/B: Coeficiente de Radiación Trasera de la antena (Front to Back).
En la Fig. 5 se muestra el comportamiento del Patrón de Radiación de Potencia en la frecuencia de 677MHz.
Figura 5: Patrón de Radiación en el espacio libre en la frecuencia de 677MHz
También, y como resultado de la simulación, se pueden observar las mismas características, pero en la gama
de frecuencias donde está diseñado para su mejor desempeño. En la Fig. 6 se pueden observar las
características del Coeficiente de Relación de Onda Estacionaria en las frecuencias comprendida desde
4
644MHz (canal 43) hasta 704MHz (canal 52) donde la curva se encuentra por debajo de 2 que es límite
máximo de ROE recomendada para antenas de Televisión.
Figura 6: Comportamiento de la ROE en la Banda de Trabajo para línea de 300Ω
En la Fig. 7 Se muestran las características de impedancia apreciándose un incremento de la parte reactivainductiva debido a la separación considerable de los tramos radiantes que conforman el dipolo doblado en las
altas frecuencias lo cual no se puede reducir debido a que la tecnología existente está destinada para la
fabricación de dipolos doblados con una separación de 60mm (2).
Figura 7: Comportamiento de la impedancia en el Punto de Alimentación
En la Fig. 8 se muestran las características en cuanto a Ganancia y Coeficiente de Radiación Trasera. La
Ganancia como promedio 9.4dBi y el Coeficiente de Radiación Trasera o Front to Back posee como
promedio 18.2dB.
5
Figura 8: Comportamiento de la Ganancia y la Relación Front to Back
5. CRITERIOS DE DISEÑO DE ANTENA LOG-PERIODICA DE 300Ω
En el diseño de las LPDA (Log-Periodic Dipole Array por sus siglas en inglés) se tienen en cuenta las variables
de diseños τ y σ que son las únicos que regulan en el diseño la ganancia y el tamaño según la banda de
frecuencia de trabajo [2][3]. A través del Software libre LPCAD 34 se pueden lograr ajustes de variables para
diseñar la antena con mejor desempeño ya que este software utiliza las ecuaciones de diseños ofrecidas en
algunas bibliografías, entre otras herramientas para un mejor diseño en el menor tiempo posible. En este
software se diseñaron dos antenas básicas: para cubrir del canal 7 al 13 de la banda VHFIII y del canal 14 al
52 de la banda UHF, estas posteriormente se unieron para formar una sola estructura.
Para el cálculo y modelado electromagnético se utilizó la herramienta de software CST-Microwave Studio
2009 teniendo en cuenta su poder de cálculo se tomó como consideración para antenas de este tipo ya que
constituye un software muy recomendado para antenas de muy alta frecuencia.
En la Fig. 9 se puede observar un modelo geométrico sobre CST Microwave Studio (CST MS). En este
software el cálculo se realiza a través del método de Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo donde
queda discretizada cada estructura a través de mallas, las cuales conlleva mayor tiempo de cálculo y recursos
al poseer mayor densidad en dicha estructura y es por tal motivo que algunos detalles, como tornillos, tuercas,
aislantes, etc. no se consideran en la simulación para evitar el mallado con mucha densidad.
Figura 9. Modelo de Antena Log-periódica de 5 elementos de 300 Ω para los canales del 7 al 52 y modelo a
través del software CST MS
Luego de la última optimización se obtuvo como resultado una antena que posee características de ROE por
debajo de 2 en las bandas de VHF Banda III (canal 7-13) y UHF (canal 14-52). Las demás bandas son
6
rechazadas dado que la ROE se encuentra con valores muy superiores a 2. Tal comportamiento se muestra en
la Fig. 10.
Figura 10: Comportamiento de la ROE en las bandas de frecuencia de trabajo para línea de 300Ω
La Ganancia, en la banda de VHF Banda III, posee un valor promedio de 5.8dBi, mientras que en la banda de
UHF posee 7 dBi. Las curvas de Ganancia en función de las frecuencias se muestran en la Fig. 11.
Figura 11: Ganancia de la Antena Log-periódica de 300Ω en las bandas de frecuencias de trabajo
La antena posee una Front to Back promedio de 13dB para la banda de VHF Banda III y 16.5dB para UHF.
Esta relación se puede observar mediante el Patrón de Radiación en el plano horizontal, en el espacio libre,
para la frecuencia de 195MHz que representa el centro de la banda de VHF y 587MHz el centro de la banda de
UHF mostrado en la Fig. 12.
7
Figura 12. Patrón de Radiación Horizontal en el centro de las bandas de trabajo
Durante el diseño de la Antena Log-periódica de 300Ω apareció una última propuesta debido a la
incorporación del cable coaxial de 75Ω que en aquellos momentos se trató el tema en la Comisión de TV
Digital como mejora para la recepción de la señal. Se propuso la Antena Log-periódica con características
físicas y radioeléctricas similares a la anterior pero con un mejor comportamiento en cuanto a la ROE en la
bandas de trabajo.
Figura 13. Modelo real de Antena Log-periódica de 5 elementos de 75 Ω para los canales del 7 al 52 real y
modelo a través de CST MS
También posee la ROE por debajo de 2 para las bandas de VHF y UHF mostrado en la Figura 14 quedando
constituido una antena de 75 Ω.
Figura 14: Comportamiento de la ROE en las bandas de frecuencia de trabajo para línea de 75Ω
6. RESUMEN DE PRUEBAS Y MEDICIONES REALIZADAS POR LACETEL
8
El Instituto de Investigación y Desarrollo de Telecomunicaciones (LACETEL) tiene la misión de validar
cualquier producto que esté relacionado con la Televisión Digital bajo la Norma DTMB para canalización
6MHz establecida en Cuba. También dentro de ese grupo se encuentran las antenas tanto extranjeras como
fabricación nacional. Aprovechando la excelente formación de sus trabajadores y la moderna tecnología
disponible fueron enviados para su verificación técnica un prototipo de Antena Yagi de 5 elementos y otro de
Antena Log-periódica. En la Fig. 15 se muestra una imagen de los primeros prototipos ADY 004 y LPD
ADM 009 enviados a LACETEL.
Figura 15: Prototipos medido por LACETEL ADY 004 y ADM 009 (Fuente: LACETEL)
En las Tablas 2 y 3 se muestra el resumen de algunos parámetros radioeléctricos obtenidos durante las
mediciones. [4][5]
Tabla 2: Resumen de los resultados de las pruebas de la Antena Yagi de 5 elementos ADY 004 (Fuente:
LACETEL)
Parámetros
UHF
470
584
698
Ganancia (dBi)
5.4
11.0
8.0
4
5.8
13
1.22
1.13
1.16
20.1
24.0
22.7
Front-to-Back (dB)
Tabla 3: Resumen de los resultados de las pruebas de la Antena Log-periódica de 5 elementos LDP ADM 009
(Fuente: LACETEL)
Parámetros
VHF
UHF
174
195
216
470
584
698
Ganancia (dBi)
6.4
6.1
4.3
5.7
5.1
4.4
Front-to-Back (dB)
14
13
15
15
19
23
1.21
1.34
1.37
1.17
1.21
1.29
20.5
16.7
16.1
22.1
20.3
17.9
7. CONCLUSIONES
9
A través de este trabajo se muestra fundamentalmente la actividad que lleva a cavo la Empresa de Antenas de
Villa Clara encontrándose inmersa en el desarrollo y despliegue de la Televisión Digital en todo el territorio
nacional. Se propusieron dos tipos de antenas: ADY 004 y ADM 009, se analizaron sus parámetros
radioeléctricos a través de software y se midieron con la colaboración de LACETEL.
Ya el año pasado se fabricaron 1000 unidades de ADY 004 con muy buena aceptación por parte de la
población de Santa Clara a un precio de 80 pesos en MN. La empresa aún continua en la tarea de desarrollo
tecnológico y a la espera de la materia prima fundamental para comenzar de nuevo la fabricación del modelo
de Antena Yagui y posteriormente la antena Log-periódica Multibanda.
RECONOCIMIENTOS
Se agradece profundamente a los colegas de LACETEL por el apoyo brindado en las mediciones y la
experiencia aportada en la verificación técnica de las antenas en el campo de las antenas, por mantener lazos de
compañerismo y amistad con la Empresa de Antenas de Villa Clara manteniendo por todo lo alto el objetivo
principal que nos une: El desarrollo y calidad de la Televisión Digital que el pueblo merece.
REFERENCIAS
1. BALANIS, Constantine. A. "Antenna, Theory, Analysis and Design". 2005, 3ra Edición, pp. 515-635
2. CARREL, R. "The design of log-periodic dipole antennas". 1958 IRE International Convention Record,
1966. IEEE, 61-75.
3. YGLESIAS, Erick Cruz. C. Método de diseño para las características de impedancia y radiación de antenas
Log-periódicas de dipolos en V. Universidad Central "Marta Abreu" de las Villas. Villa Clara, 2013
4. Laboratorio de TVD, " Caracterización de Antena ADY 004 Villa Clara", LACETEL, Edición Junio 30,
2014, 16 pp.
5. Laboratorio de TVD, " Caracterización de Antena LPD ADM 009 Villa Clara", LACETEL, Edición Junio
30, 2014, 16 pp.
SOBRE EL AUTOR
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 Las
Villas (UCLV).
10

antenas para televisión digital terrestre y su fabricación

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