Trabajo de Diploma de Ingeniería en Telecomunicaciones y ...

Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones

“Antenas LPD laminares bajo diferentes condiciones de carga”

Autor: Lilia Ruiz Machado.

Tutor: DrC Roberto Jiménez Hernández

Cotutor: MSc Tuan Cordoví Rodríguez

Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de

Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui

Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la

mencionada casa de altos estudios.

Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente:

Atribución- No Comercial- Compartir Igual

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Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las

Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830

Teléfonos.: +53 01 42281503-1419

PENSAMIENTO

Aquel que se atreve a desperdiciar una hora de tiempo, no ha descubierto el valor de la

vida

Charles Darwin

DEDICATORIA

A mis padres, por hacerme la mujer que soy.

A toda mi familia, por darme apoyo, confianza y amor.

A mis tutores por su ayuda incondicional.

AGRADECIMIENTOS

A mi mamá, por todo el amor y dedicación que me ha brindado a lo largo de la vida.

A mi familia que siempre me ha apoyan y me ha dado ánimo para seguir

A mi tutor Roberto Jiménez, por brindarme su infinita experiencia.

Al MSc. Tuan E. Cordoví de la Empresa de Antenas de Villa Clara, por ayudarme

incondicionalmente en la realización de este trabajo.

A mis amigos de la carrera y a todos los profesores que han contribuido en mi formación

profesional.

A todo el que ha puesto un granito de arena para que mi sueño se haga realidad.

A todos, muchas gracias…

TAREA TÉCNICA

Recopilación y estudio de la bibliografía.

Obtención de los diferentes parámetros constructivos y de diseño de la antena LPD laminar

en la banda de 470 a 698 MHz.

Determinación por simulación de las características de radiación e impedancia de la antena

LPD laminar bajo diferentes condiciones de carga usando el paquete utilitario CST

ESTUDIO.

Construcción de una antena prototipo LPD laminar.

Medición de algunos parámetros eléctricos en la antena prototipo para la validación de los

resultados obtenidos.

Firma del Autor Firma del Tutor

RESUMEN

En el presente trabajo de diploma se brindan las principales características de las antenas

log-periódicas de dipolos laminares, empleando el software profesional CST Studio. Los

diseños de estas antenas laminares son poco conocidos en nuestro país. Las antenas LPD

operan en un ancho de banda amplio, tienen ganancias satisfactorias y son empleadas en la

TDT. Se brinda la teoría básica necesaria para la comprensión del principio de

funcionamiento. Además, se describe el proceso de diseño, simulación de las características

de radiación e impedancia y su construcción, tomando como referencia una antena log-

periódica de dipolos clásica. Por último, se brindan los resultados experimentales obtenidos

en la medición realizada a un prototipo de antena LPD laminar para su validación, así como

recomendaciones para posteriores estudios sobre el tema.

TABLA DE CONTENIDOS

PENSAMIENTO ................................................................................................................... ii

DEDICATORIA ................................................................................................................... iii

AGRADECIMIENTOS ......................................................................................................... iv

RESUMEN ............................................................................................................................ vi

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1

CAPÍTULO. 1: CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS LPD ....................................... 3

1.1 Características de impedancia y radiación de las antenas ........................................ 3

1.1.1 Impedancia ........................................................................................................ 3

1.1.2 Patrón de radiación ........................................................................................... 4

1.1.3 Ganancia de potencia de la antena .................................................................... 5

1.1.4 Eficiencia de la antena ...................................................................................... 5

1.1.5 Impedancia en el punto de alimentación ........................................................... 6

1.2 Fundamentos teóricos de la Antena Log-Periódica de Dipolo ................................. 7

1.2.1 Características de la antena LPD ...................................................................... 8

1.2.2 Tipos de antenas LPD Laminares ................................................................... 11

1.2.3 Dipolos planares ............................................................................................. 13

1.2.4 Aplicaciones típicas de las LPD Laminares ................................................... 14

1.3 Método de diseño para la antena LPD ................................................................... 15

1.3.1 Adecuación de los elementos al diseño clásico .............................................. 17

1.4 Características de la Televisión Digital Terrestre .................................................. 18

1.4.1 Principales parámetros para medir la calidad de la TDT ................................ 19

1.5 Conclusiones del capítulo ...................................................................................... 21

CAPÍTULO. 2: DISEÑO Y SIMULACIÓN DE LAS DIVERSAS VARIANTES DE LA

ANTENA LPD LAMINAR .................................................................................................. 22

2.1 Introducción ........................................................................................................... 22

2.1.1 Descripción del software CST Microwave Studio ............................................. 22

2.1 Recomendaciones para el diseño de antenas LPD laminares para la TDT ............ 24

2.2 Validez de los parámetros fundamentales de la antena de dipolo laminar ............ 25

2.3 Diseño y simulación de la Antena Log-Periódica de Dipolos Laminares para la

recepción de la TDT ......................................................................................................... 27

2.3.1 Cálculo de los elementos fundamentales de la antena LPD clásica para la

banda de UHF de la TDT .............................................................................................. 27

2.3.2 Adaptación de los elementos de la LPD con láminas metálicas ..................... 29

2.3.3 Adaptación y validación de la línea de transmisión de la LPD con láminas

metálicas ....................................................................................................................... 30

2.3.4 Simulación de la LPD laminar para la banda de UHF de la TDT .................. 31

2.3.5 Simulación y análisis del comportamiento de la antena LPD laminar ........... 32

2.4 Análisis del comportamiento de la LPD laminar con diferentes condiciones de

carga 36

2.4.1 Terminación con stub de λ8 ............................................................................ 36

2.5.2. Terminación con Impedancia Z0 ...................................................................... 36

2.5.3 Análisis de los resultados ................................................................................ 37

2.6 La antena LPD optimizada para la recepción de la TDT en Cuba ......................... 39

2.6.1 Dipolo para la banda de VHF ......................................................................... 39

2.6.2 Ahusamiento de la línea de transmisión ......................................................... 40

2.6.3 Inclinación de los elementos dipolos laminares ............................................. 40

2.6.4 Resultados de la simulación ............................................................................ 40

2.7 Características de los materiales y descripción técnica de la antena LPD Laminar

44

2.7.1 Materiales para la fabricación de LPD Laminar para TDT ............................ 44

2.8. Conclusiones del capítulo .......................................................................................... 46

CAPITULO. 3: VALIDACIÓN DE LOS RESULTADOS ................................................... 47

3.1. Introducción ............................................................................................................... 47

3.2. Descripción técnica del equipamiento utilizado en las mediciones ........................... 47

3.2.1 Analizador de Espectro ........................................................................................ 47

3.2.2 Antenas de referencia para las mediciones .......................................................... 48

3.2.3 Analizadores de Televisión .................................................................................. 48

3.3. Mediciones de parámetros radioeléctricos de los prototipos de antenas ................ 48

3.3.1 Medición de Pérdidas por Retorno ...................................................................... 49

3.3.2 Medición de la ROE ............................................................................................ 52

3.3.3 Medición de Ganancia ......................................................................................... 55

3.3.5 Medición del Patrón de Radiación ....................................................................... 58

3.4. Mediciones de señal en zonas de baja cobertura .................................................... 60

3.4.1 Validación de la Antena Exterior LPDL a través de los parámetros de calidad de

la recepción de la TDT .................................................................................................. 61

3.5. Valoración Económica ........................................................................................... 62

3.6. Conclusiones del capítulo ...................................................................................... 63

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 63

Conclusiones ..................................................................................................................... 63

Recomendaciones ............................................................................................................. 64

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 65

ANEXOS .............................................................................................................................. 68

Anexo I: Características técnicas del analizador de espectro DEVISER DSA-8853T ..... 68

Anexo II: Equipamiento empleado en las mediciones y validaciones .............................. 68

Anexo III: Mediciones de pérdidas por retorno y ROE de las antenas prototipos ........... 69

Anexo IV: Código para la comparación de la ROE simulada y medida de la antena en

MATLAB .......................................................................................................................... 69

Anexo V: Mediciones de ganancia: Antena ARE 001 transmitiendo y la antena LPDL

recibiendo .......................................................................................................................... 70

Anexo VI: Medición del patrón en el Plano E .................................................................. 70

Anexo VII: Mapa de cobertura del canal 13 en Villa Clara ............................................. 71

Anexo VIII: Mediciones con la Antena LPDL mejorada prototipo en las zonas de baja

cobertura de Villa Clara .................................................................................................... 72

INTRODUCCIÓN

1

INTRODUCCIÓN

En los últimos tiempos, con el auge de la televisión digital, se ha hecho imprescindible el

diseño novedoso de dispositivos para la recepción de la señal. Las antenas son elementos

fundamentales en los sistemas de radiocomunicaciones, ya que sin ellas no funcionarían las

estaciones radioeléctricas, por lo que, en gran medida, la posibilidad del intercambio global

de información que disfrutamos hoy es gracias al desarrollo de las antenas. La antena log-

periódica, en particular, se distingue, entre otras características, por ser “independiente de la

frecuencia” lo que la hace atractiva para sistemas donde se requiere cubrir una banda de

frecuencias amplia, manteniendo aproximadamente las características de radiación e

impedancia. Desde el punto de vista académico existe muy poca bibliografía sobre este tipo

de antena laminar, por lo que este trabajo podría contribuir al posterior estudio de este tipo

de antena para elaborar nuevos diseños y proyectos.

En la actualidad en nuestro país se presentan dificultades económicas en la adquisición de

tubos y materiales de aluminio para la fabricación de las antenas, lo cual limita la producción

en serie para la venta a la población con vistas a la recepción de la TDT. Según el problema

anteriormente planteado se define como objetivo general:

Proponer un método de diseño para las características de radiación e impedancia de antenas

LPD laminares para la TDT utilizando el software profesional CST Studio. y como objetivos

específicos:

1- Caracterizar los métodos de diseño existentes para las antenas LPD

2.- Diseñar por el método de Carrel una antena LPD Laminar para la banda de frecuencias

de 470 a 698 MHz correspondientes a los canales de TV del 14 al 51.

3.- Determinar las características de impedancia y radiación de la antena LPD Laminar

mediante simulación.

4.- Analizar el comportamiento de la antena LPD Laminar bajo diferentes condiciones de

carga

5.- Validar los resultados obtenidos por las mediciones experimentales en una antena

prototipo con las diferentes cargas terminales.

INTRODUCCIÓN

2

Con la realización de este trabajo se logrará obtener una antena LPD Laminar de bajo costo

con materiales disponibles en la Empresa de Antenas de Villa clara, así como un incremento

de las reseñas bibliográficas sobre este tipo de antena.

El informe de la investigación se estructurará, en resumen, introducción, capitulario,

conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y anexos.

CAPÍTULO. 1: CARACTERÍSTICAS DE LAS ANTENAS LPD


1.1 Características de impedancia y radiación de las antenas

1.1.1 Impedancia

La antena ha de conectarse a un transceptor y radiar o recibir el máximo de potencia posible con un mínimo

de pérdidas en ella. La antena y el transceptor han de adaptarse para una máxima transferencia de potencia

en el sentido clásico de circuitos. Habitualmente el transceptor se encuentra alejado de la antena y la

conexión se hace mediante una línea de transmisión o guía de ondas, que participa también en esa

adaptación, debiéndose considerar su atenuación, así como las reflexiones que pueden ocurrir en esta. El

transmisor produce corrientes y campos que pueden ser medibles en puntos característicos de la antena. En

todo el texto los valores de corrientes, voltajes y campos serán eficaces. A la entrada de la antena puede

definirse la impedancia de entrada 𝑍𝑒 mediante la relación voltaje-corriente fasorial en ese punto. En

notación fasorial de régimen permanente sinusoidal poseerá una parte real 𝑅𝑒(𝜔) y una imaginaria 𝑋𝑒(𝜔),

ambas dependientes en general de la frecuencia. Si 𝑍𝑒 no presenta una parte reactiva a una frecuencia, se

dice que es una antena resonante. Dado que la antena radia energía, hay una pérdida neta de potencia hacia

el espacio debida a radiación, que puede ser asignada a una resistencia de radiación 𝑅𝑟, definida como el

valor de la resistencia que disiparía óhmicamente la misma potencia que la radiada por la antena.

𝑃𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑑𝑎 = 𝐼2𝑅𝑟

Superpuestas a la radiación tendremos las pérdidas que puedan producirse en la antena, habitualmente

óhmicas en los conductores, si bien en las antenas de ferrita también se producen pérdidas en el núcleo. La

potencia entregada a la antena es la suma de las potencias radiada y de pérdidas en la antena. Todas las

pérdidas pueden considerarse en una resistencia de pérdidas R [Ω]. La Resistencia de entrada es la suma de

la radiación y pérdidas.

𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑎 = 𝑃𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑑𝑎 + 𝑃𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 = 𝐼2𝑅𝑟 + 𝐼2𝑅Ω Eq. 1.1


La impedancia de entrada es un parámetro de gran trascendencia, ya que condiciona los voltajes de los

generadores que se deben aplicar para obtener determinados valores de corriente en la antena y, en

consecuencia, una determinada potencia radiada. Si la parte reactiva es grande, hay que aplicar voltajes

elevados para obtener corrientes apreciables; si la resistencia de radiación es baja, se requieren elevadas

corrientes para tener una potencia radiada [1].

1.1.2 Patrón de radiación

El patrón de radiación de una antena es una representación gráfica de la radiación de la antena en función

del ángulo de dirección.

El sistema de coordenadas normalmente utilizado para especificar el patrón de radiación es el sistema de

coordenadas esféricas mostrado en la Fig. 1.1.

Fig. 1.1: Sistema de coordenadas esféricas

Fuente: [1].

La antena se sitúa en el origen de este sistema, y la intensidad del campo eléctrico se especifica en diferentes

puntos sobre una superficie esférica de radio “r”. Si consideramos que “P” es un punto distante, de modo

que r >>λ, entonces solamente se considerará el campo radiado. Para especificar el patrón de radiación, se

puede tomar el campo radiado a una distancia fija “r”, en función de los ángulos de dirección “θ” y “φ”.

Para el campo radiado, la intensidad del campo es siempre tangente a la superficie esférica, pudiendo tener

componentes “θ” y “φ” que pueden o no estar en fase de tiempo, definiendo el tipo de polarización de la

onda electromagnética. Para representar completamente al patrón de radiación se requiere una


representación tridimensional. Para facilitar esta representación, se utilizan cortes del patrón de radiación

representados en un plano. Los planos más utilizados son:

a) Plano horizontal (θ = 900).

b) Planos verticales (φ = 0 y φ = 900)

En general, el plano φ = constante, define un plano vertical, y el patrón de radiación vertical

correspondiente. La magnitud del campo eléctrico puede escribirse como E = K/r f (θ,φ) [V/m] donde “f

(θ,φ)” representa las características direccionales de radiación en función de la dirección espacial. En

general esta función está normalizada a su valor máximo |fN (θ,φ) = 1. La representación de “|f (θ,φ)|”

vs.“(θ,φ)” es el patrón de radiación de la antena en cuestión. Para θ = π/2 (plano xy), tendremos el patrón

de radiación horizontal, mientras que para φ = constante tendremos los patrones de radiación vertical.

Algunos autores, para antenas polarizadas linealmente, con formas del patrón de radiación simples, usan

comúnmente los términos patrón en el plano “E”, y el patrón en el plano “H”. Ellos son, respectivamente,

los planos pasando a través de la antena, en la dirección del máximo del lóbulo principal, y paralelos a los

vectores de radiación “E” y “H” [2].

1.1.3 Ganancia de potencia de la antena

La ganancia de una antena se define como la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección

y la densidad de potencia que radiaría una antena isotrópica, a igualdad de distancias y potencias entregadas

a la antena, es también en función de los ángulos del sistema de coordenadas esféricos, y puede plantearse

que [3]:

𝐺𝑝 (𝜃, 𝛷) = 4𝜋𝑈(𝜃, Ф)/𝑃𝑒𝑛𝑡 donde: Eq. 1.2

‘’ 𝑃𝑒𝑛𝑡’’ es la potencia de entrada de la antena, y se define como:

𝑃𝑒𝑛𝑡 = 𝑃𝑟𝑎𝑑 + 𝑃𝑝𝑒𝑟𝑑 [W] Eq. 1.3

Bajo la condición de ganancia de potencia máxima esta ecuación puede escribirse como:

𝐺𝑝𝑚𝑎𝑥 = 4𝜋𝑈𝑚𝑎𝑥/𝑃𝑒𝑛𝑡 Eq. 1.4

1.1.4 Eficiencia de la antena

La eficiencia se puede definir como la relación entre la potencia radiada por una antena y la potencia

entregada a la misma, sirve como un parámetro para determinar las perdidas presentes en la entrada de un

circuito cualquiera. La eficiencia es un número comprendido entre 0 y 1.


La eficiencia de la antena se define como [3]:

𝜂 = 𝐺𝑝 /𝐺𝑑 = 𝑃𝑟𝑎𝑑 / 𝑃𝑒𝑛𝑡 = 𝑅𝑟𝑎𝑑 / 𝑅𝑒𝑛𝑡 Eq. 1.5

Existe una ecuación que relaciona la eficiencia con la ganancia de potencia de la antena, y con el coeficiente

de reflexión de la línea de alimentación, donde:

𝐺𝑝(𝜃, Ф) = 𝜂(1 − |𝛤2|)𝐺𝑑(𝜃, Ф) Eq. 1.6

‘’η’’ representa la eficiencia de la antena.

‘’Γ’’ representa el coeficiente de reflexión de la línea (adimensional)

‘’Γ‘‘ puede expresarse como:

𝛤 = (𝑍𝑒𝑛𝑡 – 𝑍0)/ (𝑍𝑒𝑛𝑡 + 𝑍0) , aquí: “Zent’’ representa la impedancia de entrada de la antena. ‘’Z0‘’

representa la impedancia característica de la línea.

La ecuación anterior puede también ser escrita en función de la ganancia directiva máxima de la antena

como sigue [3]:

𝐺𝑝𝑚𝑎𝑥 = 𝜂(1 − |𝛤2|)𝐷 Eq. 1.7

1.1.5 Impedancia en el punto de alimentación

Desde el punto de vista circuital, la antena puede tomarse como una impedancia, cuya parte real es la

resistencia de radiación de la misma, y una componente imaginaria reactiva, que depende del campo

cercano que dicha antena genera cuando la resistencia de pérdidas es despreciable. Si el sistema de radiación

está bien diseñado, esta componente imaginaria debe ser despreciable, con respecto a la parte real. Los

circuitos equivalentes de las antenas como transmisora y como receptora se muestran en la Fig. 1.2 (a) y

(b), respectivamente.


Fig. 1.2: Circuitos equivalentes de antenas transmisoras y receptoras

Fuente: [2]

Para lograr máxima transferencia de potencia, debe cumplirse que R0 = Rrad, en cualquiera de los dos casos.

El patrón de radiación y la impedancia del punto de alimentación cumplen con la propiedad de reciprocidad,

es decir, dichos parámetros son los mismos para transmisión y para recepción [2].

1.2 Fundamentos teóricos de la Antena Log-Periódica de Dipolo

La Antena LPD es una antena que consiste en un conjunto de dipolos conectados a una línea de trasmisión

central con inversión de fase entre los dipolos, donde cada grupo de elementos resuena a una frecuencia

distinta y en un rango determinado. La unión de todos los elementos resonantes a diferentes frecuencias

acorde a una distribución angular con una razón geométrica entre los parámetros constructivos produce una

repetición periódica de las características con el logaritmo de la frecuencia, lo cual hace que se pueda

conformar una antena de banda ancha [4]. En la Fig. 1.3 se muestra un ejemplo clásico.


Fig. 1.3: Forma geométrica de la Antena Log-periódica

Fuente: [5]

La alimentación de la antena se lleva a cabo por cinta bifilar de 300 Ohm o cable coaxial de 75 Ohm. Cada

dipolo esta alimentado por una línea bifilar que se entrecruza desfasándolos a 180 grados. Pero en este caso,

los dipolos están soportados por el propio Boom, formado por dos tramos en vez estar alimentados por una

línea bifilar entrecruzada o tener un Boom formado por dos tubos o barras que además de la alimentación

es el soporte estructural de la antena [6].

1.2.1 Características de la antena LPD

Una antena LPD es una antena de banda ancha, la cual tiene características de impedancia y de radiación

que se repiten periódicamente como función logarítmica de la frecuencia.

Este tipo de antena multibanda presenta las siguientes características [7, 8]:

Las antenas LPD son antenas direccionales, su diagrama de radiación posee un gran ancho de banda

y son menos sensibles a los cambios climáticos.

Se usan a menudo para transmisión y recepción en la banda civil, así como en comunicaciones

militares donde se necesite un diagrama de radiación con buena precisión.

Sirven para operar en un amplio margen en las bandas de HF, VHF, UHF.


La alimentación de la antena LPD se realiza por el extremo de alta frecuencia o de menor dimensión

física.

Dirige su radiación por la parte de la menor dimensión, siendo la radiación nula o muy pequeña en

sentido de la parte de mayor dimensión física.

La radiación a las frecuencias más bajas de operación de la antena está determinada por los

elementos más largos, mientras que la radiación a las frecuencias más altas está determinada por los

elementos más cortos.

El número de elementos viene determinado principalmente por las particularidades de diseño.

El funcionamiento de la antena LPD puede entenderse de la siguiente manera: a una frecuencia

determinada, los dipolos que sea resonantes (LRn R≈ λ / 2) radiarán la mayor parte de la potencia que

transporta la línea de transmisión. Los dipolos de longitud mayor actúan de reflectores, mientras que los de

longitud menor de directores. De esta forma, el diagrama de radiación presenta el máximo en la dirección

del vértice. La zona donde se produce la radiación se denomina región activa de la antena y estará formada

por aquellos dipolos cuya longitud sea aproximadamente λ/2 a la frecuencia de trabajo. La zona activa se

desplaza a lo largo de la antena en función de la frecuencia. Dado que el elemento radiante es un dipolo, la

polarización es lineal. A partir de esto se entiende que el ancho de banda de una antena LPD estará fijado

por la longitud del dipolo más largo y la del más corto [9].

Las longitudes de los dipolos y su distancia se relacionan en tal forma que los elementos adyacentes tienen

una relación constante entre sí (Fig. 1.4). Las longitudes y las distancias entre los dipolos se relacionan con

la fórmula:

𝑅2

𝑅1=

𝑅3

𝑅2=

𝑅4

𝑅3=

1

𝜏=

𝐿2

𝐿1=

𝐿3

𝐿2=

𝐿4

𝐿3 Eq. 1.8

O sea:

1

𝜏=

𝑅𝑛

𝑅𝑛−1=

𝐿𝑛

𝐿𝑛−1 Eq. 1.8

En la que:

R: Distancia entre dipolos

L: Longitud del dipolo

τ: Relacion de diseño (menor a 1)


Fig. 1.4: Antena log-periódica

Fuente: [9]

Los extremos de los dipolos están en una línea recta, y el ángulo que forman se denomina α. En un diseño

típico, τ =0.7 y α =30°. Con las anteriores estipulaciones estructurales, la impedancia de entrada de la antena

varía en forma repetitiva cuando se grafica en función de la frecuencia, y cuando se grafica en función del

logaritmo de la frecuencia, varía en forma periódica; de aquí el nombre “Log - Periódica”. En la Fig. 1.5 se

ve una gráfica característica de la impedancia de entrada. También la, directividad, ganancia de potencia y

ancho de banda sufren una variación similar con la frecuencia.

Fig. 1.5: Impedancia Característica

Fuente: [9]

La magnitud de un periodo logarítmico de frecuencia depende de la relación de diseño y si hay dos máximos

sucesivos en las frecuencias f1 y f2, se relacionan mediante la fórmula

𝑙𝑜𝑔 𝑓2 − 𝑙𝑜𝑔 𝑓1 = 𝑙𝑜𝑔𝑓1

𝑓2= 𝑙𝑜𝑔

1

𝜏 Eq.

1.8


Por consiguiente, las propiedades de una antena LPD a la frecuencia f tendrán propiedades idénticas a la

frecuencia τf, τ2f, τ3f, etc [10, 11].

1.2.2 Tipos de antenas LPD Laminares

A lo largo de los años han surgidos las antenas “independientes de frecuencias” que ofrecen anchos de

bandas creídos inalcanzables. Las Antenas Log-Periódicas de laminas metálicas (LPDL) como se muestran

en las Fig. 1.7 y 1.8 están limitadas por consideraciones mecánicas a frecuencias de microondas y es por

ello que mayormente se utiliza conductores rectos para la fabricación de LPD [3, 12].

Modelo de Antena LPD Laminar dentada planar

En la Fig. 1.6 se muestra una antena LPD Laminar con cortes que definen arcos circulares. El radio de los

brazos en arco que definen la distancia que definen la distancia de los brazos sucesivos al centro se elige

según la razón constante 𝜏 = 𝑅𝑛+1 𝑅𝑛⁄ . Esta misma razón τ define las longitudes y anchura de los dientes

sucesivos [3, 12].

Fig. 1.7: Antena bidireccional Log-Periódica Laminar plana

Fuente: [3]

Modelo de Antena LPD Laminar dentada no planar

La antena LPD no planar como la de la Fig. 1.8 es el resultado del doblado de la antena planar

bidireccional con el objetivo de lograr una radiación unidireccional. En este caso la radiación se genera


en dirección de los elementos dipolos más pequeños y con características independientes de la

frecuencia [3, 13].

Fig. 1.8: Antena unidireccional Log-Periódica Laminar no plana

Fuente: [3]

Modelo de Antena LPD trapezoidal

Conocida como Trpz-LPD resulta de la modificación de la anterior debido a la transformación de los

dientes curvos a lineales [12]. Las ecuaciones de relaciones de dimensiones se mantienen como la

anterior. Esta antena tiene una pequeña pero más mantenida variación de la impedancia de entrada que

la LPD Planar, además de poseer una ganancia algo más pequeña, tiene una componente de cross-

polarización similar a la de LPD Planar [14].


Fig. 1.9: Antena bidireccional Log-Periódica Trapezoidal Laminar plana

Fuente: [15]

Modelo de Antena LPD Stripline

Este tipo de antena corresponde a la misma estructura LPD (antena log-periódica de arreglo de dipolos)

pero adaptada a las estructuras planas. Su atractivo consiste en la técnica de alimentación, que utiliza un

paso de coaxial a una línea central stripline como adaptador de entrada. El conductor interno del conector

coaxial se suelda a la línea stripline y el chasis del conector se suelda a las dos líneas de alimentación por

ambas caras del arreglo log-periódico. Es necesaria para este caso la trasformación del sistema

desbalanceado a línea balanceada, esto se logra en el punto de alimentación en la cara opuesta al paso

coaxial stripline que es por donde se debe alimentar la antena. En este punto la línea de alimentación

stripline central queda en circuito cerrado a una cara de la LPDA pero la otra cara queda en abierto, de esta

manera se logra el centro de fase y el balance en la antena [15].

Fig. 1.10: Estructura de una LPDA plana con línea de alimentación stripline central

1.2.3 Dipolos planares

El ancho de banda conseguido por un dipolo cilíndrico clásico grueso se puede lograr también con un dipolo

con láminas metálicas. Un dipolo planar consiste en dos planchas metálicas, generalmente de aluminio, el

centro del dipolo está conectado al transmisor o al receptor por medio de una línea de transmisión y el largo

del dipolo s denomina L [11] .

El dipolo laminar utilizado como elemento en la antena Laminar LPD se muestra en la Fig. 1.11.


Fig. 1.11: Dipolo Laminar clásico con espesor muy fino

Fuente: [11]

Para el caso de los dipolos laminares se aplican las siguientes ecuaciones de radiación. Como resultado

presenta una directividad típica similar a la del dipolo de conductor recto clásico.

Eq. 1.9

Eq. 1.10

1.2.4 Aplicaciones típicas de las LPD Laminares

Las antenas Log-periódicas en medio del auge de la televisión y sus nuevos retos toman un papel

fundamental, de modo que su presencia es indiscutible por sus características de banda ancha. Diseñadas

en muchos casos para cubrir toda la gama de televisión aprovechando que sus conductores tienen diferentes

longitudes y logran de esa manera recibir en diferentes frecuencias en un mismo instante de tiempo. Es

posible también la utilización de dichas antenas para las comunicaciones inalámbricas, existiendo un

compromiso importante entre requisitos específicos que son analizados para su correcta aplicación, entre

ellos está sin dudas el bajo perfil, el ancho de banda garantizado así como la operación en multifrecuencia

entre otras. Se encuentran diseñadas para radio en FM (87.5 a 108.0 MHz), incluso como antenas de

iluminadores de reflectores parabólicos y de monitoreo. Además son utilizadas con sistematicidad en

labores de capacitación, investigación, consultoría y mediciones [15].

En la actualidad las LPDL se utilizan con mayor frecuencia con tecnología impresa microstrip en PCB o

Placa de Circuito Impreso donde existen muchos ejemplos y aplicaciones. También se utilizan las antenas

de microstrip o microcinta para la recepción de la TDT en interiores donde se requiere que la antena sea de

bajo perfil y de pequeñas dimensiones [15, 16]. Existen en el mercado fabricantes que promueven LPDL


especialmente fabricadas con láminas metálicas para su uso en TDT. En la Fig. 1.12 se muestran algunos

ejemplos de LPDL para TDT de trabajos realizados hasta la actualidad en el territorio nacional.

(a) (b)

Fig. 1.12: Ejemplos típicos de antenas LPDL de trabajos realizados hasta el momento en el territorio

nacional: (a) Elaborada en la CUJAE y (b) elaborada por la industria militar

1.3 Método de diseño para la antena LPD

La configuración general de una antena LPD se describe en términos de los parámetros de diseño “τ”, “α”

y “σ”, relacionados por la expresión siguiente la cual se usa para calcular alfa en grados,

α = arctan [(1 - τ) / (4σ)] Eq. 1.11

El ancho de banda del sistema lo determina las longitudes del elemento más corto y el elemento más largo

de la estructura. El ancho de la región activa depende del diseño específico. Carrel ha introducido una

ecuación semi-empírica para calcular el ancho de banda de la región activa “Bar

” relacionada con “α” y “τ”

por la expresión:

Bar = 1,1 + 7,7(1 − τ)2 cot α Eq. 1.12

En la Fig. 1.13 se especifica la ganancia directiva en dBi requerida para el diseño, se obtienen los valores

de y σ.


Fig. 1.13: Curva de ganancia directiva en dBi para distintos valores de “τ” y “σ”, Z0=100Ω y h/a = 177

con terminación en cortocircuito en el elemento más largo

Fuente: [17]

En la práctica, un ancho de banda ligeramente mayor “Bs” es usualmente diseñado con relación al requerido.

Los dos están relacionados por:

Bs = B B

ar Eq. 1.13

Donde “Bs” es el ancho de banda del diseño, “B” es el ancho de banda deseado y “B

ar” es el ancho de banda

de la región activa.

La longitud total de la estructura “L” a partir de la longitud del elemento más corto “lmin

” y de la del

elemento más largo “lmax

” viene expresada por:

L = λmax

/4 (1 – 1/Bs) cot α donde Eq. 1.14

λmax

= 2lmax

= c/fmin Eq. 1.15

De la geometría del sistema, el número de elementos está determinado por la expresión

N = 1 + ln (Bs)/ ln (1/τ) Eq. 1.16


El espaciamiento centro a centro “s” del alimentador de los dipolos puede determinarse especificando la

impedancia de entrada requerida (suponiendo que sea resistiva), el diámetro de los elementos dipolos y el

de los conductores de dicho alimentador. Para llevar a cabo esto, definimos una impedancia característica

promedio de los elementos, dada por la expresión:

Zd

= 120[ln (ln/d

n) – 2,25] Eq. 1.17

Donde ln/d

n es la razón longitud a diámetro del elemento del conjunto. Prácticamente, sin embargo, los

elementos son normalmente divididos en uno, dos, tres o más grupos con todos los elementos en cada grupo

teniendo el mismo diámetro, pero no la misma longitud. El número de grupos está determinado por el

número total de elementos del conjunto. Usualmente tres grupos (para los elementos pequeño, mediano y

grande) deben ser suficientes. La impedancia característica del alimentador de los dipolos (Boom bifilar),

“Z0” se expresa por:

Z0/R

0’ = [1/(8σ’Z

d/R

0’)] + [1/(8σ’Z

d/R

0’)

2

+ 1]1/2

Eq. 1.18

Donde σ’ = σ/(τ)1/2

. “Zd” es la impedancia característica promedio de los dipolos, “R

0’ “es la impedancia

de entrada de la antena.

R0=√1 + (Z0/Zd)(τ/4α) Eq. 1.19

El espaciamiento centro a centro “s” entre los dos conductores del alimentador, cada uno con diámetro

idéntico “d” está determinado por la expresión

s = d cosh (Z0/120). Eq. 1.20

Y la longitud del elemento mayor es

L1 = s(𝜆𝑚á𝑥

2) Eq. 1.21

Donde “S” depende ligeramente de “Z0” y de la relación longitud del brazo al radio [2, 15, 18].

1.3.1 Adecuación de los elementos al diseño clásico

Para la antena LPD laminar se usa el mismo método de diseño que en la antena clásica, teniendo en cuenta

que el radio equivalente de cada dipolo planar es 0.25 veces el ancho de la lámina y la expresión para Z0 es

[19, 20]:


Z0 = 120π

√ϵ/ϵ0

a

b Eq. 1.22

Despejando la expresión que corresponde a la separación de una línea de trasmisión de láminas paralelas

mostrada en la Fig. 1.14 se obtiene:

a =Z0b

120π Eq. 1.23

Fig. 1.14: Sección transversal de una línea de transmisión de tira paralela

Fuente: [19]

1.4 Características de la Televisión Digital Terrestre

Los sistemas de transmisión de la TDT poseen algunos beneficios que se resumen como sigue [21] [22]

[23]:

Aumenta sensiblemente la calidad de sonido e imagen, tanto en su definición como en su robustez,

frente a los efectos de las interferencias.

Mejor aspecto de pantalla (de una razón 4:3 se pasa al cinematográfico 16:9).

Posibilita servicios interactivos.

Permite con el programa en curso, transmitir datos y audio adicionales (como son subtítulos, radio

digital, alarmas, traducción, etc.).

Los equipos pueden trasladarse de un sitio a otro a diferencia de las instalaciones de televisión

satelital que son fijas.

Mejor recepción (señal libre de ruido).

Menor costo de transmisión por programa.

Un mejor aprovechamiento del espectro radioeléctrico.

El ancho de banda liberado puede destinarse a la emisión de otros programas, emisiones de

televisión de alta definición o a la transmisión de datos y nuevos servicios interactivos.


Permite un consumo asincrónico a través del almacenado de programas en discos duros de

decodificadores.

Permite utilizar SFN (Single Frequency Network, Red de Frecuencia Única).

En la TV analógica, a medida que se desvanece gradualmente el nivel de señal, la imagen en pantalla

se va deteriorando cada vez más hasta desaparecer por completo. La robustez fundamental que presenta la

TV Digital es que mientras el nivel de señal se encuentre dentro del rango de aceptación, la misma se podrá

disfrutar con alta calidad. A medida que disminuye el nivel de la señal, siendo débil con respecto a los

ruidos u otras interferencias que influyen, aparece el característico Precipicio Digital (Cliff Digital) que es

la incapacidad de detección del receptor, que a su vez empieza a “pixelarse” hasta dejar de verse la imagen

por completo. Esta problemática justifica el dicho popular de “se ve o no se ve” [24]. En la Fig. 1.15 se

puede observar un modelo de comparación de señal entre ambas tecnologías.

Fig. 1.15: Comparación entre los niveles de recepción de señal Analógica y Digital

Fuente: [6]

1.4.1 Principales parámetros para medir la calidad de la TDT

Los principales parámetros para medir la calidad de la televisión digital terrestre son los siguientes:

Potencia de la señal: La potencia de la señal que se recibe en la toma de la vivienda o local, se

mide en dBm. El valor admisible mínimo conocido como TOV Umbral de Visibilidad (Threshold

Of Visibility), según el Standard UIT-R BT. 2032-2 y en pruebas realizadas en laboratorios

indican valores inferiores de -85 dBm para algunos receptores repartidos a la población cubana.

Sin embargo en la práctica, en algunas mediciones realizadas con antenas exteriores en diferentes

localidades del territorio nacional los niveles débiles oscilaban por debajo de -68 [25] [26].


MER (Modulation Error Ratio, Razón de Error en la Modulación): El MER, en términos de

QAM (Quadrature Amplitude Modulation, Modulación de Amplitud de Cuadratura) que es la

modulación mas usada en TDT, es la razón entre la amplitud del símbolo promedio (Sp) y la

amplitud del error promedio (E) para el símbolo que normalmente se mide en dB.

𝑀𝐸𝑅 = 20 log10(𝑆𝑝/𝐸) Eq. 1.24

Es la equivalente a la Relación Señal a Ruido (S/N) pero en la modulación. Se define también

como un factor que nos informa de la exactitud de una constelación digital . El valor aceptable del

parámetro MER no está determinado. La mayoría de los receptores actuales decodifican

correctamente la señal que toma, si se dispone de una MER > 20dB con un valor mínimo

aconsejable de 22dB. El valor mínimo aconsejable para la MER en una antena es de 23dB. La

MER puede verse alterada por las señales multitrayecto, interferencias, ruidos provocados por el

hombre, entre otros [27].

El BER (Bit Error Ratio): Es el parámetro fundamental que nos determina la calidad de la señal

demodulada (trama de transporte) de los sistemas de televisión digital terrestre. Es el número de bits

o bloques incorrectamente recibidos, con respecto al total de bits o bloques enviados durante un

intervalo específico de tiempo. Esta es la medida fundamental para determinar la calidad de la señal.

Para una correcta decodificación de la señal digital, únicamente se define un valor del BER < 2 x

10−4 después de la decodificación en el receptor. Por encima de este valor, es imposible realizar la

decodificación debido al gran número de errores presentes en el flujo de datos [27] [28].

Todos estos parámetros descritos anteriormente se pueden calcular con instrumentos de medida como

son los Medidores de Campo Portátiles con diversas funcionalidades como el de la siguiente Fig. 1.16.

Donde se pueden observar dos mediciones de señal una distancia relativamente cercana y la otra a una

distancia considerable de un transmisor DTMB a través del instrumento: el Analizador de TV DEVISER

DS2500T [29].


(a) (b)

Fig. 1.16: Lectura típica de la recepción los parámetros de calidad de la TDT en un instrumento de

medición portátil para TDT: (a) señal fuerte y (b) señal débil

Se muestra la validez de los parámetros de medida, los cuales para la antena exterior en la Fig. 1.16a

están dentro de los parámetros aceptables, mientras que en la Fig. 1.16b, todos los parámetros se encuentran

deteriorados y en este caso, la imagen en el TV “no se ve”.

1.5 Conclusiones del capítulo

En el presente capítulo quedaron expuestos los principales parámetros de las antenas. Se explicó el

funcionamiento de las antenas LPD donde se cumplen con los requerimientos de ganancia y ancho de banda

necesarios fundamentalmente para las antenas de TDT. También se demuestra que se pueden sustituir los

dipolos cilíndricos clásicos por dipolos laminares sin afectar la impedancia en el punto de alimentación y

la ganancia. Se demostró que la combinación de la antena LPD con el dipolo laminar se puede realizar para

diseñar una estructura completamente log-periódica formada exclusivamente por dipolos laminares

conformados denominada Antena Log-Periódica de Dipolos Laminares (LPDL). La antena LPDL por tener

una estructura más compleja que las clásicas LPD se necesita herramientas de software de alto nivel como

el CST Microwave Studio. En el capítulo siguiente se exponen metodologías y procesos de diseños

definidos por software que se utilizarán para analizar el comportamiento de un modelo LPDL clásico bajo

diferentes condiciones de carga y para lograr un modelo optimizado útil para la recepción de la TDT.

CAPÍTULO. 2: DISEÑO Y SIMULACIÓN DE LAS DIVERSAS VARIANTES DE LA ANTENA LPD LAMINAR

CAPÍTULO. 2: DISEÑO Y SIMULACIÓN DE LAS DIVERSAS VARIANTES DE LA

ANTENA LPD LAMINAR

2.1 Introducción

En este capítulo se realizará la adecuación de los dipolos clásicos tubulares a dipolos laminares

conformadas con láminas de aluminio. Se realizará el diseño de una antena LPD laminar empleando el

método de Carrel [17]. Posteriormente se utilizará el software CST Microwave Studio 2018 para mejorar

las características de impedancia y radiación obtenidas mediante la variación de los parámetros factor de

escala () y factor de forma (σ). Se obtendrá el espaciamiento centro a centro de la línea de alimentación

de los dipolos (S) en correspondencia a las características del tipo de línea de transmisión a utilizar. Se

llevará a cabo el diseño y simulación de una antena LPD laminar simple y mejorada. Por otro lado, se

compararán los resultados obtenidos de las simulaciones en diferentes condiciones de carga: con

terminaciones en circuito abierto, en cortocircuito y con una carga de 75 Ω. Por último, se tendrá en

consideración las longitudes reducidas de la antena para la posterior fabricación de antenas interiores para

la TDT y se realizará la adición de un dipolo destinado a trabajar en la banda de VHF en la parte trasera

con el objetivo de agregarle validez práctica como antena exterior para a la recepción de la TDT. De esta

forma se podrán comprobar las ventajas de la antena LPD laminar con relación a la clásica LPD tubular

que comúnmente es la más utilizada actualmente para la recepción de la TDT.

2.1.1 Descripción del software CST Microwave Studio

El programa de simulación CST Microwave Studio 2018 (CST-MS) es una herramienta especializada

para la simulación electromagnética en tres dimensiones (3D) basado en el método de las Diferencias

Finitas en el Dominio del Tiempo. Es un programa creado por la empresa CST (Computer Simulation

Technology), que se dedica a proporcionar software para el diseño electromagnético en todas las bandas de


frecuencia. Algunas aplicaciones típicas incluyen dispositivos de RF y microondas para comunicaciones

móviles inalámbricas. Es un programa muy completo con multitud de opciones de configuración, ajuste y

presentación de resultados, que permite obtener una visión del comportamiento de los diseños

electromagnéticos. Dispone de una interfaz gráfica muy potente, que facilita la generación de todo tipo de

superficies y volúmenes, pudiéndose combinar de forma booleana para generar nuevas formas según

convenga.

La complejidad que entraña el uso de este programa ha implicado el estudio minucioso de tutoriales y

guías de uso para comprender los fundamentos de la generación de estructuras y el funcionamiento de los

motores de simulación.

A la hora de diseñar, se definen las unidades en las que se trabajan, MHz para la frecuencia, así como

mm para las dimensiones físicas. El material que se utiliza en el diseño se puede escoger entre un conductor

eléctrico perfecto (PEC) y un material real con su permitividad y sus pérdidas [30] [31]. Otro aspecto

importante es elegir el rango de frecuencias con el que se trabaja.

El programa dispone de 5 módulos de cálculo:

Transient Solver

Eigen Mode Solver

Frequency Domain Solver

Resonant: Fast S-Parameter solver

Resonant: S-Parameter Fields solver

El módulo Solucionador Transiente (Transient Solver) es el más utilizado en la simulación de antenas,

fundamentalmente en las simulaciones efectuadas. Es un simulador electromagnético en 3D de propósito

general que proporciona la propagación del campo bajo estudio en el dominio del tiempo. Es la herramienta

más flexible del programa y permite simular la mayoría de problemas electromagnéticos.

Una vez elegido el simulador Transient Solver, se pueden definir 2 tipos de puertos:

Waveguide Port.

Discrete Port.

A la hora de realizar las simulaciones de las antenas, se ha optado por utilizar Puerto Discreto (Discrete

Port) y Puerto de Guía de Onda (Waveguide Port) con el fin de satisfacer las diversas variantes de

alimentación de las antenas.


Con la utilización del software se encontrarán los diferentes parámetros como son el patrón de radiación,

la impedancia de entrada compleja, la razón de onda estacionaria (ROE), la ganancia directiva, el

coeficiente de radiación trasera, el ángulo de elevación y la polarización, entre otros, variando las

características físico-constructivas de la antena, y se obtendrá un método de diseño para las antenas

utilizadas, según los resultados obtenidos.

2.1 Recomendaciones para el diseño de antenas LPD laminares para la TDT

La Comisión de la TV Digital encomendó a la Empresa de Antenas de Villa Clara la tarea de realizar

antenas multibanda con ganancia de potencia relativamente mediana. Considerando la futura eliminación

paulatina de los transmisores de los canales de la TV analógica donde existirá cobertura de la TDT en todo

el país con transmisores de mayor potencia que los actuales, las futuras antenas para la recepción de la TDT

deben poseer aproximadamente entre 5 dBi y 7 dBi de ganancia de potencia, especialmente diseñadas para

viviendas que estén cercanas al transmisor, aproximadamente hasta 30 km. Como principal característica

deben tener buen desempeño en la banda de VHF, desde el canal 7 al 13, y en la banda de UHF, desde el

canal 14 al 52.

Según necesidades de la población, la escasees de varillas de aluminio, los precios de ventas, y la

capacidad de la industria nacional atentan para el desarrollo y la comercialización de las antenas clásicas.

También la competencia en el mercado nacional con la introducción de las antenas extranjeras es un punto

de gran importancia. Especialmente se elige como referencia la antena log-periódica laminar modelo

RUNCH DTVANT3922 de la Empresa Shenzhen Runch Industrial Corp, que ha sido bien aceptada por la

población cubana. Todos los criterios anteriores se tuvieron en consideración para la elaboración de las

siguientes especificaciones:

Para las antenas LPD tubulares.

Las antenas deben operar dentro del rango de frecuencias de 174 a 216 MHz (Banda III de VHF)

y de 470 a 698 MHz (Banda de UHF).

El bajante o línea de transmisión debe ser de cable coaxial de 75 Ω.

Evitar la inserción de conectores y elementos para la alimentación desprotegidos de la intemperie.

El diámetro de los dipolos será de 10 mm, que utiliza la Empresa de Antenas de Villa Clara en

estos momentos, para facilitar su posterior fabricación en la realización de las mediciones, pero en

este caso se requiere la sustitución de los tubos por láminas.


La longitud máxima no debe sobrepasar los 800 mm debido a su costo.

Para las antenas LPD laminares:

Debe ser de pequeñas dimensiones. La longitud máxima no debe sobrepasar los 500 mm

considerando todos los elementos de la parte activa de la antena y los elementos de sujeción al

mástil debido a su costo de producción.

En este caso la ganancia de potencia en la banda de UHF puede ser relativamente mediana y con

más de 7 dBi y menos de 9 dBi en la banda de UHF, especialmente para zonas cercanas del

transmisor de la TDT.

En el caso de usar dipolos para la banda de VHF estos deben ser plegados para facilitar el

empaquetado de la antena.

El precio de venta debe ser por debajo de 6.00 pesos en moneda libremente convertible o 150.00

pesos en moneda nacional

2.2 Validez de los parámetros fundamentales de la antena de dipolo laminar

Experimentalmente, se simuló un dipolo cilíndrico de aproximadamente λUHF 2⁄ para la frecuencia

central fo de la banda de UHF en 584 MHz con una impedancia de 75 Ω en el punto de alimentación. El

mismo inicialmente fue calculado con la expresión aproximada para un dipolo donde se tiene en cuenta el

factor de acortamiento aproximado:

Ldipolo =λUHF

2∗ 0,95 =

300

2∗581∗ 0,95 = 244mm Eq. 2.1

En el dipolo, a medida que aumenta el radio del conductor, aumenta el ancho de banda y se disminuye

la longitud del mismo para una frecuencia de resonancia determinada. La expresión de la impedancia del

dipolo está basada para un radio muy fino [14]. Es por ello que se utiliza la simulación para analizar el

comportamiento del mismo con un radio de 8 mm.

En este caso la longitud del dipolo resonante a 581 MHz es inferior a 223 mm para un radio de 4 mm

(varilla de 8 mm de diámetro). Posteriormente se analizó un dipolo semejante pero de forma laminar. Se

calculó el ancho de la lámina metálica a través del radio equivalente para un conductor cilíndrico y

considerando la lámina con un espesor muy fino de la Fig. 1.9 [32].

En la Fig. 2.1 se muestran dos modelos de dipolos con los conductores de diferentes formas

visualizados en CST-MS.


(a) (b)

Fig. 2.1: Antenas interiores de dipolos diseñadas en CST-MS: (a) con conductores cilíndricos y (b) con

conductores de chapa

El ancho de la chapa para un radio equivalente de 4 mm es 16 mm y la longitud del dipolo laminar

para 581 MHz es de 225 mm. Las longitudes de los dos dipolos y el ancho de banda son similares, según

la ROE. En la Fig. 2.2 se muestra la respuesta de frecuencia con respecto a las ROE.

Fig. 2.2: Razón de Onda Estacionaria (ROE) de diversas configuraciones del dipolo recto simulado para

la banda de UHF de TDT

La curva verde de la ROE para un dipolo de 32 mm es más abierta. Tal característica permite

demostrar que a medida que aumenta el ancho de la chapa aumenta el ancho de banda con respecto a la

ROE. Esta característica posee gran ventaja porque en el diseño de la antena LPD se puede lograr un ancho

de banda adicional aumentando el ancho de la chapa, permitiendo la reducción de los dipolos que la

conforman. En el caso de las varillas tubulares solo hay facilidad de adquisición para la de 8 mm de diámetro

que no permite aprovechar mayor ancho de banda ni la confección de una estructura completamente log-

periódica con variación gradual de los radios de los elementos.


2.3 Diseño y simulación de la Antena Log-Periódica de Dipolos Laminares para la recepción de la

TDT

Para el diseño de la antena de banda ancha, primeramente, se realiza el cálculo teórico de la antena LPD

empleando el método de Carrel con el apoyo del software LPCAD 35 para antenas LPD. Posteriormente se

utiliza el software CST Microwave Studio 2018 para mejorar las características de impedancia y radiación

obtenidas mediante la variación de los parámetros factor de escala (), factor de forma (σ) y espaciamiento

centro a centro de la línea de alimentación de los dipolos (sl).

La antena está calculada para UHF con comportamientos radioeléctricos relativamente adecuados en la

banda de frecuencia de trabajo. Se calcula inicialmente con los mismos parámetros y σ con el objetivo de

obtener una antena de dipolos cilíndricos clásica. Se realizará la adecuación a láminas metálicas de toda la

estructura y posteriormente se analizará el comportamiento a través de la simulación.

2.3.1 Cálculo de los elementos fundamentales de la antena LPD clásica para la banda de UHF de la

TDT

Para realizar los cálculos correspondientes al método de Carrel se utilizó el software LPCAD35 como

se muestra en la Fig. 2.3. En el diseño de la antena LPD se tienen en cuenta que los parámetros de diseños

τ y σ son los que regulan la ganancia, el ancho de banda y la longitud de la misma. A través de LPCAD35

se pueden ajustar los parámetros para lograr la antena con el mejor desempeño y con un tamaño adecuado

no más de 350 mm, ya que este software utiliza las ecuaciones de diseño ofrecidas en algunas bibliografías

[33] para un mejor diseño en el menor tiempo posible.

El cálculo en LPCAD 35 consiste en introducir valores como: la frecuencia inferior (fmin), la

frecuencia superior (fmax),τ, σ y el diámetro del primer elemento. Con estos datos el software puede calcular

el número de dipolos, la longitud, el diámetro, y el espaciamiento entre ellos. También permite calcular la

impedancia de la línea de transmisión que alimenta los dipolos a partir de la impedancia de entrada de 75

Ω. Además, se obtiene la separación centro a centro de la línea de transmisión tubular con un radio

determinado.

Para los cálculos se elige que tenga una ganancia directiva inicial de 8.5 dBi, pero posteriormente se

debe adecuar para una longitud no mayor de 350 mm. Con esa ganancia y llevada a la Fig. 1.10 se

encuentran los valores aproximados de τ y σ óptimo para 8.5 dBi: τ = 0.9 y σ = 0.17.


Utilizando LPCAD 35 se da como valores de entrada la frecuencia inferior fmin = 470MHz y

frecuencia superior fmax=700MHz, diámetro de la varilla del dipolo más largo de 12 mm, τ = 0.9, σ = 0.17

e impedancia característica del cable coaxial de alimentación de la antena, 75 Ω. Como resultado del

software la antena tiene una ganancia de aproximadamente 8 dBi, 7 dipolos y una longitud de 0.5 m. Para

reducir el tamaño hasta 300 mm se debe reducir el factor de escala a σ = 0.12 con una ganancia aproximada

de 7.5 dBi.

A continuación, se muestran los pasos de diseños utilizados en LPCAD 35 a través de la Fig. 2.3.

Fig. 2.3: Presentación del software LPCAD 35 para el diseño de la antena LPD sección de UHF: (a)

ventana de inserción y cálculo de los parámetros esenciales, (b) cálculo de los parámetros constructivos

de los dipolos, (c) cálculo de la línea de transmisión y (d) presentación de las características generales de

la antena

En el diseño de la antena LPD se tiene en cuenta que los parámetros de diseño τ y σ son los que regulan

la ganancia, el ancho de banda y la longitud de la misma. A través del LPCAD 35 se pueden lograr los


ajustes de los parámetros para obtener la antena con el mejor desempeño, ya que este software utiliza las

ecuaciones de diseño ofrecidas en algunas bibliografías [33] para un mejor diseño en el menor tiempo

posible.

Finalmente, se obtuvieron los siguientes resultados:

-Número de dipolos: 7

-Ganancia aproximada: 7.5 dBi

-Impedancia: 75Ω

-Longitud de cada uno de los

dipolos:

L1= 291 mm

L2= 262 mm

L3= 236 mm

L4= 212 mm

L5= 191 mm

L6= 172 mm

L7= 155 mm

-Espaciamiento entre los dipolos:

R1= 71 mm

R2= 63 mm

R3= 57 mm

R4= 51 mm

R5= 46 mm

R6= 41 mm

-Diámetro de cada par de

dipolos

d1= 12 mm

d2= 10.8 mm

d3= 9.7 mm

d4= 8.7 mm

d5= 7.9 mm

d6= 7.1mm

d7= 6,4mm

-Longitud del boom: 328 cm

-Espaciamiento entre los booms cilíndricos.: 20.7 mm

2.3.2 Adaptación de los elementos de la LPD con láminas metálicas

El cálculo del diseño anterior propone valores de diámetros de la varilla que varían desde 8 mm hasta

4.3 mm. Las mismo también poseen radios que varían desde 4 mm hasta 2.1 mm. Estos radios se consideran

como los radios equivalentes para la incorporación de láminas con un ancho correspondiente.


-Longitud de cada uno de los

dipolos laminares:

L1= 291 mm

L2= 262 mm

L3= 236 mm

L4= 212 mm

L5= 191 mm

L6= 172 mm

L7= 155 mm

-Espaciamiento entre los centros

de láminas:

R1= 71 mm

R2= 64 mm

R3= 58 mm

R4= 52 mm

R5= 47 mm

R6= 42 mm

-Ancho de las láminas de

cada dipolo:

a1= 24 mm

a2= 21.6 mm

a3= 19.4 mm

a4= 17.4 mm

a5= 15.8 mm

a6= 7.1mm

a7= 6,4mm

La longitud del boom se mantiene en 328 mm.

2.3.3 Adaptación y validación de la línea de transmisión de la LPD con láminas metálicas

También la línea de transmisión que alimenta los dipolos experimenta un ligero cambio cunado se

transforma en láminas metálicas. En el diseño clásico de la LPD solo se tiene en consideración una línea

bifilar conformada con dos tubos cilíndricos de 12 mm de diámetro con una separación centro a centro de

20.7 mm para una impedancia de 137 Ω.

Primeramente, se calcula el ancho de la lámina “a” con un radio equivalente de 6 mm que en este

caso con 24 mm y con espesor de 1 mm. Luego se aplica la ecuación 1.22 para líneas de transmisión de

láminas paralelas:

Z0 = 120π

√ϵ/ϵ0

a

b

Sustituida por la expresión que corresponde a la separación de una línea de trasmisión de láminas

paralelas en el espacio libre:

a =Z0b

120π=

137∗24

120π= 8.72 mm ≅ 9mm

Este tipo de línea de transmisión posee características nuevas, que en trabajos anteriores sobre LPD

no se habían estudiados. Para una mejor validez se utiliza el software CST-MS para ver el comportamiento


de una sección de línea trabajando en el modo de onda viajera. En la Fig. 2.4 se muestra el experimento

formado por una sección de línea con dos puertos de guía de ondas.

Fig. 2.4: Modelo de línea de transmisión de láminas paralelas simuladas en CST-MS

Como resultado de la simulación se obtuvo que para la línea de transmisión de láminas paralelas de

24 mm de ancho y 9 mm de separación la impedancia de referencia es de 98 Ω. Al colocar un puerto de

guía de onda en una línea de transmisión determinada este da como resultado la impedancia de la línea

como referencia para aplicar los demás cálculos de los parámetros relacionados con el punto de

alimentación.

2.3.4 Simulación de la LPD laminar para la banda de UHF de la TDT

El software CST Microwave Studio 2018 permite trabajar con facilidad a la hora de diseñar los propios

modelos, lo que permite comprobar el diseño de estructuras resonantes según los métodos teóricos de

diseños. Primeramente, se definen las unidades en las que se trabajará, para las dimensiones milímetros

(mm) y Mega Hertz (MHz) para la frecuencia. Para diseñar una antena log periódica de dipolos es necesario

utilizar las herramientas que permiten crear laminas metálicas, definiendo las coordenadas de los elementos

se construirá una antena alimentada por un puerto discreto a través de una línea de transmisión. La estructura

de la antena se conformará con material conductor eléctrico perfecto del tipo PEC. Finalmente, la estructura

quedará como se muestra en la Fig. 2.5.


Fig. 2.5: Modelo de Antena LPD Laminar en CST-MS

Dependiendo de la potencia del ordenador empleado, la simulación puede tardar varios minutos o

incluso horas. El tiempo de simulación depende del mallado que conforma la antena como parte

fundamental del cálculo de las Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo (TDFD) que aplica el software

CST-MS. A medida que aumenta la cantidad de material, aumenta el mallado y también el tiempo de

simulación. En las antenas laminares o la de bajo perfil, como en este caso, la densidad del mayado se

concentra solo en un plano del eje de coordenada XYZ normal a la superficie de la lámina y no en 3D en

su totalidad como es el caso de las antenas LPD tubulares. Es por ello antenas laminares poseen como

ventaja que permiten la simulación con un software de alto nivel que realiza el cómputo en el menor tiempo

posible, la estructura es más adecuada para la adaptación del mallado y el cálculo posee mayor precisión.

2.3.5 Simulación y análisis del comportamiento de la antena LPD laminar

La simulación de la antena LPD laminar clásica mostró buenos resultados y otros no tan favorables

que se pueden mejorar. Estos se miden con las pérdidas por retorno en dB, razón de onda estacionaria

(ROE) y ganancia directiva en dBi. El barrido de frecuencias primeramente se realizó desde 470 MHz hasta

698 MHz para las bandas de frecuencias de la banda de UHF de la TDT en Cuba. En la Fig. 2.6 se muestra

el comportamiento de la antena LPD clásica en cuanto a las pérdidas por retorno. En este caso con una línea

de transmisión de 137 Ω según el cálculo por el método de Carrel.


Fig. 2.6: Pérdidas por retorno de la LPD Laminar clásica

En la Fig. 2.6 se encuentran señalados algunos puntos críticos. Las pérdidas por retorno de una antena

que trabaja correctamente debe ser menor que -10 dB. Se observa que la banda de UHF para la TDT en la

curva roja está por debajo de -10 dB con la línea de transmisión separada (sl) a 9 mm lo que indica que en

esta banda la antena funciona satisfactoriamente.

El comportamiento de la razón de onda estacionaria (ROE) se muestra en la Fig. 2.8 que posee

características similares a las descritas anteriormente.

Fig. 2.7: Razón de onda estacionaria de la LPD Laminar clásica


La ROE óptima de una antena de TV tiene que ser menor que 2. La gráfica roja para sl = 9 muestra

que la ROE en la banda de UHF está por debajo de 1,8 lo que reafirma que la antena se desempeña

satisfactoriamente.

Según los planteamientos anteriores, la ganancia de las antenas de láminas metálica de banda ancha

de la TDT para la banda de UHF debe oscilar entre los 7 dBi y 9 dBi. En la Fig. 2.8 se muestra el

comportamiento de la ganancia para la banda UHF.

Fig. 2.8: Ganancia de potencia vs. Frecuencia de la LPD Laminar clásica

Como se observa, la ganancia en UHF es satisfactoria con sl = 9. Los valores están aproximadamente

entre 8.1 dBi hasta 8.9 dBi manteniéndose una curva uniforme en toda la banda de UHF típica de una antena

LPD.

En cuanto el coeficiente de radiación trasera (F/B), éste experimenta un comportamiento aceptable

por encima de 12.5 dB, mostrado en la Fig. 2.9.


Fig. 2.8: Coeficiente de radiación trasera vs. Frecuencia de la LPD Laminar clásica

Por último, el patrón de radiación en el centro de la banda de UHF no posee distorsiones. En la Fig.

2.9 se puede demostrar que la antena en esa frecuencia posee un valor de F/B suficientemente alto con buen

nivel de atenuación a las señales provenientes desde la parte posterior de la antena.

(a) (b)

Figura 2.9: Patrón de radiación en 581 MHz: a) en 3Dy b) Plano E (Horizontal)

Los resultados anteriores demuestran que los parámetros fundamentales de la antena LPD laminar

son mejores con la impedancia relativamente cerca de la propuesta por Carrel. A través de un barrido

paramétrico de la variable sl, desde 5 mm a 20 mm, los mejores resultados se obtienen a la separación

(sl = 9 mm) correspondiente a la impedancia características dada por Carrel.


2.4 Análisis del comportamiento de la LPD laminar con diferentes condiciones de carga

En la práctica la línea al final de la LPD, en la posición del elemento más largo puede estar abierta o

con alguna variante de carga. Muchas veces para mejorar su desempeño se le colocan terminaciones en

forma de stub terminados en cortocircuito o impedancia resistiva de carga con la misma impedancia Z0 de

la línea que alimenta los dipolos. En la Fig. 2.10 se muestran dos ejemplos de terminaciones de carga en la

parte posterior de la antena.

(a) (b)

Fig. 2.10: Modelos de LPD Laminar con cargas al final de la antena LPD: (a) con stub de λmáx 8⁄ y (b)

con carga resistiva Z0

2.4.1 Terminación con stub de 𝛌 𝟖⁄

Una de las variantes con el objetivo de lograr mayor ancho de banda de trabajo es la técnica del stub

de λmáx 8⁄ colocado al final de la línea de transmisión en cortocircuito, después del dipolo de mayor

longitud. La longitud de onda λmáx es a la frecuencia de trabajo mínima (470 MHz). Para bajar en frecuencia

la región activa de la banda, se puede aplicar la técnica de agregar un cortocircuito en la línea de

alimentación. El stub se comporta aproximadamente como un inductor puro que a efecto del alimentador

el mayor dipolo de la antena aumenta eléctricamente su tamaño, lo que provoca que la región activa se

desplace a frecuencias más bajas [15].

2.5.2. Terminación con Impedancia Z0

El uso de una terminación reactiva (como el caso anterior) puede conducir a resonancias no deseadas

en la LPDA causadas por la energía almacenda entre la terminación y la región activa. Estas resonancias


de alta Q pueden eliminarse usando una terminación que sea al menos ligeramente resistiva o utilizando un

valor relativamente alto para la impedancia de la línea de transmisión LPDA, ya que esto hará que los

dipolos sean los que carguen más la línea. Esto hace que la región activa sea más eficiente con el resultado

de que quede relativamente poca energía para propagarse más allá de la región activa [11].

2.5.3 Análisis de los resultados

En las figuras que se muestran a continuación se pueden observar los resultados bajo las diferentes

variantes de carga en el extremo posterior de la antena LPD laminar. Los resultados fundamentales se

muestran a través de la curva roja, que son los de la antena clásica con línea de transmisión abierta, la curva

azul con el stub de λmáx 8⁄ , la curva verde pertenece a la cargada con 137 Ω, según el valor de Z0 dado por

el método de Carrel. Por último, a modo de comparación y para una mejor validez del experimento se

muestra el comportamiento en la curva anaranjada con un cortocircuito al final de la línea (sin stub) y en

carmelita con una carga de 98 Ω similar a la Z0 calculada como referencia en el CST-MS del modelo de

sección de línea mostrado en la Fig. 2.4. Primeramente, se muestran el comportamiento de las pérdidas por

retorno (RL) en la Fig. 2.11. a modo de comparación del ancho de banda según los valores por debajo de -

10 dB.

Fig. 2.11: Comportamiento de las pérdidas por retorno de la antena LPD Laminar con diferentes

condiciones de carga

La curva de la RL de la antena clásica y con el stub son bastante similares con picos de resonancia

más pronunciados con el stub de λmáx 8⁄ , demostrando el criterio del epígrafe anterior. Mientras que no

ocurre el decremento de RL esperado en frecuencias bajas debido al desplazamiento de la región activa a

frecuencias inferiores a 470 MHz. Sin embargo, con diversas cargas Z0 ocurre el desplazamiento en bajas


frecuencias debido a la absorción de la energía por parte de las cargas. Se demuestra este comportamiento

con una RL por debajo de -15 dB. En el caso del corto circuito en el último dipolo, debido a la ausencia de

energía, en frecuencias bajas solo se comporta como un elemento reactivo (reflector) por tanto la región

activa solo ocurre en los dipolos que lo anteceden que trabajan en frecuencias superiores. Es por eso que la

frecuencia inferior está marcada en 496.4 MHz. En todos los casos las RL no sufre muchas variaciones en

las frecuencias centrales y altas. La Fig. 2.12 muestra un comportamiento similar de la razón de ondas

estacionarias (ROE) en toda la banda de UHF de la TDT.

Fig. 2.12: Comportamiento de la razón de ondas estacionaria de la antena LPD laminar con diferentes


Según la ROE, el ancho de banda también está definido para valores por debajo de 2. En este caso las

curvas correspondientes a la antena clásica, con stub y las dos variantes de cargas resistivas poseen valores

adecuados de ROE dentro de la banda de trabajo. En las variantes con Z0 los valores en las bajas frecuencias

son mucho mejores y comportándose por debajo de 1,5. En la curva carmelita se muestra la tendencia de

elevarse la ROE en los extremos inferiores de la banda debido a la reducción y desacople de la impedancia

en ese extremo.

Por último, en la Fig. 2.13 se muestra el comportamiento de la ganancia de potencia de las diversas

variantes.


Fig. 2.13: Comportamiento de la ganancia de potencia de la antena LPD Laminar con diferentes


La ganancia, tanto en la antena clásica como en la del stub, posee comportamiento bastante similar. Aunque

cerca de los extremos de la banda la antena del stub posee mayor ganancia. En este caso el stub tiene como

ventaja que ayuda a mejorar los valores de ganancia de la antena clásica lográndose un comportamiento de

la curva de ganancia más plana en toda la banda. En los casos de las cargas Z0 en el extremo se adsorbe

gran parte de la energía que le llega al dipolo más grande, por tanto radia menos energía que los demás,

afectándose la eficiencia de la zona activa en ese extremo, y a su vez, la ganancia en bajas frecuencias. Para

el caso del corto circuito, la ganancia es favorable en el extremo inferior de la banda debido que este

convierte al último elemento en un reflector que aporta mayor ganancia.

2.6 La antena LPD optimizada para la recepción de la TDT en Cuba

Para mejorar los parámetros de las pérdidas por retorno, ROE y ganancia de potencia se hicieron

varias modificaciones, las cuales se exponen a continuación.

2.6.1 Dipolo para la banda de VHF

La mayoría de los transmisores de la TDT en Cuba transmiten en la Banda de UHF, pero existe una

minoría que también transmiten por VHF, Banda III en algunas localidades. Los transmisores existentes

son muy potentes y además la cobertura en esa banda es muy buena por lo que no existen exigencias de

ganancia que deba tener la antena para el rango de 174 MHz a 216 MHz. Es por ello que se agrega un

dipolo de banda ancha con 2.15 dBi en la frecuencia central de 195 MHz a una distancia de s0 = s1 τ⁄

considerándolo como un nuevo elemento resonante a una frecuencia inferior de la banda de UHF con una


longitud mayor que l1, la del dipolo más largo de la antena clásica. Se convierte la antena de banda ancha

en una antena multibanda con capacidad de recibir señales tanto en VHF y UHF. La operación es la misma

que la de una antena LPD, desde 174 MHz hasta 700 MHz, se eliminaran los dipolos que resuenan fuera

de las bandas de interés [17]. El nuevo dipolo laminar posee 730 mm de largo y 40 mm de ancho destinado

a resonar en el centro de la banda de VHF.

2.6.2 Ahusamiento de la línea de transmisión

La segunda transformación de la línea de transmisión fue el ahusamiento. Esto consiste en ahusar la

separación de la línea de alimentación de los dipolos. Con esta modificación mejora la ganancia de potencia

de la antena. Se realizó un ahusamiento discreto de solo 2,300 como resultado de la separación gradual de

los extremos de punto de alimentación de cada dipolo a través del factor τ de 0.9 de la antena LPD Laminar

clásica [29]

2.6.3 Inclinación de los elementos dipolos laminares

Para poder comercializar una antena de lámina competente deben tener detalles estéticos que a sus

ves pueden cambiar el desempeño en correspondencia al diseño clásico. Es por ello que para los dipolos

laminares se considera la propuesta de doblarlo en V con solo 10o hacia la parte posterior sin que se afecte

el desempeño de la antena.

Finalmente, la estructura quedará como se muestra en la Fig. 2.14.

Fig. 2.14: Antena LPD para TDT: a) diseño clásico y b) diseño optimizado en CST-MS

2.6.4 Resultados de la simulación

La antena, con las nuevas modificaciones presenta excelentes resultados en cuanto a los parámetros

de interés. Las figuras que se muestran a continuación es el resultado de la simulación de una antena LPD


laminar clásica y una mejorada tanto para las bandas de VHF y UHF con el objetivo de mostrar el

comportamiento de los principales parámetros de interés.

Como se observa en la Fig. 2.15, las pérdidas por retorno en las dos bandas de la TDT están por

debajo de los -10 dB en la antena optimizada por lo que se observa la mejora de esta variante con respecto

a la clásica. Pero solo en frecuencias bajas de la banda de VHF las pérdidas por retorno (RL) se comportaron

por encima de -10. En el caso de la antena optimizada se puede apreciar la mejora en el ancho de banda en

cuanto a RL y en frecuencias centrales de UHF.

Fig. 2.15: Pérdidas por retorno de la LPD Laminar clásica y optimizada para TDT

También la ROE presenta favorables resultados. Se observa en la Fig. 2.16, en la curva azul

correspondiente a la antena optimizada, que en la banda de VHF (de 174 MHz a 216 MHz) como en la

banda de UHF (de 470 MHz en adelante) se comporta por debajo de 2.


(a)

(b)

Fig. 2.16: Razón de onda estacionaria de la LPD laminar clásica y optimizada para TDT: (a) en la banda

de VHF y (b) en la banda de UHF para TDT

Las características de ganancia de potencia se muestran en la Fig. 2.17. La ganancia de potencia, en

la banda de VHF, posee un valor promedio aproximadamente de 2.5 dBi para los dos diseños. En la banda

de UHF las dos variantes poseen buen desempeño por que la ganancia está por encima de 7dBi, y mucho

mejor el comportamiento de la variante optimizada superior a 8 dBi. En la banda de VHF no son críticos

los problemas de las pérdidas de propagación y de cobertura de los transmisores por lo que la antena no

requiere ganancias relativamente altas.


Fig. 2.17: Ganancia de potencia de la LPD Laminar clásica y optimizada para TDT

El coeficiente de radiación trasera (F/B) en las dos antenas experimenta un comportamiento similar.

Posee un promedio de 0.5 dB aproximadamente típico de un dipolo convencional en la banda de VHF y 25

dB aproximadamente para la banda de UHF, típico de una antena direccional LPD. Tal comportamiento se

muestra en la Fig. 2.18 en la curva azul. En la antena de dipolos laminares recto experimenta valores

superiores en UHF.

Fig. 2.18: coeficiente de radiación trasera de la LPD Laminar clásica y optimizada para TDT

El coeficiente de radiación trasera se puede observar mediante el patrón de radiación en 3D y en el

plano horizontal para el espacio libre, tanto en 195 MHz (frecuencia central de VHF) como en 581 MHz

(frecuencia central de UHF). En la Fig. 2.19 se muestra el patrón de radiación para la frecuencia de 195

MHz característico de un dipolo sencillo y en la frecuencia 581 MHz característico de una antena

direccional con patrón de radiación del tipo “end-fire”.


(a) (b)

Fig. 2.19: Patrón de radiación en el plano horizontal: a) Para la f0=195 MHz y b) para f0=572 MHz

2.7 Características de los materiales y descripción técnica de la antena LPD Laminar

La antena LPD laminar propuesta en la banda de UHF, para su futura comercialización se muestra en

la Fig. 2.20. Es una antena pequeña, pero con una complejidad relativamente mediana en el proceso de

fabricación y resultará muy útil en las zonas cercanas al transmisor. El último elemento y más largo solo

ayuda a mejorar el ancho de banda en UHF porque en realidad, es el soporte del dipolo de VHF y que le

aporta rigidez mecánica.

(a) (b)

Fig. 2.20: Antena LPD Laminar para exteriores para la recepción de TDT: a) para UHF y b) para VHF

y UHF

2.7.1 Materiales para la fabricación de LPD Laminar para TDT

Los materiales para la construcción de esta antena están disponibles en la Empresa de Antenas de

Villa Clara. Los componentes fundamentales están conformados por láminas de aluminio y acero


galvanizado de 1 mm de espesor con una alta robustez mecánica. A continuación, se muestran los detalles

técnicos de esta antena en la Fig. 2.21 como prototipo.

Fig. 2.21: Modelo de descripción técnica de la antena prototipo laminar

Materiales para la fabricación

1. Tramo de brazos de dipolos de Antena Log-Periódica para UHF.

2. Brazo de dipolo para VHF.

3. Remache Cherry 4.8.

4. Separador plástico de 10mm.

5. Arandela M4.

6. Tornillo M4X25.

7. Arandela plástica.

8. Tuerca M4.

9. Boom plástico resistente.

10. Tuerca M4X8.

11. Abrazadera dentada.

12. Grapa.

13. Arandela M6.

14. Tuerca M6.

15. Tornillo rosca chapa de Ø4mm X 16mm con cabeza cónica.


La antena LPD laminar de 75 Ω propuesta en el futuro puede tener gran aceptación en el mercado

nacional. Esta antena tiene alta complejidad debido a la precisión con la que hay que construirla. Pero es

más barata que las convencionales hechas con tubos de aluminio y de fácil adquisición de los materiales.

Los dipolos de VHF permiten su plegado en el propio boom para su empaquetamiento.

2.8. Conclusiones del capítulo

En el capítulo se diseñaron diversos modelos de antenas de LPD laminar. Se le da validez al método

de Carrel para estos tipos de antenas, debido a que permite el escalonamiento gradual del ancho de las

láminas de los dipolos, lo cual permite una mejora en los resultados. Las simulaciones se realizaron con la

ayuda del software CST Microwave Studio 2015 de alto nivel. También se utilizó el software LPCAD 35

para reducir la complejidad del cálculo y el diseño de la antena propuesta. Según los resultados de las

simulaciones, la antena LPD laminar posee buenas características radioeléctricas. Los resultados de las

simulaciones con diferentes condiciones de carga muestran que la antena con stub de λmáx 8⁄ posee mejor

comportamiento. En la optimización de la antena se demostró que puede tener mayor ancho de banda e

incluso trabaja tanto en la banda de VHF como la de UHF. Por último, se exponen características

constructivas con materiales no convencionales como propuesta más barata que da lugar a la fabricación

de los prototipos que serán objetos de medición y validación en el siguiente capítulo.

CAPITULO. 3: VALIDACIÓN DE LOS RESULTADOS


3.1. Introducción

El presente capítulo mostrará todas las mediciones realizadas con los modelos reales propuestos, con

las que se realizarán comparaciones y análisis de los resultados del prototipo clásico con sus diversas

condiciones de carga y el prototipo adecuado para la recepción en exteriores tanto en la banda de VHF y

de UHF de la TDT. También, se compararán los resultados de las mediciones de la LPD laminar en zonas

de baja cobertura para analizar su comportamiento.

3.2. Descripción técnica del equipamiento utilizado en las mediciones

Los instrumentos y accesorios empleados pertenecen al Laboratorio de I+D de la Empresa de Antenas

de Villa Clara, los cuales estuvieron disponibles para realizar las mediciones experimentales de los

prototipos.

3.2.1 Analizador de Espectro

Para la realización de las mediciones se utilizaron dos tipos de analizadores de espectro:

El analizador de espectro HAMEG HM5014-2 se utilizó como generador de señal. Posee un margen

de frecuencia de salida de 150 kHz hasta 1050 MHz y niveles de salida desde -50 dBm hasta 1 dBm. Se

utiliza principalmente para generar una señal sinusoidal de 0 dBm en frecuencias dentro de las bandas de

la TDT, que junto con la incorporación de una antena transmisora tiene como objetivo la generación de la

señal de referencia que es utilizada para realizar mediciones de parámetros típicos de las antenas.

El analizador de espectro DEVISER DSA-8853T es de última generación y fue utilizado para medir

las pérdidas por retorno, potencia recibida y conformado del patrón de radiación [34]. En el Anexo I se

muestran las características técnicas de este instrumento.


Se empleó como accesorio principal el Puente de Medición de pérdidas por retorno RLB150N5A con

un rango de frecuencia de 5-3000 MHz, cable RG-6 de 50 Ω y adaptador de impedancia de 75 Ω a 50 Ω

con una atenuación de 5,7 dB.

3.2.2 Antenas de referencia para las mediciones

La antena ARE 001 es una antena de reflector esquinado utilizada como transmisora de referencia, la cual

tiene características similares al prototipo fabricado, con la diferencia que posee un ancho de banda mayor

que la antena prototipo, pues su uso está destinado para mediciones en toda la banda de UHF de la TV

desde el canal 14 al 69. Esta antena posee el reflector de malla con orificios menores de 1 cm, el cual brinda

la posibilidad de la generación de un patrón de radiación de potencia bien uniforme con carencia de lóbulos

laterales, lo que la convierte en una antena de gran utilidad para las mediciones [35].

La antena PROMAX AM-030 es un dipolo patrón o de referencia montada sobre un mástil que

permite la medida de la intensidad del campo eléctrico. El parámetro conocido como factor K es el que nos

permite obtener la intensidad de campo eléctrico recibido por la antena a partir de la lectura del medidor de

nivel de señal que se utilice. La antena dispone de 4 juegos de brazos de dipolos que pueden montarse en

diversas configuraciones para cubrir el rango de frecuencias de 45 a 850 MHz. Para el caso de las

mediciones de la ganancia se utilizó la variante de VHF Banda III para los canales del 7 al 13 y la variante

de UHF para los canales del 14 al 69 [36].

3.2.3 Analizadores de Televisión

El analizador de TV DS2500T es un instrumento portátil que permite medir parámetros característicos

de la TDT como son: la potencia y niveles de la señal, relación señal a ruido, MER, BER, constelación de

la modulación digital y el espectro del canal. El mismo opera tanto con señales analógicas como digitales

y presenta un puerto USB que permite la extracción de datos. Posibilita la muestra de la señal en tiempo

real [37]. En el Anexo II se muestran imágenes y otras características del equipamiento utilizado.

3.3. Mediciones de los parámetros radioeléctricos de los prototipos de antenas

Las imágenes mostradas en la Fig. 3.1 pertenecen a los prototipos de las antenas realizados en la

Empresa de Antenas de Villa Clara.


(a) (b)

Fig. 3.1: Prototipos realizados: a) Antena LPDL clásica, b) Antena LPDL optimizada para la recepción de

exteriores

En la Fig. 3.1a se muestra la antena LPDL clásica utilizada fundamentalmente en las mediciones bajo

diferentes condiciones de carga y la (b) es la antena mejorada para su utilización en la recepción de la

TDT, que es utilizada fundamentalmente para la evaluación de los parámetros de calidad de ésta en zonas

de baja cobertura.

3.3.1 Medición de las pérdidas por retorno

Las pérdidas por retorno (RL) de las antenas que se realizaron se midieron empleando un puente de

pérdidas por retorno y el analizador de espectro DVISER DSA8853-T. En la Fig. 3.2 se muestra el esquema

del sistema instalado para ejecutar estas mediciones.


Fig. 3.2: Esquema del sistema para la medición de las pérdidas por retorno

Estas mediciones se realizaron en un espacio abierto con el objetivo de reducir el error debido a la

influencia de las ondas reflejadas en los objetos cercanos. En la Fig. 3.4 se muestran algunas lecturas

ofrecidas por el instrumento de los valores de pérdidas por retorno. En el Anexo III se muestran imágenes

sobre las mediciones realizadas.

(a)

(b)


(c)

Fig. 3.3: Mediciones del comportamiento de las pérdidas por retorno con el Analizador de Espectro

DSA8853-T: a) Antena LPDL clásica sin carga en la banda de UHF de TDT, b) Antena LPDL mejorada

en la banda de VHF de TDT y c) Antena LPDL mejorada en la banda de UHF de TDT

En la Fig. 3.3a y c se muestra el comportamiento de la RL en la antena clásica y mejorada en la banda

de UHF de la TDT, donde todos los valores están aproximadamente por debajo de -10 dB que indica que

posee un buen desempeño en todo el rango de frecuencia. Cubre una banda estrecha de canales con pérdidas

por retorno Rl < −10 dB. Sin embargo, en la Fig. 3.3b se muestra el comportamiento de las pérdidas por

retorno de la antena LPDL mejorada. En este caso, es desfavorable solo en las frecuencias inferiores a 174

MHz con un valor de RL = -8.0 dB y favorable en las demás frecuencias por debajo de -10 dB.

Los resultados de la RL en la banda de VHF para la TDT en frecuencias inferiores a 174 MHz no son críticos

que puedan afectar el desempeño de la antena en los canales bajos. Por otro lado, en frecuencias superiores

a 216 MHz, principalmente en el punto 3 de la frecuencia final del canal 13 existe un punto de mayor RL

que indica el mejor comportamiento y acople de impedancia de la antena en toda la banda de VHF para la

TDT. Estos resultados son favorables para las mediciones de la calidad de la TDT porque se utilizará el

canal 13 como referencia, y es muy conveniente el buen desempeño de la misma en ese canal. Los resultados

también indican que la curva de la gráfica aparenta estar desplazada hacia frecuencias superiores a 216

MHz, por lo que se recomienda alargar ligeramente el dipolo de la sección de VHF para colocar el punto


de mejor desempeño en frecuencias más cercanas a la frecuencia central de 195 MHz, con el objetivo de

disminuir la RL a las frecuencias inferiores a ésta.

3.3.2 Medición de la ROE

Algunos instrumentos como el analizador de espectro DSA8853T no miden la ROE directamente y

en su lugar solo ofrecen lecturas de las RL. Es por ello que para calcular la ROE de la antena se determina

el módulo del coeficiente de reflexión |Γ| a partir de la medición de las pérdidas por retorno (Rl) a través

de las siguientes ecuaciones:

Rl = −20 log Γ [ dB] Eq. 3.1

|Γ| = 10−(Rl20

) Eq. 3.2

VSWR= 1+|Γ|

1−|Γ| Eq. 3.3

Las mediciones de las pérdidas por retorno, en la antena LPDL, ofrecidas por el analizador de espectro

DSA8853T y las simulaciones en CST-MS generan un listado de valores en función de la frecuencia.

Utilizando el software MATLAB se compararon los valores de la ROE medidas en función de las pérdidas

por retorno ofrecidas por el analizador de espectro y los valores de la ROE ofrecidos por la simulación en

diferentes graficas en la Fig. 3.4 y 3.5 [35]. En el Anexo IV se muestra el código para la comparación de la

ROE simulada y medida de las antenas en MATLAB

En la Fig. 3.4 se muestra el comportamiento de la ROE de la antena LPDL clásica con diferentes

condiciones de carga. Las variantes fueron: sin carga en el extremo posterior, con stub en cortocircuito con

longitud λ/8 de la frecuencia inferior de trabajo y con un resistor de 130 Ω que se aproxima al valor de Z0

(139Ω) característico de la línea de transmisión que alimenta los dipolos. Los resultados y las curvas de las

mediciones poseen semejanza al de las simulaciones en cuanto a su forma ondulatoria en toda la banda de

UHF para la TDT. Pero lo más importante es que en todas las variantes, la antena posee buen desempeño

gracias a un comportamiento con la ROE por debajo de 1,8.


(a)

(b)

(c)


Fig. 3.4: Comparación grafica entre ROE medidas y simuladas en la antena LPDL clásica: a) antena

clásica en la banda de UHF de TDT, b) con terminación en stub en cortocircuito de λ/8 en UHF y c) con

terminación con R=130Ω

Todas las curvas de los resultados de la ROE en todas las variantes poseen similitud. En la curva de la

variante con la R=130 Ω, donde la ROE es menor en bajas frecuencia, en la simulación resultó ser similar

que la variante clásica si ningún tipo de carga (terminación abierta). Sin embargo, en la variante del stub de

λ/8 resulto se menor en bajas frecuencia, dando lugar a un mejor desempeño de la antena en las frecuencias

más bajas con respecto a las demás variantes.

En la Fig. 3.5 se muestra también el comportamiento de la ROE en función de la frecuencia para la antena

mejorada. Tanto en la banda de VHF como en la de UHF las curvas son similares con relación a la

simulación. Como se puede apreciar, en VHF, en las frecuencias más bajas, la ROE es relativamente

considerable pero no critica. El valor máximo es de 2,35 y no afecta el desempeño de la antena. Como se

mencionaba anteriormente, con un ligero alargamiento del dipolo de VHF se puede lograr mejorar el

desempeño de la antena sin afectar las frecuencias más altas. Por otro lado, la ROE es muy buena en la

frecuencia central del canal 13, elegido para efectuar mediciones de calidad, con un valor de 1.37. En

frecuencias de la banda de UHF la antena optimizada presenta mejor comportamiento que las demás

variantes. Sin embargo, las frecuencias más bajas se ven afectadas por la influencia de la cercanía del

dipolo para VHF. Los valores de ROE están también por debajo de 2, por lo que éstos se desempeñan

muy bien en toda la banda de UHF para la TDT.

(a)


(b)

Fig. 3.5: Comparación grafica entre ROE medidas y simuladas en la antena LPDL mejorada: a) en la

banda de VHF de TDT y b) en la banda de UHF de TDT

3.3.3 Medición de Ganancia

Para la comprobación de estos parámetros fundamentales de la antena se realizaron los

procedimientos de medición bajo el método comparativo. Se eligió como transmisor (Tx) el generador de

tracking del Analizador de Espectro HM5014-2 con 0 dBm de potencia de salida junto con la antena

transmisora ARE 001. Como receptor se utilizó el analizador de espectro DSA8853T con las antenas LPDL

prototipo y el dipolo AM-030. Las frecuencias de operación fueron las del centro de la banda de VHF

(195 MHz) y en la seleccionada, cercana al centro de la banda de UHF de la TDT (572 MHz) debido a que

la frecuencia central (584 MHz) se encuentra ocupada por el canal 32. Se tuvo en cuenta la zona del campo

lejano (Far Field) o Zona de Fraunhofer , en la cual no existe influencia mutua entre los objetos distantes

con respecto a las antenas bajo prueba, que pudieran distorsionar las mediciones [38]. Para garantizar la

distancia de separación óptima entre la antena transmisora y receptora se tiene en cuenta la siguiente

ecuación:

Ff = 2(Dmax)2 λ⁄ [m] Eq. 3.4

Se elige 0,8 m como la dimensión máxima (Dmax) de la antena LPDL y λ es la longitud de onda de

la frecuencia central de prueba para la medición en la banda de VHF (Banda III) y UHF de la TDT. En

este caso, la antena transmisora debe estar a una distancia mínima Ff = 1 m con respecto a la antena

prototipo instalada bajo prueba. Según las condiciones del sitio de prueba se eligió una distancia de 5 m


entre las antenas y 3 m de altura sobre el suelo. En la figura 3.5 se muestra un esquema que describe la

medición realizada. En el Anexo V se muestran imágenes de la disposición, entre la antena ARE 001 y las

LPDL prototipos.

Fig. 3.5: Esquema del sistema para mediciones de ganancia y coeficiente de radiación trasera (F/B)

El Método Comparativo consiste en la medición de la potencia recibida por las antenas prototipos y

su comparación con la potencia recibida con una antena de referencia de ganancia conocida [39]. Se utilizó

un dipolo de referencia del tipo AM-030 con el objetivo de realizar comparaciones con los niveles de

potencia recibidos. Este dipolo posee una ganancia de 2,15 dBi en el centro de la banda de VHF (Banda

III) y UHF, según sus brazos de dipolo de emplazamiento, donde están comprendidos los canales de TV

[36]. La ganancia se determina colocando la antena receptora de modo que el punto de máxima recepción

coincida con el sentido y dirección del correspondiente a la antena transmisora. El coeficiente de radiación

trasera (F/B) se determina girando la antena 180° contraria a la máxima recepción de la antena transmisora.

Las ecuaciones para calcular la ganancia y el coeficiente de radiación trasera de las antenas son las

siguientes:

Gant = Pfront − Pdip + 2.15 [dBi] Eq. 3.5

F B ⁄ = Pfront − Pback [dB] Eq. 3.6

Gant: Ganancia aproximada de la antena bajo prueba en dBi.

FB ⁄ : Coeficiente de Radiación Trasera.


Pfront: Potencia recibida por la antena bajo prueba en dirección al transmisor.

Pback: Potencia recibida por la antena bajo prueba en dirección contraria al transmisor.

Pdip: Potencia recibida por el dipolo de λ/2 de referencia con los brazos correspondiente a la banda

de trabajo.

Los resultados de las mediciones en UHF se muestran a continuación en la Tabla 3.1.

Tabla 3.1. Mediciones de Potencia, Ganancia y Coeficiente de radiación Trasera en 195 MHz y 587 MHz

a través del Método Comparativo

Antenas bajo pruebas Pfront (dBm) Pback (dBm) G (dBi) F/B (dB)

Antena LPDL clásica en UHF -30,8 -51,2 8,9 20,4

Antena LPDL mejorada en UHF -31,4 -53,6 8,2 22,2

Antena LPDL mejorada en VHF -37,8 -38,9 1,7 1,0

Dipolo AM-030 en VHF -38,0 -38,0 2,15 0

Dipolo AM-030 en VHF -39,7 39,7 2,15 0

A modo de análisis y comparación con respecto a las simulaciones de las antenas propuestas, se

obtuvieron conclusiones a modo estadístico de las pruebas realizadas con los prototipos. En la Tabla 3.2 se

muestran los resultados del comportamiento de los diferentes parámetros obtenidos.


Tabla 3.2. Comparación de las mediciones de ganancia y coeficiente de radiación trasera con relación a

las simulaciones realizadas

Antenas bajo

pruebas

Gan.

Sim.

(dBi)

Gan.

Med.

(dBi)

Variación de

Gan. (dBi)

F/B

Sim.

(dB)

F/B

Med.

(dB)

Variación de

F/B (dB)

Antena LPDL

clásica en UHF 8,75 8,9 0,15 21,5 20,4 -1,1

Antena LPDL

mejorada en UHF 8,69 8,2 -0,49 24,9 22,2 -2,7

Antena LPDL

mejorada en VHF 1,22 1,75 0,53 0,5 1 -0,5

La mayor variación del coeficiente de radiación trasera ocurrida fue en la antena LPDL mejorada en

UHF 587 MHz, con 2,7 dB, que no es considerable porque todavía continúa relativamente alta. En cuanto

a la ganancia de potencia, la mayor variación se obtuvo en la antena LPDL con solo 0,53 dBi en 195 MHz,

que tampoco es considerable. Las mediciones de ganancia fueron muy favorables porque no hubo

variaciones de más de 1 dBi a pesar de la utilización del Método Comparativo, que es el de menor exactitud

dentro de los demás métodos conocidos para las mediciones de ganancia de potencia en antenas [40].

3.3.5 Medición del Patrón de Radiación

Para la medición del patrón de radiación se tomó solo en consideración el correspondiente al

horizontal o Plano E en la frecuencia de 195 MHz en la banda de VHF (banda III) y 587 MHz en la banda

de UHF de la TDT seleccionada como frecuencia central. Se realizó esta operación con la antena LPDL

clásica y la LPDL mejorada donde los patrones de radiación son más definidos y directivos. Se realizó la

medición utilizando el esquema de la Fig. 3.5. El prototipo bajo prueba se colocó sobre un mástil giratorio

de 3 m con base graduada y resolución de 10º y a 5 m de distancia de la antena transmisora LPV 345. Se


fue girando gradualmente el mástil obteniéndose los valores de potencia recibida para cada ángulo hasta

completar los 360°. Estos valores fueron normalizados y colocados los ejes de coordenadas polares

representados en la Fig. 3.6 junto a los patrones de radiación ofrecida por la simulación en la frecuencia de

195 MHz y 587 MHz. En el Anexo VI se muestra una imagen acerca de esta operación.

(a) (b)

(c)

Fig. 3.7: Comparación gráfica entre los Patrones de Radiación en el Plano E simulado y medido: a) antena

LPDL clásica en 587 MHz, b) antena LPDL optimizada en 587 MHz y c) antena LPDL optimizada en

195 MHz


Las variaciones en todas las mediciones anteriores 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 condiciones ideales de espacio libre.

3.4. Mediciones de señal en zonas de baja cobertura

Las mediciones de señal en zonas de baja cobertura se realizaron en la provincia de Villa Clara. La

selección de las localidades para las mediciones fue basada en los mapas de cobertura de la señal de TDT

ofrecidos por la empresa Radio Cuba. Los mapas representan el comportamiento de la intensidad de campo

eléctrico en la provincia de Villa Clara. Éstos indican como las zonas de baja cobertura o con posibles

dificultades para la recepción están en blanco. Para el caso del Canal 32 de HD, con frecuencia central de

581 MHz, los valores deben estar como mínimo en 54 dBµV/m. En la Fig. 3.8 se muestra el mapa de

cobertura de intensidad de campo correspondiente al canal 32 de Alta Definición (HD) de Villa Clara con

frecuencia central en 581 MHz y que transmite con una potencia de 1 kW. En el Anexo VII se muestra el

mapa de cobertura del canal 13 de Santa Clara con 2,25 kW, con frecuencia central de 213 MHz y con valor

mínimo de 48 dBµV/m. Se decide realizar pruebas en estos canales, por ser los de mayor aceptación por

parte de la población en toda la provincia [6].

Figura 3.8. Zonas de coberturas del transmisor DTMB de canal 32 HD Villa Clara.

Fuente: Radio cuba


3.4.1 Validación de la Antena Exterior LPDL a través de los parámetros de calidad de la

recepción de la TDT

A continuación, se muestran los resultados de las mediciones realizadas con el analizador de la TDT

DS2500T en diferentes localidades del territorio dentro de la provincia de Villa Clara, tomando como

referencia los transmisores de la TDT de mayor importancia. En la figura 3.9 se muestra el esquema de las

mediciones realizadas en el terreno.

Figura 3.9. Esquema del sistema para mediciones de parámetros de calidad de la recepción de la TDT

Las localidades escogidas para las mediciones de la señal de la TDT fueron los poblados de Hatillo,

Cifuentes, Sagua la Grande e Isabela de Sagua. Se escogieron estos sitios debido a que están comprendidos

dentro de la zona de baja cobertura según los mapas de intensidad de campo y con el objetivo de analizar

el comportamiento de la antena exterior a una distancia del transmisor aproximada de 40 km. Los

parámetros señalados en rojo indican los lugares donde no se logra mantener una correcta recepción y se

producen errores en la decodificación. El objetivo es mantener al menos los niveles a un margen permisible

por encima de -70 dBm, considerado como el umbral de recepción señalado y también por el analizador de

TV. Los resultados de las mediciones de los parámetros de calidad de la TDT se muestran en la Tabla 3.4.

También en el Anexo VIII se muestran algunas imágenes sobre estas mediciones y algunas lecturas

ofrecidas por el Analizador de TV DS 2500T.


Tabla 3.4. Mediciones de parámetros de calidad realizadas con la Antenas Exterior LPDL mejorada en

algunas localidades de Villa Clara en el Canal 13 SD y el Canal 32 HD

Prototipo LPDL mejorado CH 13 Prototipo LPDL mejorado CH 32

Pot. (dBm) MER (dB) BER* Pot. (dBm) MER (dB) BER*

Hatillo -40.0 >32 < 10−5 -42.8 >32 < 10−5

Cifuentes -51.5 >32 < 10−5 -59,3 29.0 < 10−5

S. La Grande -64,3 26,2 < 10−5 -61,4 29.6 < 10−5

I. de Sagua -63,5 26,8 < 10−5 -67.3 25,5 < 10−5

La Razón de Error de Bit (BER) indica fallo en la recepción y debe siempre estar por debajo de 10−5.

Es decir, solo puede haber como máximo un bit erróneo cada 100 000 bit decodificados por el receptor de

lo contrario la imagen se “pixela”.

Como se puede observar en la anterior tabla, la antena LPDL mejorada presenta valores favorables

en Cifuentes y Sagua La Grande. No es recomendable usarla para el canal 32 en Isabela de Sagua pues,

aunque el valor del MER es satisfactorio, la potencia está cerca del umbral (-70 dB), por lo que la señal se

puede recibir deteriorada. En todo caso se aconseja levantar la antena con un mástil de más de 10 m de

altura desde el suelo.

3.5. Valoración Económica

El costo económico luego de fabricar las antenas, se centra principalmente en el valor monetario de

las láminas de aluminio (1.5 mm de espesor) y el boom plástico conformado. Los demás componentes o

materiales de las antenas no presentan un valor monetario apreciable, ya que son en este caso materiales

reciclados. El costo total de fabricación de la antena LPDL fue de 6,2 CUC.


3.6. Conclusiones del capítulo

En el capítulo se presentaron los prototipos de las antenas propuestas. Se realizaron las mediciones

reales de las mismas con el equipamiento requerido y se compararon los valores obtenidos en las

simulaciones. En las validaciones de las mediciones y los resultados obtenidos con diferentes condiciones

de carga destacan a la antena LPDL clásica con stub de λ/8 como la mejor propuesta debido a que tuvo

mejor comportamiento en cuanto a la adaptación de impedancia a una línea de transmisión de 75 Ω.

También se demostró que la antena LPDL mejorada posee óptimos valores de la ROE, ganancia para

trabajar en la banda de VHF y UHF de la TDT. Se demostró el buen desempeño de la recepción de la antena

LPDL mejorada en las mediciones de parámetros de calidad de la TDT. Se presentó una buena recepción

en los municipios seleccionados para pruebas. Los resultados de las mediciones de todos los parámetros

radioeléctricos en todas las variantes de antena LPDL propuestas fueron exitosos.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Conclusiones

Con la realización de este trabajo se arribó a las siguientes conclusiones:

1. Las Antenas Log-Periódicas Laminares (LPDL) constituyen buenas opciones para la recepción de

la TDT gracias al método de Carrel adaptado para elementos laminares, que constituye la mejor

opción de cálculo para lograr un excelente desempeño gracias a que se pueden escalar además,

acorde a , los radios equivalentes y los puntos de alimentación de los elementos.

2. En el diseño de las antenas se demostró que el software CST Microwave Studio 2018 facilita el

análisis de los modelos diseñados, demostrando ser una poderosa herramienta de trabajo en la

determinación de las características de impedancia y radiación.

3. La antena LPDL Clásica con stub de λ/8 demostró ser la de mejor desempeño en cuanto a ancho de

banda en el análisis con diferentes condiciones de carga.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

4. En las validaciones, a partir del análisis de los resultados alcanzados en las mediciones

experimentales, se demostró el buen desempeño de las antenas prototipos, así como la confiabilidad

del CST Microwave Studio 2018 para la simulación de antenas al dar valores similares a los medidos.

5. La antena LPDL prototipo es muy efectiva en las zonas de baja cobertura en Villa Clara, alcanzando

valores acertados en cuanto a los parámetros de calidad.

Recomendaciones

1. El presente trabajo debe servir como fuente de estudio e información para estudiantes de la carrera

de Telecomunicaciones y Electrónica, en cuanto al diseño de Antenas Log-Periódicas de Dipolos

Laminares (LPDL)

2. Los diseños propuestos deben ser utilizados como referencia por la industria cubana para la

fabricación de antenas en la recepción de la TDT en Cuba.

3. Debe seguirse realizando trabajos similares, pero con antenas LPDL en otros tipos de servicios

radioeléctricos con el objetivo de resolver las problemáticas actuales debido a los escases de varillas

de aluminio.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

65


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[40] ANSI/IEEE, "149-1979 - IEEE Standard Test Procedures for Antennas," ed: Antenna

Standards Committee, 1979.

ANEXOS

68

ANEXOS

Anexo I: Características técnicas del analizador de espectro DEVISER DSA-8853T

Margen de frecuencia de 500 KHz – 3000MHz.

Margen de Amplitud de -130dBm hasta +30 dBm.

Resolución desde 1 KHz hasta 3 MHz

Precisión de ancho de banda ˂ ± 10%

Ganancia del preamplificador de amplitud interno 15 dB

Entrada RF 50/75 Ohm

Selección de canales por frecuencia o por canal

Modo multicanal hasta 8 canales

Salida de video VGA

Rango de sintonía CATV de 5 MHz a 3000 MHz

Teclado para ajustes de frecuencia precisos y reproductibles.

Oscilador de referencia compensado en temperatura y de alta estabilidad.

Puerto USB 1.1 y RS-232

Anexo II: Equipamiento empleado en las mediciones y validaciones

ANEXOS

69

Anexo III: Mediciones de pérdidas por retorno y ROE de las antenas prototipos

Anexo IV: Código para la comparación de la ROE simulada y medida de la antena en

MATLAB

frec=input('rango de frecuencias ');

roesim=input('roe simulada ');

a=input('perdidas por retorno medidas ');

roemed=vswr(10.^(-a./20));

plot(frec,roesim,'r',frec,roemed, ':')

legend('ROE Simulada','ROE Medida')

xlabel('Frecuencia (MHz)');

ylabel('ROE');

grid;

axis([470,698,1,3]);

hold on

ANEXOS

70

Anexo V: Mediciones de ganancia: Antena ARE 001 transmitiendo y la antena LPDL

recibiendo

Anexo VI: Medición del patrón en el Plano E

ANEXOS

71

Anexo VII: Mapa de cobertura del canal 13 en Villa Clara

ANEXOS

72

Anexo VIII: Mediciones con la Antena LPDL mejorada prototipo en las zonas de baja

cobertura de Villa Clara

Mediciones en Hatillo

Medición en el Canal 13 Medición en el Canal 32

ANEXOS

73

Mediciones en Cifuentes


ANEXOS

74

Mediciones en Sagua La Grande


ANEXOS

75

Mediciones en Isabela de Sagua


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