diseño, evaluación y construcción de una antena de

Diseño, Evaluación y Construcción de una Antena deTelevisión Digital para Vehículos

Juan Guillermo Estrada Escobar

5 de diciembre de 2013

Índice general

1 Objetivos 71. Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.1. Objetivos específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2. Especificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2 Marco Conceptual 91. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92. Taxonomía de antenas de ventana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.1. Antenas Parche enmalladas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.2. Antenas mimetizadas en el desempañador . . . . . . . . . . . . . . . 14

3. Estructuras impresas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.1. Consideraciones técnicas adicionales . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.1.1. Elementos del carro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.1.2. Diversidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.1.3. Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.2. Técnicas o Métodos de simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.2.1. Discretización de volumen . . . . . . . . . . . . . . . . . 243.2.2. Discretización de Superficie . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4. Antenas Planas Multibanda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.1. Antena F Invertida Plana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.2. Arreglo de Antenas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.3. Antena Monopolo Rectangular Modificada . . . . . . . . . . . . . . 26

3 Diseño 291. Desarrollo Teórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

1.1. Desarrollo del modelo de simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . 301.2. Diseño de la antena para TDT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321.3. Diseño de la antena multibanda FM y TDT . . . . . . . . . . . . . . 34

1

ÍNDICE GENERAL 2

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

4 Resultados 381. Implementación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382. Plataforma de Medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403. Antena de TDT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414. Antena Multibanda para TDT y FM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5 Conclusiones 45

Índice de figuras

2.1 Vehículo con antena tradicional látigo de techo . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2 Antenas necesarias en el vehículo. Tomado de [1] . . . . . . . . . . . . . . . 112.3 Antena parche malla. Modificada de [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.4 Antena “see through”. Tomada de [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.5 Plano E y Plano H simulado de la antena látigo λ/4. Tomado de [4] . . . . . 142.6 Antena de grilla sobre el desempañador de la ventana trasera.Tomado de [5] . 152.7 (a) Geometría de la antena de desempañador modelado como una antena loop

modificada con brazos horizontales. (b) Frecuencia de antiresonancia vs elnumero de brazos. Tomado de [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.8 (a) Antena w-loop. (b) VSWR. Tomado de [7] . . . . . . . . . . . . . . . . 172.9 (a) Antena Fractal. (b) Pérdidas de Retorno. Tomada de [2] . . . . . . . . . . 182.10 Antenas Propuestas por Matsuzaza et al y su coeficiente de reflexión. Tomado

de [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.11 (a) Estructura simple impresa en la ventana. (b) Pérdidas de Retorno. Tomada

de [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.12 (a) Grafica de la antena construida sobre plano de tierra. (b) Comparación

con la medición de la antena construida en el cuerpo del vehículo. Tomadode [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.13 (a) Monopolo meandro con quasi-mangas de banda ancha. (b) Pérdidas deRetorno. Tomado de [11] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.14 (a) Antena optimizada con algorítmo genético. (b) |S11| de la antena. Tomadode [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.15 Antena Dipolo Meandro. Tomado de [13]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.16 Comportamiento del patrón de radiación ante los elementos del carro. Línea

contínua carro vacio Línea discontinua con sillas y línea punteada con sillasy conductor. Tomado de [14]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.17 VSWR de un dipolo impreso, fabricado con diferentes materiales. Tomadode [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.18 Antena PIFA. Tomado de [16] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3

ÍNDICE DE FIGURAS 4

2.19 Antena PIFA en forma de R. Tomado de [17] . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.20 Antena PIFA con “slots” en forma de L. Tomado de [16] . . . . . . . . . . . 262.21 Arreglo de Antenas de Doble Banda. Tomado de [18] . . . . . . . . . . . . . 272.22 Antena Monopolo Rectangular con Slots. Tomado de [19] . . . . . . . . . . . 272.23 Antena Monopolo Doble Banda. Tomado de [20] . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.1 Modelo simplificado de simulación del vehículo en HFSS. . . . . . . . . . . 303.2 Antena monopolo plana para comprobación del modelo de simulación sim-

plificado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.3 Simulación vs Medición Antena No 1 (Roja Simulación Violeta Medición) . 323.4 Modelo Computacional de la Antena de TDT montada sobre el Vidrio. . . . . 333.5 Variación paramétrica antena de TDT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.6 Dimensiones Antena de TDT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.7 Antena de TDT sobre el modelo computacional simplificado del vehículo. . . 353.8 Antena multibanda de FM y DVB-T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.9 Resultado del análisis paramétrico de la antena multibanda sobre el modelo

del vidrio. |S11|[dB] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.1 Antenas construida en el vidro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.3 Conexión de la antena con la línea MS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.2 Proceso de construcción de la antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394.4 Antena de TDT sobre el Vehículo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.5 Espacio para realizar la medición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414.6 Plataforma de medición. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.7 Resultado de la medición comparado con la simulación de la antena de TDT. 424.8 S11 Medición Vs Simulación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Índice de tablas

3.1 Antenas analizadas para como base para la implementación de la anena deTDT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.2 Antenas analizadas para como base para la implementación de la anena deTDT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

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Prefacio

El presente libro recopila el proceso de Diseño, Evaluación y Construcción de una Antenade Televisión Digital para Vehículos, utilizando una de las ventanas del vehículo para suconstrucción. El proyecto mencionado es presentado como requisito para optar al título deMaestría en Ingeniería Electrónica de la Pontificia Universidad Javeriana.El libro se organiza de la siguiente manera, en el primer capítulo se presentan los objetivosgenerales y específicos del proyecto, los cuales incluyen las especificaciones de diseño reque-ridas para la aplicación deseada. En el segundo capítulo, se presenta el marco conceptual des-cribiendo el funcionamiento general de las antenas montadas sobre vehículos, y las diferentesimplicaciones que conlleva el desarrollo de antenas de este tipo. Se presenta adicionalmenteuna clasificación de los principales aportes y desarrollos que han tenido estas antenas segúnsus elementos de análisis y diseño, tales como el tipo de alimentación, geometría y Modeladocomputacional. Así mismo, se presenta un estudio de diferentes antenas planas mutibandacon el fin de establecer una topología apropiada de antena para que opere en las diferentesbandas requeridas. En el tercer capítulo, se presenta el diseño de la antena detallando su desa-rrollo teórico, diseño, simulación, optimización y construcción de la estructura. En el cuartocapítulo, se presentan los resultados de diseño, la comprobación del modelo planteado y laverificación de los resultados obtenidos. Finalmente, en el último capítulo se presentan lasconclusiones del proyecto y posibles temas de trabajos futuros.

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Capítulo 1

Objetivos

1. Objetivo general

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

1.1. Objetivos específicos

• Analizar y documentar la literatura existente sobre antenas de ventana, centrándose enla capacidad de mimetización y las figuras de mérito.

• Modelar apropiadamente el sistema carro-antena para optimizar el tiempo de simula-ción.

• Diseñar y elaborar el set de pruebas apropiado para medir las figuras de mérito de laantena propuesta.

• Diseñar, construir y comprobar la antena de ventana para la banda de frecuencias deDVB-T con las restricciones de mimetización y manejo eficiente de la energía.

• Diseñar, construir y comprobar una antena de ventana multibanda para DVB-T y radioFM.

• Realizar la viabilidad técnica de diseñar la antena para que incluya los servicios deAM.

1.2. Especificaciones

• Operación en las bandas de Radiodifusión FM comercial (88MHz-108MHz) y DBV-T2de (470MHz-862MHz)

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CAPÍTULO 1. OBJETIVOS 8

• Polarización lineal (horizontal - vertical)

• Antena impresa en un vidrio del carro

• Coeficiente de reflexión menor a -10dB en las bandas de operación.

Capítulo 2

Marco Conceptual

1. Introducción

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

Figura 2.1: Vehículo con antena tradicional látigo de techo

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CAPÍTULO 2. MARCO CONCEPTUAL 10

Por razones estéticas del diseño del carro, se hace inviable que se pueda solucionar el proble-ma de la recepción de los diversos servicios inalámbricos que se integran actualmente en unvehículo, simplemente colocando una serie de antenas látigo en la parte superior del vehículo.Con el fin de solucionar el reto anteriormente mencionado, la comunidad científica ha abor-dado el problema desde diferentes ópticas. En la década de los 70 se empezó a desarrollarla idea de poder diseñar una antena de modalidad de recepción en un vehículo de forma mi-metizada o físicamente con una gran estética. El desafío al diseñar una antena para vehículosestá en que los parámetros de desempeño tales como ancho de banda, directividad, gananciay eficiencia entre otros, deben ser comparables a los de la antena monopolo tradicional. Laantena látigo presenta un buen desempeño en automóviles, por lo que el reto de diseñar unaantena comparable se ha convertido en un problema de ingeniería que ha requerido bastanteinvestigación [1].Soluciones a este desafío incluyen diseñar la antena en las partes plásticasdel carro como los guarda fangos y los parachoques, diversas antenas miniaturizadas se handiseñado para ubicarse en la parte superior del vehículo [24], enmascaradas en las puertas, olos espejos en los retrovisores del carro [25], o diseñar la antena en la parte dieléctrica másaccesible del carro las cuales corresponden a las ventanas [8].Esta última técnica será la detallada en este documento ya que tiene diversas ventajas compa-rativas entre las cuales se encuentran, disponibilidad en diferentes ubicaciones del vehículo,una mayor área disponible, multifuncionalidad ya que pueden ayudar a la protección mecáni-ca del vidrio y a que en el vidrio posterior se puede utilizar como desempañador al aplicarleun voltaje DC. Las estrategias de diseño anteriores incluyen no solo una transferencia eficien-te de energía sino también aspectos de diseño visual o mimetización del objeto radiante enel vehículo. Adicionalmente, estas técnicas procuran integrar en una sola antena tecnologíasde diferentes portadoras con el objeto de disminuir la complejidad y de integrar la mayorcantidad de servicios inalámbricos en la menor cantidad de antenas posible [26].El uso de las antenas de ventana promete una serie de ventajas adicionales para el desarrollode sistemas de comunicaciones en los vehículos. Un ejemplo claro es el diseño que permi-te vehículos más armónicos, con una estética refinada y sencilla. Según diferentes autores,existen dos aspectos que la hacen deseable: la primera es que evitaría no solo el vandalismosino que también previene accidentes [2]; la segunda es que puede ser un aporte significativoen la necesidad de manejar diferentes sistemas inalámbricos [1], lo que permitiría de un ladoque no estén a la vista y de otro lado que se reduzca la cantidad de antenas en el vehículocomo se muestra en la Figura 2.2. Sin embargo, el diseño de antenas de ventana innovadorasque permitan igualar y mejorar el desempeño de las antenas existentes es un verdadero retodesde el punto de vista técnico, científico, estético y de implementación ya que debe ser almenos comparable en su desempeño con la antena látigo la cual es muy eficiente, debe sermultibanda ya que actualmente es inviable tener una antena para cada servicio, y se debetener en cuenta que el material del vidrio es fundamentalmente un sustrato anisotrópico yno homogéneo con un espesor grueso y con alta permitividad [27] [4]. Además de que serequiere mantener la visibilidad del vidrio, debe ser económica y ser fácilmente ensamblable.


Figura 2.2: Antenas necesarias en el vehículo. Tomado de [1]

Una característica del diseño de antenas en VHF y UHF en carros, es que el vehículo usual-mente metálico tiene un tamaño equivalente de algunas longitudes de onda. Esto implica queel elemento radiador es afectado dramáticamente por este objeto parásito. Por esta razón, entérminos de diseño electromagnético, el vehículo hace parte fundamental de la antena y debeser tratado como tal [28, 29]. Existen diversos métodos para modelar los vehículos en unasimulación electromagnética, como los métodos de discretización del volumen, los métodosde discretización de la superficie, los métodos Quasi-ópticos y métodos híbridos que com-binan diferentes técnicas computacionales para obtener una simulación con el menor costocomputaciona|l posible [1].Otro problema muy importante pero fuera del alcance de este proyecto de investigación,es el desempeño de los objetos radiantes y vehículos ante condiciones de movimiento. Laaproximación usual para abordar este tipo de problemas es a través del modelo de canalesvariantes en el tiempo y sistemas de recepción avanzados como los sistemas MIMO o losbasados en diversidad.En Colombia, después de un proceso de licitación del último quinquenio, finalmente se haadoptado el estándar europeo de televisión digital DVB-T [30] desarrollado por la ETSI (Eu-ropean Telecommunications Standards Institute). Entre los parámetros más relevantes de lainterfaz de aire de este estándar se destacan, que la modulación es de tipo COFDM (CodedOrthogonal Frequency Division Multiplexing) de 2k o 8k subportadoras separadas por 4ko 1k. Cada canal de televisión consume un ancho de banda de 6MHz, 7MHz y 8MHz encanalizaciones en la banda entre 470MHz y 862MHz.Adicionalmente, gracias a las herramientas avanzadas de simulación electromagnética y a loscomputadores modernos, se han abierto posibilidades de análisis y moldeamiento de proble-mas complejos como lo es el análisis de antenas de ventana sobre vehículos. En la medidaque la banda de frecuencias en la que se pretenda analizar el problema sea más alto, la com-plejidad del modelo de simulación de la antena en el vehículo aumenta y se convierte en unreto importante.La siguiente sección presenta el resultado de la revisión de literatura en la que se ha encon-trado que vale la pena ahondar en el estudio de estas antenas con el propósito de innovar.


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

2. Taxonomía de antenas de ventana

La revisión de la literatura sobre antenas de ventana en las últimas tres décadas condujo a lasiguiente clasificación de topologías existentes en las cuales los autores presentan el conjuntode características para encontrar en ellas las ventajas y las desventajas propias de su topologíaque las hacen apropiadas al contexto. Los tipos de antenas más convenientes en este sentidoson las que cumplen con las siguientes características:

• Bajo perfil

• Adaptables a superficies planas y conformes

• Simples y económicas para la construcción

• Robustas mecánicamente

• Versátiles en la frecuencia de resonancia

• Polarización, Patrón de radiación e impedancia requeridas.

Las antenas que se ajustan a las necesidades descritas tienen formas que implican diver-sas características, ventajas y desventajas. Cualquier antena plana puede ser pensada para laaplicación de antenas de ventana donde el sustrato es vidrio, sin embargo en la literatura sedestacaron las siguientes tres técnicas:

2.1. Antenas Parche enmalladas

Se revisaron tres tipos de Antenas Parche Enmalladas, que tienen las siguientes caracterís-ticas: son compactas, se adaptan a diferentes superficies, son relativamente económicas, sonenmalladas tanto el parche como el plano de tierra y son antenas diseñadas para ventanaspor lo tanto el factor de transparencia es fundamental. Se comportan como antenas parche demicrocintas. Sin embargo cada una de ellas tiene particularidades que vale la pena analizar.En el primer caso [2], el parche se imprime sobre el vidrio como se muestra en la Figura2.3, sin embargo las posibilidades son limitadas pues solo se pueden imprimir líneas de unos


pocos milímetros de ancho, antes de distorsionar el vidrio debido a que se refleja el calor. Sedebe entender que entre más gruesas las líneas de la grilla, el ancho de banda se mantienerelativamente invariante, la ganancia aumenta y la polarización cruzada desmejora. La antenaparche enmallada en comparación con la antena sólida, mantiene el patrón de radiación ydisminuye la frecuencia de resonancia lo cual es una ventaja debido a que permite un ciertogrado de miniaturización de la estructura. La mayor densidad de corriente se concentra enlos bordes de las líneas verticales del parche. Dado que es una malla, la cantidad de cobrees menor por lo que hay mayor resistencia a la corriente y por ende menor ganancia. Laspérdidas en la ganancia también se pueden atribuir al almacenamiento de energía debido alacoplamiento mutuo generado por la cercanía entre las líneas.

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

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

(a) Geometría (b) |S11| (c) Ganancia

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


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

2.2. Antenas mimetizadas en el desempañador

Con el fin de minimizar las obstrucciones visuales causadas por las antenas montadas sobreventanas, los constructores se han concentrado en usar el desempañador del vehículo comoantena para la recepción de VHF, esto adicionalmente evita los problemas mecánicos de laantena látigo de techo. La antena que se logra mediante esta técnica, tiene una mezcla depatrón de radiación vertical y horizontal que alcanza niveles de desempeño comparables alos de la antena látigo λ/4 de techo [4]. En la Figura 2.5 se aprecia el patrón de radiación dela antena látigo en el techo del vehículo. La línea punteada muestra el resultado medido y lacontinua el simulado. Se ve un patrón de radiación omnidireccional deformado hacia la partederecha trasera del vehículo. Los resultados de la medición concuerdan con los simuladosutilizando el método de los momentos. El diseño de este tipo de antena no se hace paraobtener una figura geométrica óptima para imprimir en la ventana trasera sino que se buscautilizar la geometría del desempañador como antena. Por lo tanto en este diseño se generandos problemas principales. En primer lugar se genera un problema de acople de impedanciasen todo el ancho de banda desde HF hasta VHF. En segundo lugar se genera un problema decomplejidad computacional alta para la solución electromagnética de la antena teniendo encuenta la geometría del desempañador y el ancho de las líneas del desempañador con respectoal tamaño del vehículo. Para este tipo de antena se analizan tres casos en los que se muestrael desempeño potencial que se tiene al utilizar esta técnica.

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


El primer caso [5] es una propuesta de diseño que adapta el desempañador del vidrio traserodel carro como una grilla con el fin de mejorar el acople de impedancia en un ancho de bandaamplio y para mejorar la ganancia en polarización vertical en todo la banda de radio comercialFM, el resultado obtenido es una antena que presenta un ancho de banda del 25% tomandocomo parámetro base para definir el ancho de banda un VSWR < 5.8. Para lograrlo utilizanun algoritmo genético en el que se representa cada segmento vertical como cromosomas en2D, creando una grilla virtual en la que se genera una línea cuando el valor del bit es 1. Sesimuló tomando como parámetros dieléctricos del vidrio, εr = 8 y tanδ = 0,03 a 100MHz.En la figura 2.6 se aprecia la estructura generada y los resultados simulados y medidos delVSRW de la antena.

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

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


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

(a) (b)

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

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

3. Estructuras impresas

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


(a) (b)

Figura 2.8: (a) Antena w-loop. (b) VSWR. Tomado de [7]

a tomar en cuenta de este tipo de antenas son la geometría, el punto de alimentación y la ubi-cación sobre la ventana. Para estas estructuras impresas cabe resaltar que se utiliza el vidriode la ventana como un soporte mecánico para la antena y adicionalmente este descansa sobrela parte metálica del vehículo que funcionaría como un plano de tierra. Se analizaran seisdiferentes topologías de estructuras impresas.El primer caso [2] muestra una antena que se presenta como una alternativa para las antenasde alambre que se montan en los vehículos. Es una antena fractal, construida basándose engeometrías auto similares. El objetivo de esta geometría es obtener una antena multibandaque sirva para la recepción de cuatro diferentes bandas de radio, FM (88MHz-108MHz),DVB1 (217,5MHz-230MHz), DVB2 (1452MHz-1492MHz).La geometría de la antena se muestra en la Figura 2.9, en la cual se ve una figura equilátera.Se tiene un stub al lado, que se sintoniza a1470MHz para que funcione a una frecuencia másalta que las demás bandas de operación. Para que la antena funcione en las demás bandas,deben escoger apropiadamente las dimensiones de la estructura. La antena fue probada sobrela ventana de un carro para comparar su desempeño con respecto a una antena látigo de techo.El plano de tierra de dicha antena es la parte metálica del carro que rodea la ventana.En las bandas superiores, la impedancia de entrada de la antena es baja, de 10Ω y la gananciaaproximadamente 5dB menor a la de la antena de referencia, por lo tanto se utiliza un acopleactivo. Se utiliza un circuito de banda ancha que cubre las bandas de FM y DAB (RadioDifusión de Audio Digital). La gráfica de las pérdidas de retorno de la antena en la bandafuncional del circuito se muestra en la figura 2.9, en la que se ve que el circuito activo permiteun buen acople en la antena. La ganancia del amplificador se ajustó para que funcionara igualque una antena látigo pasiva en el techo. El desempeño de la antena en frecuencias por encimade 1GHz, se desmejora debido a mayores dispersiones en la estructura del vehículo.


(a) (b)

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

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

(a) (b) Bat Wing (c)

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

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


perfectos con el fin de ser simulados. con esta antena logran un S11 <-10 en toda la banda deradio FM comercial. En la figura 2.11 se muestra la topología utilizada y simulación de laspérdidas de retorno.

(a) (b)

Figura 2.11: (a) Estructura simple impresa en la ventana. (b) Pérdidas de Retorno. Tomadade [9]

El cuarto caso [10] muestra una antena de banda ancha para las bandas de VHF y UHFgenerada a partir de un algoritmo genético que optimiza una estructura en grilla para alcanzarun mejor acople en estas bandas. En la figura 2.12 se muestra la grilla base y el resultadogeométrico obtenido después de pasar por el algoritmo genético. Adicionalmente se muestrael resultado del acople de impedancias en el que se hace una comparación entre el resultadode la antena medida sobre un vehículo y medida sobre un plano de tierra. Es de resaltar queel comportamiento en impedancia de la antena construida sobre un plano de tierra y sobre elcuerpo del vehículo muestran comportamientos muy similares.

El quinto caso [11] muestra una estructura impresa monopolo utilizando una estructura demeandros con el fin de aprovechar de mejor manera el espacio y lograr una antena miniatu-rizada para aplicaciones móviles. Adicionalmente disponen unas “quasi-mangas” a los doslados de la estructura meandro para lograr una antena con buen acople en banda ancha. Enla Figura 2.13 se muestra la estructura de la antena y el acople de impedancia alcanzado. Elapropiado diseño de las longitudes de las “quasi-mangas” y de los espacios y longitudes delos meandros, permiten miniaturización y acople en banda ancha.


(a) (b)

Figura 2.12: (a) Grafica de la antena construida sobre plano de tierra. (b) Comparación conla medición de la antena construida en el cuerpo del vehículo. Tomado de [10]

(a) (b)

Figura 2.13: (a) Monopolo meandro con quasi-mangas de banda ancha. (b) Pérdidas de Re-torno. Tomado de [11]

El sexto caso [12] muestra una antena diseñada utilizando un algoritmo genético que a partirde una grilla, genera una estructura geométrica a lo largo de la ventana buscando mejorarel acople en la banda de radiodifusión en FM. Esta antena utiliza las ventanas laterales tra-seras del vehículo, para distribuir la estructura geométrica, encontrando una distribución decorriente que permite mejorar el acople en banda ancha. En la figura 2.14 se muestra la geo-metría de la antena optimizada mediante el algoritmo genético y el acople obtenido. Definenel ancho de banda con el criterio de |S11|<−3dB y la antena funciona en una banda despla-zada


(a) (b)

Figura 2.14: (a) Antena optimizada con algorítmo genético. (b) |S11| de la antena. Tomadode [12]

El séptimo caso [13] muestra una antena dipolo miniaturizada por medio de una estructuraen forma de meandros. Esta es una antena de alambre, que en el caso de ser utilizada en elvidrio tendría que ser modificada para ser plana y, cambiar el diseño de la antena dipolo porun monopolo con plano de tierra, basándose en el método de las imágenes. La antena ahíplanteada se muestra en la Figura 2.15

Figura 2.15: Antena Dipolo Meandro. Tomado de [13].

3.1. Consideraciones técnicas adicionales

Para potenciar el funcionamiento de las diferentes antenas se deben tener en cuenta las si-guientes consideraciones técnicas adicionales.


3.1.1. Elementos del carro

Al ser el carro una estructura metálica con un tamaño comparable al de la longitud de on-da de las señales que se pretenden recibir, se debe tomar en cuenta cada parte del vehículoen el modelo. Es importante ya que tanto el motor, como las sillas, el tablero y la cabrilla,contienen elementos metálicos dentro del vehículo que podrían modificar de manera signifi-cativa las características de la antena. Las antenas de ventana en FM por ejemplo se acoplanfuertemente de las estructura metálicas del vehículo [32]. Es debido a esto que se debe te-ner especial cuidado al modelar este tipo de estructuras, ya que se debe buscar que sean lomás realistas posibles y así encontrar patrones de radiación simulados mucho más precisos.Cerretelli et al [14] demostraron que la inclusión de los asientos en el modelo de simulaciónafecta el patrón de radiación para una antena de ventana en la banda de FM. En la Figura2.16 se muestra el Plano E tanto en polarización Vertical como en polarización Horizontalcomparando el resultado de la simulación al incluir en el modelo del vehículo, las sillas yel conductor. Se aprecia que especialmente en polarización Vertical se tiene una diferenciasustancial al incluir las sillas dentro del vehículo.

(a) Horizontal [dBµV/m] (b) Vertical [dBµV/m]

Figura 2.16: Comportamiento del patrón de radiación ante los elementos del carro. Líneacontínua carro vacio Línea discontinua con sillas y línea punteada con sillas y conductor.Tomado de [14].

3.1.2. Diversidad

Debido a que el vehículo se encuentra en movimiento, y a que en el trayecto que el recorre,se encuentran una serie de obstáculos que reflejan la señal de radio que se quiere recibir, noen todo momento se va a tener una buena recepción en la antena. Es por esta razón que segenera el concepto de Diversidad, que consiste en la ubicación de varias antenas en diferentesubicaciones del vehículo y se selecciona la señal con mayor potencia para la salida [1]. Se


tiene un sistema que mide la potencia de las señales recibidas en cada una de las antenas yselecciona de ellas la mayor y así se asegura una mejor recepción. Este tipo de sistemas seutiliza mayormente en vehículos de mayor gama, ya que uno de los parámetros de desempeñoque el comprador toma en cuenta a la hora de adquirir un vehículo es la recepción de losservicios de radiodifusión AM y FM.

3.1.3. Materiales

Al realizar una antena de ventana en un vehículo, se debe tener en cuenta que esta antenano puede ser un obstáculo para la visualización del conductor, es por esto que se requierenantenas ópticamente transparentes. Para fabricar este tipo de antenas se requiere un conduc-tor ópticamente transparente con conductividad comparable a la del cobre y transparenciacomparable con la del vidrio. Mias et al [15], presenta un estudio de diferentes materiales,tomando en cuenta un porcentaje de transparencia óptica con respecto al vidrio y en términosde la resistencia del material. En la figura 2.17 se muestra el VSRW de una antena dipoloconstruida sobre vidrio con los diferentes materiales buscando transparencia óptica.

Figura 2.17: VSWR de un dipolo impreso, fabricado con diferentes materiales. Tomado de[15]

3.2. Técnicas o Métodos de simulación

Probablemente el reto más relevante en el diseño de este tipo de antenas es el modelo elec-tromagnético apropiado del carro y su interacción con la antena. Para este efecto se requierehacer un estudio del software que nos permita un diseño efectivo de este tipo de antenas.Comercialmente se destacan los programas HFSS, FECO, CST, IE3D. De los cuales algunosdeberán ser evaluados con miras a afrontar el desafío de esta investigación.


Existe una serie de métodos de modelamiento numérico de antenas de carro [1]. Hay algunosmétodos como el Quasi-Óptico, que no se tendrán en cuenta debido a que funcionan parafrecuencias en las que la longitud de onda sea mucho más pequeña que las dimensiones delvehículo. Como en éste caso tenemos longitudes de onda comparables al tamaño del vehículo,se deben explorar opciones como la discretización de volumen, de superficie o los métodoshíbridos. A continuación se resumen algunos de estos métodos.

3.2.1. Discretización de volumen

Los métodos de discretización de volumen son utilizados ampliamente en el campo del elec-tromagnetismo. En el caso de los vehículos, se debe discretizar tanto el vehículo como elcampo cercano en celdas pequeñas con respecto a la longitud de onda. Los métodos reco-mendados para este tipo de simulación son en el dominio del tiempo como lo son el FDTD(Finite Differences Time Domain) y el TLM (Transmision line matrix) Pero también se pue-den utilizar métodos en el dominio de la frecuencia como el FEM (Finit Element Method).

3.2.2. Discretización de Superficie

Debido a que los vehículos están construidos casi en su totalidad por una lámina metálicadelgada, las ecuaciones de Maxwell en la superficie del vehículo se pueden resolver conlos datos superficiales del vehículo. Se puede adicionalmente modelar el vehículo utilizandouna grilla de segmentos de alambre. El método utilizado para simular el comportamientoelectromagnético de la antena en el vehículo en este caso sería el Método de los Momentos(MoM). Con este método, se pueden simular antenas de ventana.

4. Antenas Planas Multibanda

El desarrollo de antenas con servicios integrados juega un papel muy significativo en el pro-greso de expansión de las aplicaciones de comunicaciones inalámbricas. Con el fin de reducirel número de antenas presentes en algún sistema, se hace necesario el diseño de antenas quepermitan de una manera optima recibir señales de diferentes bandas de frecuencia y con estointegrar una amplia cantidad de servicios en una sola estructura. A continuación se describi-rán diferentes tipos de topologías de antenas multibanda construidas con tecnologías planasy las diferentes maneras como se enfrenta el desafío de diseñar este tipo de antena.

4.1. Antena F Invertida Plana

Una de las topologías planas más utilizadas para alcanzar antenas de doble banda es la antenaF Invertida (PIFA). Esta antena consta de un pin de alimentación, un pin de corto a tierra y unparche radiador. En la literatura se encontraron modificaciones de la forma del parche radia-dor con el fin de cambiar las condiciones de acople de impedancia de la antena. Utilizando


Figura 2.18: Antena PIFA. Tomado de [16]

estructuras como “slots” en formas diversas a lo largo del parche, pueden alcanzar distintasfrecuencias de resonancia y así alcanzar antenas multibanda. La estructura básica de la antenaPIFA se muestra en la Figura 2.18.

Un ejemplo claro de la modificación de la estructura básica de la antena PIFA la muestra Aliet al [17]. En este articulo el parche radiador de la antena PIFA se diseña en forma de R. En laFigura 2.19 se muestra la topología de la antena PIFA en forma de R, y el acople alcanzado.Se puede ver que con esta antena se alcanza acople en dos bandas diferentes pero con anchosde bandas reducidos

(a) (b)

Figura 2.19: Antena PIFA en forma de R. Tomado de [17]


(a) (b)

Figura 2.20: Antena PIFA con “slots” en forma de L. Tomado de [16]

Un segundo ejemplo de antena PIFA de doble banda se muestra en [16]. En este articulo, sehace un “slot” en forma de L como se muestra en la Figura. Igual que en el cadso de la PIFAen forma de R se alcanza una doble banda, pero cada una de estas bandas tiene un ancho debanda reducido.

4.2. Arreglo de Antenas

Una manera de alcanzar una antena multibanda es unir dos arreglos de antenas, cada uno deellos sintonizado en cada una de las frecuencias de interés [18]. En la Figura 2.21 se muestraun arreglo de antenas construido en tecnología de microcintas. Allí se pueden ver claramentedefinidas los arreglos de cada banda. Con esta antena se alcanza una doble banda, cada unade ellas con un ancho de banda importante.

4.3. Antena Monopolo Rectangular Modificada

Debido a las características de ancho de banda ultra ancho de la antena monopolo rectangular,esta topología se ha convertido en una estructura ampliamente estudiada para el desarrollo deantenas multibanda [19, 20]. Con el fin de obtener acople en varias bandas, se modifica elinterior de la antena monopolo rectangular utilizando diferentes geometrías. De este tipo deantenas se muestran dos casos.En primer lugar se muestra una antena monopolo rectangular [19], en la cual se aplican slotsal interior del rectángulo, en forma de U y de L con el fin de generar respuestas filtradas


(a)

(b)

Figura 2.21: Arreglo de Antenas de Doble Banda. Tomado de [18]

en bandas especificas. En la Figura 2.22, se muestra la comparación entre el ancho de ban-da original de la antena monopolo rectangular y la antena con slots en su interior. Se ve quemientras la antena original tuene un ancho de banda ultra ancho, la antena modificada muestraacople en subbandas del ancho de banda original. Esto demuestra las características de filtra-do de los slots introducidos. En el articulo Lee et all muestra que es más eficiente tomar unaantena de ancho de banda ultra ancho y dividir sus bandas, que tomar antenas independientesde ancho de banda angosto y unirlas.

Figura 2.22: Antena Monopolo Rectangular con Slots. Tomado de [19]

En segundo lugar se muestra una antena que utiliza el mismo concepto de antenas monopolosrectangulares de ancho de banda ultra ancho [20]. Esta antena es en forma de U, basándose


en el hecho de que la mayor concentración de corriente superficial se encuentra en los bordeslaterales. Una vez realizada la antena U, se inserta un monopolo rectangular en el medio dela U para acople en una banda inferior. los resultados de este diseño se muestran en la Figura2.23. En ella se muestra que el monoplo central alcanza un ancho de banda centrado en 0.9GHz y que la U alcanza un ancho de banda superior a un 1.6 GHz.

(a) (b)

Figura 2.23: Antena Monopolo Doble Banda. Tomado de [20]

Capítulo 3

Diseño

1. Desarrollo Teórico

Para el desarrollo de esta antena, fue necesario seguir una metodología, la cuál permite dise-ñar una antena con la complejidad de la del proyecto actual. Esta Metodología se describe acontinuación.

• Fase 1. En esta fase se estudiaron y caracterizaron los aspectos relevantes de antenasplanas de banda ancha y multibanda específicamente, antenas montadas sobre vidriotransparentes para aplicaciones vehiculares.

• Fase 2. En esta fase se escogió, especificó e implementó la plataforma de simulacióny la plataforma de mediciones para la antena de UHF, específicamente se implementóuna metodología para incluir el modelo del vehículo dentro del diseño.

• Fase 3. En esta fase se diseñó e implementó la antena para TDT

• Fase 4. En esta fase se diseñó, la antena multibanda para los servicios de TDT y radioFM.

• Fase 5. En esta fase se analizó la viabilidad de integrar los servicios de AM en la antenadiseñada En caso de ser factible se construirá y comprobara la operación de la antenaen AM, FM y DVB-T.

Una vez realizado el estudio de la literatura, se procedió a realizar un modelo simplificado desimulación, que pudiera ser utilizado para la apropiada comprobación y optimización de laantena desarrollada. Este modelo sería posteriormente utilizado para el diseño de la antena detelevisión Digital y para la antena de FM. Al tener la antena diseñada se procedió a construirdicha antena para la comprobación del modelo de simulación. Para la medición de la antenase implementó una plataforma de mediciones, la cuál incluyó la comprobación de la antenasobre el vidrio en un plano de tierra y la comprobación de la antena montada sobre el vehículo.A continuación se describe cada etapa del proceso.

29

CAPÍTULO 3. DISEÑO 30

1.1. Desarrollo del modelo de simulación

Debido a la complejidad del ambiente en el que será desarrollada la antena y a las altasespecificaciones de la misma, se hace necesario el diseño mediante la computación electro-magnética. La alta cantidad de variables que constituyen el diseño de la antena, hacen queincluso el modelo de simulación sea complejo. Para que fuera posible el diseño de la ante-na, fue necesario analizar las variables que fueran indispensables, con el fin de simplificar elmodelo.

Figura 3.1: Modelo simplificado de simulación del vehículo en HFSS.

Se realizó entonces un modelo de simulación del vehículo utilizando el software AnsoftHFSS. Este modelo se hace simplificado y se muestra en la Figura 3.1. El modelo se ba-só en el vehículo Chevrolet Aveo Emotion GTI. En este modelo no se tomaron en cuenta lassuperficies curvas del vehículo, ni los elementos del interior del mismo. Para simplificarlo separte del hecho de que la corriente generada por la antena se propagará a lo largo de las partesmetálicas de mayor tamaño en el vehículo. Se modelaron las partes metalicas del vehículocomo una lamina de conductor perfecto y los vidrios, como un sustrato de espesor hv = 4mm,una permitividad relativa εr = 6,75 y una tangente de perdidas tanδ = 0,02.


Figura 3.2: Antena monopolo plana para comprobación del modelo de simulación simplifi-cado

Para comprobar que el modelo fuera adecuado, se procedió a construir una antena simpleplana en el vidrio del vehículo. Esta antena sería una línea de cobre de ancho wa = 4mmy largo la = 25cm. Esta antena fue medida con un analizador vectorial de redes portátil dereferencia ZVH8 de la marca Rohde & Schwarz. La implementación práctica de esta antenase muestra en la Figura 3.2. Una vez medida la antena se procedió a incluirla en el modelo desimulación simplificado. Los resultados de la medición contra la simulación se muestran enla Figura 3.3. Se construyeron dos antenas, una utilizando cinta de cobre pegada al vidrio, yla otra utilizando tinta conductora de plata sobre el mismo. En esta gráfica se puede ver queel modelo sigue la forma de la respuesta en medición.


Figura 3.3: Simulación vs Medición Antena No 1 (Roja Simulación Violeta Medición)

1.2. Diseño de la antena para TDT

El primero de los objetivos planteados en el proyecto fue el diseño de una antena para ser uti-lizada en la banda de televisión digital (470MHz a862MHz). Una vez establecido el modelode simulación, y se ha demonstrado que este es razonablemente aceptable para la apropia-da simulación de una antena, se procede al diseño de la antena para Televisión Digital. Losprincipales retos que presenta el diseño de dicha antena son los siguientes:

• Antena miniaturizada en tecnología plana

• Ancho de banda ultra ancho

• Antena de polarización Línea

Antena Impedancia Ancho de banda FiguraAntena Fractal [2] Bajo Bajo 2.9

Antena Bat Wing [8] Apropiada Ultra Ancho 2.10Antena para FM [9] Apropiada Ancho 2.11

Antena Mesh Grid [10] Aceptable Ancho Multibanda 2.12Antena Monopolo Meandro [11] Apropiada Ultra Ancho 2.13

Tabla 3.1: Antenas analizadas para como base para la implementación de la anena de TDT.


Se evaluaron distintas topologías de antenas como se muestra en la Tabla 3.1, y se escogiótrabajar con la antena monopolo meandro. Como punto de inicio para el diseño, se parte dela hipótesis de que el vehículo funciona como un plano de tierra para la antena monopolo.La estructura metálica del vehículo, por su tamaño y por ser una estructura cerrada tienecaracterísticas que la asemejan en su comportamiento electromagnético a un plano de tierrainfinito.

Figura 3.4: Modelo Computacional de la Antena de TDT montada sobre el Vidrio.

La antena se diseña buscando miniaturización y ancho de banda amplio, además de polariza-ción lineal. para alcanzar la miniaturización se utiliza una estructura de monopolo en formade meandro. Para alncanzar el ancho de banda amplio, se le adicionan dos quasi-mangas co-nectadas a la estructura del vehículo. Finalmente para alcanzar la polarización se utiliza laestructura de monolpolo, la cual permite la polarización lineal requerida dependiendo de laposición en la que se ubique dentro de la ventana. La antena monopolo tiene una resonanciaen la parte baja de la banda de frecuencia de TDT. Las dos quasi-mangas ubicadas a los ladosdel monopolo generan una segunda resonancia en la parte alta de la banda de TDT, con loque se logra el ancho de banda ultra ancho requerido

En la Figura 3.4 se muestra una estructura simplificada de la antena planteada. Con el fin desimplificar el proceso de optimización por software de la estructura, se diseño una estructuramonopolo meandro con quasi-mangas alimentado por una linea de microcintas (MS) y unplano de tierra truncado Montado sobre un vidrio. Esta estructura posteriormente será ex-trapolada para ser implementada sobre el vehículo reemplazando el plano de tierra truncadopor el plano de tierra formado por la estructura metálica del vehículo. el diseño simplifica-do utiliza como sustrato el vidrio, el cual tiene espesor hv = 4mm, una permitividad relativaεr = 6,75 y tangente de perdidas tanδ = 0,02. El proceso de optimización de esta antena serealizó mediante una variación paramétrica de las dimensiones mostradas en la Figura 3.6.


Figura 3.5: Variación paramétrica antena de TDT.

El resultado de la variación paramétrica sobre el ancho de banda requerido se muestra en laFigura 3.5. De ahí se toma la antena que presenta el mejor acople en impedancia sobre elancho de banda de TDT.

Una vez completado el proceso de diseño de la antena simplificada, se procede a extrapolardicho diseño al modelo computacional del vehículo. La antena sobre la estructura del vehícu-lo se muestra en la Figura 3.7. En este paso se demuestra que se puede tomar el modelosimplificado para diseñar este tipo de antenas.

1.3. Diseño de la antena multibanda FM y TDT

El quinto objetivo especifico planteado en este proyecto fue el desarrollo de una antena mul-tibanda que integra los servicios de FM y TDT. El desafio mas grande que presenta esteproyecto es el diseño de una antena multibanda, siendo una de las bandas de ancho de bandaultra ancho como lo es la banda de TDT.


Figura 3.6: Dimensiones Antena de TDT

Figura 3.7: Antena de TDT sobre el modelo computacional simplificado del vehículo.

Como base para el diseño de esta antena se evaluaron una serie de posibilidades de antenamultibanda, como se muestra en la Tabla 3.2. De ahí se decidió utilizar el monopolo meandroy la antena Bat Wing. Para poder diseñar apropiadamente dicha antena, es necesario enfocarseen ambas bandas al mismo tiempo, ya que al diseñar dos antenas por separado y unirlas, segeneran efectos de acoplamiento mutuo y de afectación en la impedancia de la antena quecomplicarían el proceso. Es debido a esto que se tomó la decisión de implementar una antenade tipo monopolo miniaturizada junto con dos estructuras en arreglo con el fin de utilizar elmonopolo para la banda de FM y los arreglos para la banda de TDT.

La antena anteriormente descrita se muestra en la Figura 3.8. Debido a que un monopolo quefuncione en la banda de FM sería de un tamaño superiór al de la ventana, se opta por realizar


Antena Impedancia Ancho de banda FiguraAntena Fractal [2] Bajo Bajo, Multibanda 2.9

Antena Bat Wing [8] Apropiada Ultra Ancho 2.10Antena para FM [9] Apropiada Ancho 2.11

Antena Mesh Grid [10] Aceptable Ancho, Multibanda 2.12Antena Monopolo Meandro [11] Apropiada Ultra Ancho 2.13

Antena Dipolo Meandro [13] Apropiada Apropiado 2.15Antena Monopolo de doble banda [20] Apropiada Ultra ancho, Multibanda 2.23

Tabla 3.2: Antenas analizadas para como base para la implementación de la anena de TDT.

una estructura en la que se miniaturiza dicha antena. Así como en el caso de la antena paraTDT, se utiliza para la miniaturización una estructura en forma de meandros, ya que estaestructura aprovecha de mejor manera el espacio y permite alcanzar un acople apropiadoen la banda requerida. Los arreglos de antenas para la banda de TDT, son 4 antenas loopdiseñadas para que la frecuencia de resonancia de cada una esté cerca de la otra y con eso selogra incrementar el ancho de banda.Se realiza una optimización mediante una variación paramétrica de los parámetros mostradosen la Figura 3.8. Gracias a este diseño se alcanza el ancho de banda de TDT. El resultadode la variación paramétrica de la antena se muestra en la Figura 3.9. De ahí se selecciona lageometría que presenta las mejores características de acople. El arreglo de la izquierda generauna resonancia en la parte baja de la banda de TDT y el arreglo de la derecha una resonanciaen la banda alta.

2. Viabilidad de la Implementación de una antena Multi-banda para TDT, Radio FM y Radio AM

Una vez realizada la antena multibanda de FM y TDT, se procedió a analizar la viabilidade integrar los servicios de radio AM dentro de la antena multibanda diseñada. El proceso dediseño utilizó técnicas de miniaturización para la banda de FM en la cual la longitud de ondaes de ordenes de magnitud inferior a la de AM. Por esta razón se puede concluir que paraalcanzar una antena de las especificaciones técnicas solicitas en este proyecto de un S11<-10 en todo el ancho de banda entre 810kHz y 1450kHz. El metodo FEM (Finite ElementMethod) no es adecuado para ser utilizado en elementos electricamente pequeños.Por estarazón se considera que no es factible con los recursos existentes diseñar una antena quefuncione en la banda de frecuencia requerida en conjunto con las otras dos bandas.


Figura 3.8: Antena multibanda de FM y DVB-T

Figura 3.9: Resultado del análisis paramétrico de la antena multibanda sobre el modelo delvidrio. |S11|[dB]

Capítulo 4

Resultados

1. Implementación

Con el fin de construir las antenas deseñadas, se utiliza tinta conductora la cual contiene li-madura de plata. El objetivo es generar las pistas sobre el vidrio, utilizándolo como sustrato.La tinta utilizada tiene una resistencia eléctrica R < 0,02 Ω

mil2 . La conductividad de las pistasrealizadas con la tinta de plata se comprobó en DC mediante un multimetro digital. La re-sistencia total de la antena de TDT en DC fue de R = 9,6Ω, y para la antena multibanda deR = 18Ω. Las antenas construidas se muestran en la Figura 4.1

Para la alimentación de estas antenas, se construyeron una línea en microcintas con un co-nector SMA de chasis. Estas líneas se conectan a las antenas y el plano de tierra se conecta alchasis del carro, el cuál funciona como plano de tierra de estas antenas. El conector SMA seconecta por medio de un cable de Z0 = 50Ω a el analizador vectorial de redes portatil ZVH8de la marca Rohde & Schwarz. Con esto se comprueba el acople de las antenas.El molde utilizado para imprimir las pistas de las antenas con la tinta conductora se realizamediante un ploter de corte sobre papel adhesivo de vinilo. Este corte se pega en el vidrio ysirve como base para el trazado de las pistas con la tinta conductora. Este proceso se muestraen la Figura 4.2.

Una vez completada el proceso de impresión de las pistas de la antena sobre el vidrio seprocede a interconectar la antena con la linea de MS que sirve de alimentación. Para esteproceso se suelda una linea de cobre a la línea de MS y esta a su vez se suelda a la pistaconductora generada en el vidrio. Adicionalmente en la antena de TDT, se realiza la conexiónde la las quasi-mangas al plano conductor de la línea MS igualmente con soldadura de estaño.Con este proceso se culmina la construcción de las antenas en el vehículo. Este proceso semuestra en la Figura 4.3

38

CAPÍTULO 4. RESULTADOS 39

(a) Antena de TDT (b) Antena Multibanda TDT-FM

Figura 4.1: Antenas construida en el vidro.

Figura 4.3: Conexión de la antena con la línea MS.

El resultado final se muestra en la Figura 4.4. Los paneles interiores del vehículo fueron remo-vidos con el fin de retirar las ventanas para que el proceso de construcción fuera simplificado.

(a) (b) (c)

Figura 4.2: Proceso de construcción de la antena


La impresión de las pistas requería que el vidrio se ubicara en forma horizontal, para evitarque por gravedad la limadura de plata contenida en la tinta conductora por su mayor peso seconcentrara en la parte inferior de la pista. De esta manera se asegura mayor uniformidad enla conductividad de las diferentes pistas de las antenas.

Figura 4.4: Antena de TDT sobre el Vehículo.

2. Plataforma de Medición

Con el fin de realizar las medidas en el vehículo de la mejor manera posible, se utilizo unespacio en el que se tenían mas de 3 metros a la redonda sin obstáculos. Este espacio semuestra en la Figura 4.5. De esta manera se reduce el impacto de diferentes estructuras en lasantenas. Adicionalmente, y con el fin de que el modelo computacional fuera lo más cercanoposible a la implementación real, se realizo la medición con todas las puertas del vehículocerradas.

Ya que por el tamaño del vehículo, no era posible realizar pruebas indoor, para la medicióndel S11 de las antenas, se conectó el analizador vectorial de redes portátil ZVH8 de la marcaRohde & Schwarz. En la Figura 4.6, se muestra la plataforma de medición utilizada. En estase conectan las antenas al analizador utilizando un cable de bajas perdidas. El analizador secalibro utilizando el kit de calibración para un puerto FSH-Z28 el cual permite calibrar elequipo entre DC y 8 GHz. La calibración se realizo satisfactoriamente tomando en cuenta lalongitud del cable entre 100kHz y 1GHz. Este rango de frecuencias se escogió debido a que


Figura 4.5: Espacio para realizar la medición.

permite apreciar el comportamiento en impedancia de la antena en las diferentes bandas deinterés ( AM, FM, TDT).

La plataforma de medición requerida para lograr una apropiada medición del patrón de radia-ción de las diferentes antenas del proyecto requeriría una cámara Anecoica de unas dimen-siones superiores a cualquiera de las cámaras anecoicas existentes en el país. Adicionalmentese requiere de un tornamesa dentro de la cámara Anecoica para rotar el vehículo y ver elcomportamiento de la antena en todos los ángulos. Debido a esto no se realizaron medidas depatrón de radiación de la antena.

3. Antena de TDT

Utilizando la plataforma de medición anteriormente descrita, se procede a hacer la mediciónde la antena diseñada para la banda de TDT. La medición realizada sobre esta antena semuestra en la Figura 4.7. En esta figura se muestra la comparación del S11 de la antenasimulada utilizando el modelo simplificado, el S11 de la antena simulada con el modelosobre el vehículo y de la medición de la antena construida sobre el vidrio en el vehículo. Lamedición muestra una alta similitud con la antena simulada. El ancho de banda es superioren la medición que en la simulación, por lo que la antena puede ser utilizada en la aplicaciónrequerida.

4. Antena Multibanda para TDT y FM

La implementación de la antena multibanda se realizo de la misma manera que la de la antenade la TDT. En este caso el tamaño de la antena fue superior por lo que se requirió de un área


Figura 4.6: Plataforma de medición.

Figura 4.7: Resultado de la medición comparado con la simulación de la antena de TDT.


mucho mayor en el vidrio. En este caso no se tuvo una máquina lo suficientemente poderosapara poder realizar la simulación de la antena montada sobre le vehículo. Se realizó un unintento sin éxito utilizando tres computadores trabajando al mismo tiempo con Ansoft HFSS,con las siguientes especificaciones.

• Computador 1

– Procesador AMD Phenom 9500 Quad-Core 2.2GHz

– Memoria RAM 8 GB

• Computador 2

– Procesador Intel Core I3 Dual 3.3GHz


• Computador 3

– Procesador Intel Core I5 Dual 2.3GHz


Debido a que en el caso de la antena de TDT, se mostró que el modelo simplificado tiene unasimilitud importante con respecto al modelo en el vehículo, se acepta el resultado arrojadopor el modelo simplificado. En la figura 4.8 se muestra buen acuerdo entre la simulación y lamedición. El acople en las distintas bandas es menor en la medición que en la simulación.


Figura 4.8: S11 Medición Vs Simulación.

Capítulo 5

Conclusiones

En el presente proyecto se diseño una antena para funcionar en la banda de TDT. En esta sedemostraron conceptos de miniaturización por aprovechamiento del espacio y se demostraronlas capacidades de la inclusión de quasi-mangas a los lados del monopolo para mejorar elacople de la antena en un ancho de banda mayor. La simulación muestra buen acuerdo conla medición, mostrando que el modelo computacional generado sobre el vidrio es suficientepara realizar el diseño de la antena.En el caso de la antena multibanda montada sobre el modelo del vehículo, la complejidad delos cálculos no permitió que se llegara a una convergencia adecuada. Para mejorar esto, serequiere un computador con especificaciones muy superiores.Adicionalmente se diseño una antena multibanda plana de ventana en un vehículo Aveo GTIEmotion. Esta antena tiene las características de ancho de banda aceptable. La medición yla simulación muestran un desfase en la banda de FM, la cual se atribuye al hecho de queen la banda de FM la longitud de onda de las señales recibidas es comparable en tamaño alas dimensiones del vehículo y por esta razón a estas frecuencias el vehículo no se comportacomo un plano de tierra ideal. Adicionalmente las partes metálicas internas del vehículo aestas frecuencias tienen un tamaño considerable con respecto a la longitud de onda y por estarazón pueden afectar el comportamiento de la antena. Esta antena se montó sobre el modelocomputacional del vehículo, pero los resultados arrojados no fueron acertados, debido a quelos requerimientos de convergencia para la simulación, tuvieron que ser bajados, debido aque la memoria de los tres computadores en los que se realizó dicha simulación no permitíarequerimientos superiores.Se demostró que se puede realizar una antena multibanda, como función de varias antenasunidas diseñadas al mismo tiempo teniendo en cuenta los efectos de acoplamiento.El chasis del vehículo funcionó como un plano de tierra para la antena del sistema. El apropia-do modelo de las diferentes partes que componen el sistema condujo a que el diseño apoyadocon simulación fuera acertado.La tinta de cobre demostró ser utilizable en altas frecuencias.El modelo simplificado sobre el vidrio presenta una buena aproximación para el diseño. La

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CAPÍTULO 5. CONCLUSIONES 46

simulación sobre el modelo vehicular de la antena de TDT fue imprecisa debido a la comple-jidad de los cálculos requeridos por el PC.

Agradecimientos

El autor desea agradecer especialmente al Ingeniero Carlos Iván Páez, Director del presentetrabajo de investigación, por todo el esfuerzo, apoyo, dedicación y conocimientos brindadosal proyecto realizado. Así mismo, a la Pontificia Universidad Javeriana por el apoyo perma-nente para concluir satisfactoriamente el presente proyecto.

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diseño, evaluación y construcción de una antena de

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