ANTENA BANDA ANCHA PARA LA RECEPCIÓN DE TELEVISIÓN WIDE BAND RECEIVING TV ANTENNA

Transcripción

1 ANTENA BANDA ANCHA PARA LA RECEPCIÓN DE TELEVISIÓN WIDE BAND RECEIVING TV ANTENNA José Ángel Amador Fundora Ingeniero Electricista, Máster en Ciencias Departamento de Telecomunicaciones y Telemática Facultad de Ingeniería Eléctrica, CUJAE amador@electrica.cujae.edu.cu Tel: Tema: El desarrollo sostenible y sustentable de las Telecomunicaciones en Cuba La Habana, Octubre de 2013

2 RESUMEN Con la proliferación de nuevos canales de la Televisión Cubana y sus Telecentros a partir del año 2002 se ha hecho necesaria una antena que permita la recepción satisfactoria de estos nuevos canales, asignados en su mayoría para ocupar la banda de TV de UHF, la única asignación de espectro para la difusión de TV aún libre en Cuba, debido a la densa ocupación de canales en las bandas de VHF baja y alta. Una característica a tener en cuenta es la dispersión de asignaciones en la banda de UHF, para una misma región en la actualidad, lo que requiere de una estructura banda ancha que dé respuesta apropiada a esta necesidad. ABSTRACT With the proliferation of new channels of Cuban Television and its Telecenters, starting in 2002, the need of an antenna that allows the satisfactory reception of these new channels, allocated in their majority to occupy the UHF TV band, the only region of the spectrum allocated to TV broadcasting that was still free in Cuba, due to the dense occupation of channels in the VHF low and high bands. A characteristic to be taken into account is the dispersion of allocations in the UHF band for a given region nowadays, which requires a wide band antenna structure that gives an appropriate answer to this need. Palabras clave Ganancia, impedancia, patrón de radiación, relación delante-detrás, relación de ondas estacionarias Keywords Gain, impedance, front to back ratio, radiation pattern, standing wave ratio

3 INTRODUCCIÓN Este trabajo trata acerca del diseño de una antena banda ancha para la recepción de televisión. A partir de las experiencias del autor se ha hecho una búsqueda bibliográfica que permita recopilar la información disponible sobre un tipo particular de antena, originada en la antigua Unión Soviética, que permita llevar a cabo un diseño sistemático de esta antena para múltiples aplicaciones, aunque en este caso se tratará solamente su aplicación a la recepción de televisión. Antecedentes Para la recepción satisfactoria de la televisión se requiere generalmente una antena exterior, para lograr la mejor relación señal ruido posible, que garantice una recepción correcta. Al menos en La Habana, y en las capitales provinciales esta solución la pueden ofrecer antenas relativamente simples que presentan como ventaja adicional un gran ancho de banda. En este caso las antenas Yagi no suelen brindar una solución apropiada debido a que son estructuras con ancho de banda relativamente pequeño, que a lo sumo logran cubrir un 20 % del espectro en torno a su frecuencia central y no sin compromisos fuertes entre sus características. Las antenas logarítmicas periódicas pueden lograr resultados mucho mejores, al costo de una complejidad eléctrica y mecánica muy superior, generalmente innecesaria a cortas distancias de los telecentros, que además puede resultar poco fiable y compleja de mantener debido a los efectos ambientales para el usuario inexperto, que resulta también ser el más común. 1

4 Tabla 1. Frecuencia Central y Ancho de Banda Relativo Banda Frecuencia MHz Frecuencia Central Ancho de banda relativo I MHz 61 MHz 22.9 % VHF baja MHz 71 MHz 47.9 % III (VHF alta) MHz 195 MHz 21.5 % IV MHz 526 MHz 21.3 % V MHz 691 MHz 31.5 % UHF MHz 635 MHz 51.9 % UHF (TDT) MHz 585 MHz 39.3 % En el caso de las bandas de VHF baja y UHF su ancho de banda relativo es grande, con lo que se impone el empleo de estructuras simples. No resulta conveniente el empleo de estructuras parásitas con directores, como en las Yagis, que restrinjan el ancho de banda en aras de una ganancia mayor. Una estructura probada con buenos resultados por el autor ha sido la antena zig-zag dada a conocer por Jarchenko [1],[5] en 1961, nombrada en ruso transliterado como zigzagobraznaya, es decir, con forma de zigzag. Esta consiste en dos cuadrados o rombos metálicos, hechos con alambre o tubos, apilados verticalmente y unidos por sus vértices, sin línea de transmisión alguna entre ellos. Fig. 1: Zigzagobraznaya 2

5 Estos cuadrados son semejantes a otra estructura precedente, la antena cúbica cuadrada, ideada por Clarence Moore [2] (1951) como una antena de lazo cerrada de dos vueltas para su empleo en los Andes ecuatorianos, donde la humedad prevaleciente en el aire enrarecido daba lugar a descargas de corona en los extremos de los dipolos empleados anteriormente como radiadores de la estación HCJB, distorsionando severamente la emisión y dañando irremediablemente las antenas. Fig. 2: Antena cúbica cuadrada La antena cúbica cuadrada, a su vez, ha sido un desarrollo de varias invenciones previas. En 1938, George Brown y otros patentaron una antena de lazo con forma rómbica y lados de un cuarto de onda [3]. La primera referencia de la que se tiene noticias al respecto es de 1924, cuando Moses Jacobson patentó una antena de lazo con forma rómbica [4]. O sea, que esta estructura ha sufrido una larga evolución desde la aparición de sus rudimentos hace 75 años. Kudryavchenko [6] plantea que las dimensiones de la antena pueden ser las que se muestran en la Fig. 3. 3

6 Fig. 3: Posible disposición del elemento excitado. Fig. 4: Ganancia (2) y coeficiente de onda viajera (1/ROE) (1) para 75 ohm con respecto a la longitud de un lado del cuadrado vs.λ. 4

7 De esta manera, la longitud de cada brazo puede tomar un valor de 0.25 λ para la frecuencia mínima de trabajo y λ para la frecuencia máxima de trabajo, lo que corresponde a un 40% de ancho de banda relativo, con una ganancia estipulada de 6 a 9 db. Estos parámetros pueden permitir su empleo para cubrir la banda de televisión de UHF de 470 a 700 MHz. Fig. 5: a) Coeficiente de onda viajera (inverso de ROE). b) Ganancia vs. diámetro del radiador c) Resistencia de radiación en función del diámetro del conductor para α = 90 o d) Resistencia de radiación en función del diámetro del radiador para α = 120 o 5

8 Atendiendo a estas recomendaciones, se han desarrollado y modelado cinco variantes de las que se muestran sólo dos opciones por razones de espacio, para facilitar la toma de decisiones. Fig. 6: Primer diseño con 4 reflectores abiertos y aislados. Esta antena ha sido modelada con tubería de 15 mm de diámetro en los elementos excitados, con brazos de 0.22λ a λmax y reflectores de alambre de 2 mm y 0.49 λ a λmax. Los resultados obtenidos se muestran en las figuras 7 a la 10. 6

9 Fig. 7: Patrón de directividad Fig. 8: Impedancia vs. Frecuencia 7

10 Fig. 9: Relación de ondas estacionarias vs. frecuencia Fig. 10: Ganancia y relación delante-detrás vs. frecuencia Como puede apreciarse, aunque la ROE es aceptable para recepción y la ganancia tiende a crecer ligeramente, la relación F/B se deteriora notablemente. 8

11 Para ello es preferible emplear un reflector más denso, que cumpla en lo posible con la recomendación de no estar separado más de un 10% de lambda entre varillas reflectoras. Fig. 11: Diseño final con reflector plano cerrado 9

12 Fig. 12: Diagrama de directividad con reflector cerrado. Fig. 13: Impedancia vs. frecuencia 10

13 Fig. 14: ROE vs. Frecuencia Fig. 15: Ganancia y relación delante-detrás vs. frecuencia 11

14 Como puede apreciarse, el patrón de directividad con la segunda propuesta presentada es más limpio en el semicírculo posterior, y la ganancia y la relación delante-detrás son muy superiores. El costo es una estructura mecánica más compleja en el reflector, este puede construirse como una parrilla de tubos soldados, lo que le imparte una gran solidez. Tiene la conveniencia de tener una única conexión eléctrica al elemento excitado, lo que simplifica la instalación, y emplea cable coaxial, que es la entrada de antena habitual de los televisores actuales y es mucho más resistente a la agresión de la intemperie. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES En este artículo se ha investigado acerca de las propuestas de Járchenko y Kudriavchenko y se ha encontrado que las mismas pueden tener aplicación para la recepción de televisión en Cuba. Esta antena permite cubrir satisfactoriamente todos los canales de UHF con una ganancia moderadamente alta, que puede ser útil para la recepción a distancias medias del transmisor, empleando un único juego de dimensiones para la recepción de cualquier combinación de canales de TV analógica, que seguirá siendo importante en el futuro durante no menos de cinco años. Se recomienda el empleo de esta solución para la recepción de televisión terrestre en Cuba, tanto en la variante analógica tradicional como para los nuevos canales de televisión digital. 12

15 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] Харченко К. Зигзагообразная антенна. Радио, 1961, 3, c [2] US Patent [3] US Patent [4] US Patent [5] Харченко К. Зигзагообразная антенна. Радио, 1999, 8. [6] Кудрявченко, Н., В помощь Радиолюбителю, 114 с. 5 13, Пaтpиoт, [7] Schwelew, A., Gontacharenko, I. MMANA_Basic Online Help, el 9 oct 2013 BIBLIOGRAFÍA Jasik, H. Antenna Engineering Handbook, 1 st ed. McGraw Hill 1961 Johnson, R., Jasik, H. Antenna Applications Reference Guide, McGraw Hill 1987 ISBN Rotthammel, K. Antennas. Energia