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PROPUESTA DE ANTENA DE BANDA ANCHA CON ADAPTADOR

DESBALANCEADO PARA LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE

Article · September 2018

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Tuan Ernesto Cordoví Rodríguez

Empresa de Antenas VC

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PROPUESTA DE ANTENA DE BANDA ANCHA CON ADAPTADOR

DESBALANCEADO PARA LA TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE

Tuan Ernesto Cordoví Rodríguez

2, David Beltrán Casanova

2, Roberto Jiménez Hernández

3

1Antenas VC, Cuba, Carretera Central No. 536-A Esquina a Tirso Díaz, Santa Clara, Villa Clara, Cuba

2Fac. de Ing. Eléctrica, Universidad Central "Marta Abreu" de las Villas (UCLV), Santa Clara, V.C, Cuba

3Fac. de Ing. Eléctrica, Universidad Central "Marta Abreu" de las Villas (UCLV), Santa Clara, V.C, Cuba

1dbeltranc@uclv.edu.cu

2tuan@antenasvc.co.cu

3jimenez@uclv.edu.cu

RESUMEN

El presente trabajo está encaminado en el diseño de antenas con su respectivo baluns y redes adaptadoras de

impedancias acoplados para la banda de UHF de Televisión Digital Terrestre (TDT). Debido a los nuevos

cambios tecnológicos en los que está inmersa la televisión en el país es interés de la Empresa Antenas de Villa

Clara participar en estas transformaciones. Existen pocas investigaciones que aborden estas temáticas y que

ofrezcan soluciones económicamente factibles y ventajosas a la constante demanda de la población en cuanto a

la sustitución de la antigua línea bifilar de 300 Ω por el popular cable coaxial de 75 Ω, problema que se

presenta comúnmente en estos días en cualquier hogar, institución o empresa. Para dar cumplimiento al

propósito de este trabajo se analizaron varios documentos con los que se pudieron estudiar las características

de las antenas con sus respectivos baluns para un posterior diseño con el software CST MICROWAVE STUDIO

2018. Luego de los cálculos teóricos y las simulaciones de una antena de banda ancha con diferentes tipos de

balun, llegado a un diseño optimizado y obtenido los parámetros deseados para esta banda, fueron construidos

los prototipos y realizadas las mediciones pertinentes. Tanto los parámetros típicos de la antena como los

parámetros de calidad de la recepción de la TDT se mantuvieron dentro de los márgenes de aceptación con las

diversas versiones de balun utilizadas.

PALABRAS CLAVES: Antena, balun, cable coaxial, microcinta, ROE, nivel de potencia

PROPOSAL OF BROADBAND ANTENNA WITH UNBALANCED ADAPTER FOR

DIGITAL TERRESTRIAL TELEVISION

ABSTRACT

The present work is aimed at the design of antennas with their respective baluns and adapted impedance

adapter networks for the UHF band of Digital Terrestrial Television (DTT). Due to the new technological

changes in which television is immersed in the country, it is in the interest of the Villa Clara Antennas de

Company to participate in these transformations. There is little research that addresses these issues and that

offer economically feasible and advantageous solutions to the constant demand of the population regarding the

replacement of the old 300 Ω bifilar line by the popular 75 Ω coaxial cable, a problem that commonly occurs in

these days in any home, institution or company. To fulfill the purpose of this work, several documents were

analyzed with which the characteristics of the antennas with their respective baluns could be studied for a later

design with the CST MICROWAVE STUDIO 2018 software. After the theoretical calculations and the

simulations of an antenna broadband with different types of balun, arrived at an optimized design and obtained

the desired parameters for this band, the prototypes were built and the relevant measurements were made. Both

the typical parameters of the antenna and the quality parameters of DTT reception were kept within the

acceptance margins with the different versions of balun used.

KEY WORDS: Antenna, balun, coaxial cable, microstrip, ROE, power level

1. INTRODUCCIÓN

2

A partir de la introducción de la Televisión Digital en Cuba, ha sido preciso utilizar antenas que sean capaces

de cubrir, fundamentalmente, la banda de TV Digital para los canales del 14 al 52 de UHF [1]. Muchas antenas

anteriormente existentes y muchas que se han estado comercializando presentan diferencia con respecto a la

impedancia de entrada de la línea de transmisión (o bajante) a emplear, se hace necesaria la construcción de

baluns que permita optimizar la máxima transferencia de potencia recibida por las antenas y acoplar las señales

de TDT para evitar insatisfacciones en los usuarios.

El creciente uso de la banda de UHF para la comunicación ha causado interés en la Antena Reflector

Esquinado. Esta antena posee buen ancho de banda que permite cubrir toda la banda de UHF de TDT, con una

ROE relativamente baja que favorece una buena adaptación de impedancia para línea bifilar de 300 Ω. Estas

características son fundamentales para su selección como antena de referencia para realizar las pruebas con los

baluns propuestos. No existe hasta el momento estudios y diseños de antenas con impedancia de 300 Ω que

permita el empleo de líneas de cable coaxial de 75 Ω utilizados como bajantes.

Considerando lo establecido anteriormente conduce como problemática la sustitución de la línea bifilar por la

línea coaxial en la antena con impedancia de 300 Ω.

2. BALUN

Un balun es un circuito que transforma una entrada desbalanceada a salidas balanceadas o viceversa. Es un

transformador de impedancia que puede producir dos niveles de señal diferentes con una diferencia de fase de

. El propósito de un balun es permitir la conexión de una línea de alimentación coaxial (línea de

alimentación desbalanceada) a una antena balanceada. Por otra parte, el patrón de radiación de la antena

cambia si las corrientes en el elemento accionado de una antena balanceada no son iguales y opuestas. Debido

a eso, las antenas requieren alimentación balanceada. Los baluns de línea se emplean para anchos de bandas

estrechos a diferencia del balun de ferrita para banda ancha mostrados en la Fig. 1. Pueden proveer

transformaciones de impedancia como 4:1 (de 300 Ω a 75 Ω en TV) [2] [3] [4]. Dentro de los clásicos balun

transformadores de impedancia existen varios tipos: para la alimentación de la antena exterior de 300 Ω a

través de cable coaxial de 75 Ω, para conexión de la cinta bifilar de 300 Ω en la entrada de antena, de 75 Ω, en

el equipo receptor de TV (“cachimba”) y no dejar de mencionar los que se utilizan para pruebas en laboratorios

y mediciones experimentales en el terreno los cuales poseen menor pérdidas y mayor ancho de banda que los

baluns clásicos

(a) (b)

(c)

Figura 1: Ejemplos de baluns transformadores de ferrita: (a) para su conexión en la antena exterior de 300 Ω (b)

para su conexión en la entrada de 75 Ω en el equito de TV (“cachimba”) y (c) para usos en laboratorios

3

Balun de línea de media longitud de onda

Pueden ser construidos dispositivos que proporcionan no sólo un equilibrio sino también transformaciones de

impedancia. Uno de tales dispositivos es el balun de línea de /2 (Fig. 2), con una transformación de

impedancia de 4:1. La sección en forma de U de la línea coaxial debe ser /2 de largo [5]. Este balun emplea

una línea de media longitud de onda, esta se conecta entre los dos terminales de la línea balanceada, forzando

los potenciales a tierra para que sean iguales y opuestos a la frecuencia de diseño. Se obtiene una relación de

impedancia balanceada a desbalanceada de 4 a 1. En trabajo solo se consideran los baluns de línea de cable

coaxial y de línea de microcinta por ser los más económicos, de fácil fabricación y con el objetivo de valorar su

desempeño [6].

(a) (b)

Figura 2: Ejemplos de balun de media longitud de onda: (a) de cable coaxial y (b) de PCB (Printed Circuit

Board, o Placa Circuito Impreso)

3. DISEÑO DE BALUN DE LÍNEA DE MEDIA LONGITUD DE ONDA

Para la realización de los diseños de los baluns se consideró todo lo relacionado con su teoría consultada. Los

mismos a pesar de estar diseñados para una frecuencia central de operación, pueden mantener buen desempeño

en toda la banda de UHF de TV. Los baluns de líneas de transmisión son muy utilizados en antenas de TV de

fabricantes bien reconocidos.

Diseño y análisis del balun de línea de transmisión de λ/2 con cable coaxial

El software CST Microwave Studio fue la herramienta escogida para el diseño y simulación del balun de línea

de /2 con cable coaxial (Fig. 3).

.

Figura 3: Balun de línea de λ/2 con cable coaxial

Se comenzó usando una herramienta proporcionada por el software CST Microwave Studio muy útil para

realizar el diseño de diversas estructuras, específicamente en este caso la del cable coaxial, esta herramienta es

4

Impedance Calculation (Fig. 4). La misma permite el barrido paramétrico de las variables fundamentales del

cable coaxial hasta lograr la mayor exactitud y con similitud del cable coaxial del tipo RG-6 de 75 Ω, que es el

que se usó en la construcción del balun. Una vez logrados estos parámetros entonces esta herramienta genera

por sí sola las variables a usar en la simulación.

En el cálculo de la impedancia característica del cable coaxial cabe destacar que constante dieléctrica del

núcleo aislante entre los dos conductores, el externo y el interno no se especifica en las hojas de datos

consultadas. Solamente se da como dato la velocidad de propagación de la onda radioeléctrica en el cable

coaxial en el modo TEM, con núcleo aislante de espuma de polietileno que en este caso es de 83% o 0.83. A

través de la ecuación √ ⁄ se despeja la constante dieléctrica =1.45. [7]

Considerando la longitud del tramo en U se tuvo en cuenta las variables que fueron generadas como

parámetros constructivos con la herramienta Impedance Calculation.

Figura 4: Herramienta de cálculo Impedance Calculation para el cálculo de línea del cable coaxial

Mediante la simulación se obtuvieron resultados satisfactorios de acuerdo a lo que se desea lograr con este

balun. Estos resultados se muestran en la Fig. 5.

La ROE alcanza valores entre 1 y 2 en casi toda la banda, excepto en un pequeño tramo en las altas frecuencias

en el que toma un valor de 2,18 el cual se considera aceptable.

Las pérdidas por retorno se encuentran entre los -44,7 dB y -8,5 dB lo con valores muy aceptables para su

posterior inserción en antenas de UHF para la TDT.

(a) (b)

Figura 5: Comportamiento del balun de cable coaxial propuesto: (a) ROE y (b) pérdidas por retorno

5

Diseño y análisis del balun de línea de λ/2 de microcinta

La línea de microcinta se compone de una tira estrecha y un plano de tierra infinito ambos separados por un

material dieléctrico. La impedancia característica de la línea depende de la anchura de la tira, junto con la

altura y la constante dieléctrica del sustrato [7].

Fig. 5: Balun media longitud de onda con microcinta

Para el diseño del balun de microcinta (Fig. 5) se usó la herramienta proporcionada por el software CST

Microwave Studio antes mencionada muy útil para realizar el diseño, ver Fig. 6. La misma permite mejorar los

parámetros fundamentales de la línea para un mejor desempeño del diseño propuesto, que es el que se va a usar

en la construcción del balun posteriormente. Una vez logrados estos parámetros entonces esta herramienta

genera las variables a usar en la simulación.

Fig. 6: Herramienta de cálculo Impedance Calculation para el cálculo de línea microstrip

Mediante la simulación se obtuvieron resultados satisfactorios, los cuales se muestran en la Fig. 7. En la misma

se puede observar una ROE por debajo de 1,7 en casi la totalidad de la banda, excepto en las frecuencias a

partir de 675 MHz que toma valores considerables, pero menores que 2, que es lo que se requiere para la TDT.

Las pérdidas por retorno alcanzan valores por debajo de los -10 dB en toda la banda.

6

(a) (b)

Figura 7: Comportamiento del balun de microcinta propuesto: (a) ROE y (b) pérdidas por retorno

4. ANÁLISIS DEL COMPORTAMIENTO DE LOS BALUNS PROPUESTOS

Balun de línea coaxial de media longitud de onda con Reflector Esquinado

Una vez obtenidos el diseño y los resultados de las simulaciones de la antena Reflector Esquinado y de los

baluns de línea de λ/2 con cable coaxial y microcinta en CST-MS, se usa CST Design Studio 2018 y la

herramienta SAM (System Assembly and Modeling) donde cada elemento se convierte en un bloque

independiente, los cuales se unen mediante un conector. (Fig. 8 y 10). Posteriormente se obtienen los

resultados de los parámetros de mayor interés del nuevo diseño integrado.

Figura 8: Antena Reflector Esquinado con balun de media longitud de onda de coaxial acoplado

Como se observa se obtuvieron buenos resultados, la ROE alcanza un valor máximo de 1,9, estando por debajo

de 2 en toda la banda, que es lo requerido por la TDT como se ha estado mencionando anteriormente (Fig. 9a).

Las pérdidas por retorno alcanzan su mejor comportamiento a los 547 MHz con un valor de -31,56 dB, por

debajo de los -10 dB (Fig. 9b).

(a) (b)

Figura 9: Comportamiento de la antena con el balun de coaxial acoplado: (a) ROE y (b) pérdidas por retorno

7

Balun de línea de media longitud de onda con microcinta con el Reflector Esquinado

Una vez obtenidos el diseño y los resultados de las simulaciones de la antena Reflector Esquinado y de los

baluns de línea de λ/2 con microcinta en CST-MS, se usa la herramienta SAM (System Assembly and

Modeling) (Fig. 8 y 10).

Figura 10: Antena Reflector Esquinado con balun de media longitud de onda de microcinta acoplado

Al analizar las gráficas de la Fig. 11 se observa el buen desempeño en cuanto a ROE y Pérdidas por retorno de

la antena Reflector Esquinado con el balun de microcinta acoplado, alcanzándose una ROE por debajo de 2,

tomando como valores más altos 1,73 y 1.81 a las frecuencias de 470 y 698 MHz respectivamente.

Los valores de Pérdidas por retorno se mantienen por debajo de los -10 dB en toda la banda.

(a) (b)

Figura 11: Comportamiento de la antena con el balun de microcinta acoplado: (a) ROE y (b) pérdidas por

retorno

5. RESULTADOS Y ANÁLISIS EN LAS MEDICIONES DE LOS PARAMETROS

CARACTERISTICOS DE ANTENAS

A continuación, se presentan todas las mediciones realizadas en la Antena de Reflector Esquinado propuesta

con las diversas soluciones de baluns de línea de trasmisión acoplados: tanto de cable coaxial como de

microcinta para la banda de UHF de la TDT.

Mediciones de parámetros radioeléctricos de la antena con los baluns prototipo propuestos

Se muestran dos versiones del prototipo de antena preparado para efectuar mediciones, que incluyen los baluns

diseñados, los cuales se muestran en la Fig. 12 y 13.

En este informe se excluye el balun de transformador de ferrita para usos en laboratorios, pero se tiene en

consideración en algunas mediciones realizadas como objeto de referencia para la posterior comparación.

8

(a) (b)

Figura 12: Antena Reflector Esquinado optimizado, (a) con balun de línea coaxial de λ/2, (b) con balun de

microcinta

(a) (b)

Figura 13: Baluns prototipos construidos: (a) balun de línea coaxial de λ/2, (b) balun de microcinta

ROE y Pérdidas por Retorno medidas

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 Fig. 14 se muestran los resultados de las pérdidas por

retorno obtenidos con el analizador de espectro DSA8853T.

9

Figura 14: Mediciones de pérdidas por retorno con el Analizador de Espectro DSA8853-T: (a) con balun de

cable coaxial de λ/2 y (b) con balun de microcinta

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

solo ofrecen lecturas de las pérdidas por retorno. Es por ello que para calcular la ROE de la antena se

determina el módulo del coeficiente de reflexión | | a partir de la medición de las pérdidas por retorno. Las

lecturas de las pérdidas por retorno ofrecidas por el analizador de espectro DSA8853T y las simulaciones en

CST-MS generan un listado de valores en función de la frecuencia. Utilizando MATLAB se compararon los

valores de ROE medidas y simuladas en la antena (Fig. 15). La antena con las dos variantes de baluns posee

buen desempeño en cuanto a la adaptación de impedancia en las bandas de frecuencia para la cual fueron

diseñadas debido a que poseen una ROE< 2.

10

Figura 15: Comparación gráfica entre ROE medida y simulada: (a) con balun de cable coaxial de λ/2 y (b) con

balun de microcinta

6. MEDICIONES DE SEÑAL EN ZONAS DE BAJA COBERTURA

Las localidades escogidas para las mediciones de la señal de la TDT fueron los poblados de Cifuentes, Sagua la

Grande e Isabela de Sagua en la provincia de Villa Clara. Se escogieron estos sitios debido a que su recorrido

es por la misma carretera y está comprendida dentro de la zona de baja cobertura según los mapas de

intensidad de campo simulado en el software EMLAB enviada por la empresa RADIOCUBA. A medida que se

alejaba el vehículo del transmisor la potencia recibida se va atenuando gradualmente, por lo que en estas

localidades pueden existir dificultades para la recepción del canal 32 de HD de Santa Clara.

Validación de las antenas exteriores a través de los parámetros de calidad de la recepción de la TDT en

zonas de baja cobertura de la provincia de Villa Clara

A continuación, se muestran los resultados de las mediciones realizadas con el analizador de TDT S7000 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 Fig. 16 se muestra el esquema para las mediciones

realizadas en el terreno.

11

Figura 16: Esquema del sistema para mediciones de parámetros de calidad de la recepción de la TDT

Las mediciones se realizaron en Sagua La Grande e Isabela de Sagua, debido a la lejanía de la misma con

respecto al transmisor con el fin de analizar el comportamiento de las antenas exteriores a una distancia del

transmisor aproximada de 40 km. 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 parámetros de calidad de la TDT se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1: Mediciones de parámetros de calidad realizadas con la antena prototipo en algunas localidades de

Villa Clara en 581 MHz

Prototipo con balun de microcinta Prototipo con balun de línea de cable

coaxial de λ/2

Pot. (dBm) MER* (dB) BER* Pot. (dBm) MER* (dB) BER*

Cifuentes -53,8 >30 -55,3 >30

S. La

Grande -64,3 25,2 -63,7 25,8

I. de Sagua -67,2 23,7 -66,8 24,2

La razón de error en la modulación, MER es la razón entre la magnitud del símbolo promedio y la magnitud

del error promedio para el símbolo que normalmente se expresa en dB. Es la equivalente a la relación señal a

ruido (S/N) pero en la modulación. La mayoría de los receptores actuales decodifican correctamente la señal

con un MER > 20 dB con una modulación de 64QAM. El valor mínimo aconsejable para la MER en una

antena es de 23 dB. Este parámetro puede alterase por las señales multitrayecto, interferencias y ruidos

provocados por el hombre entre otros [8]

La razón de error de bit (BER) indica el fallo en la recepción y debe siempre estar por debajo de . O

sea, solo puede haber como máximo un bit erróneo cada 20 000 bit decodificados por el receptor, de lo

contrario la imagen se “pixela” [8].

Las mediciones anteriores con la antena prototipo fueron realizadas con el balun de PCB incorporado del tipo

microcinta y con el balun de línea de cable coaxial de λ/2. Los resultados obtenidos justifican la utilización de

la antena en lugares relativamente alejados del transmisor, fundamentalmente aquellos que transmiten en UHF.

Según los parámetros medidos y ofrecidos por la antena Reflector Esquinado, estos son aceptables en todos los

poblados por lo que constituye una solución para la recepción del canal 32 de HD en estas localidades.

7. VALORACIÓN ECONÓMICA

El costo económico luego de fabricar la antena Reflector Esquinado Cuadrado asciende en su totalidad a 14

CUC, y para la fabricación de balun de microcinta, en este caso, es de 0,45 CUC teniendo en cuenta el costo

del material FR-4 empleado. Muchos de los componentes o materiales de la antena no presentan un valor

monetario apreciable ya que son en este caso representan materiales reciclados. El costo total para la

fabricación de la antena con su balun acoplado es de $ 14,45 CUC.

12

8. CONCLUSIONES

Luego de construidos los prototipos y como resultado de las validaciones a través de parámetros de calidad en

la recepción de la señal de la TDT se determinó que la antena Reflector Esquinado posee un comportamiento

destacable en lugares muy alejados del transmisor donde la potencia recibida es relativamente baja o cercana al

umbral de recepción. A través del análisis de los resultados se demostró que el balun de línea coaxial presenta

mejores resultados que el balun de microcinta, aunque este último constituye una propuesta muy ventajosa por

ser de tamaño pequeño y fácil instalación.

Se recomienda que los diseños propuestos sean utilizados como referencia por la industria cubana para la

fabricación de antenas para la recepción de la TDT en Cuba.

RECONOCIMIENTOS

La Empresa de Antenas de Villa Clara desea agradecer a los profesores y estudiantes de la Facultad de

Eléctrica de la Universidad central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV) y a la Comisión de Televisión Digital

reportada por la Dirección General Comunicaciones del Ministerio de las Comunicaciones por las experiencias

profesionales brindadas para la realización de este trabajo.

REFERENCIAS

1. VALLE, A.E.D., Cuba, la televisión que viene. Juventud Rebelde, 2009: p. 5.

2. JIMENEZ, R., Fundamentos de la Ingeniería Electromagnética. 2011, Santa Clara.

3. ARROS, O.P. and M.N. GUTIÉRREZ, Diseño de un Balun de microcinta a línea de cinta coplanar para la

banda de televisión digital. Revista Telemática, 2016. 15(2): p. 40-51.

4. MILLIGAN, T.A., Modern antenna design. 2005: John Wiley & Sons.

5. BALANIS, C.A., Antenna Theory. Analysis and Design. 3 ed. 2005: John Wiley & Sons, Inc. 7.

6. JOHN, L.V. and L. VOLAKIS, Antenna engineering handbook. McGraw-Hill, Toronto, 2007.

7. D. M. Pozar, Microwave Engineering, Tramsmission Lines Waveguides, pp. 143–149, 2005

8. R. ALVARIÑO, Manual de Buenas Prácticas Cadena de Recepción, G. d. C. d. Servicio and d. T. D.

Terrestre, Eds., ed: Cadena de Recepción, 2009, pp. 23-26.

SOBRE LOS AUTORES

Tuan E. Cordoví Rodríguez. Master en Telemática. Graduado de Ingeniero en Telecomunicaciones y

Electrónica en el año 2010 en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV). Se desempeña

como Especialista Principal del Dpto. I+D+i de la Empresa de Antenas de Villa Clara. Correo:

tcordovi@gmail.com, Teléfonos: 042 291364, +53 58497783.

David Beltrán Casanova. Graduado en la Facultad de Ingeniería Eléctrica en la UCLV en el año 1991, Máster

en Telecomunicaciones en el año 1996. Jefe de la Disciplina Sistemas de Radiocomunicaciones en

Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones de la UCLV.

Roberto Jiménez Hernández. Profesor Titular, Consultante y de Mérito, Doctor en Ciencias Técnicas.

Graduado en la Facultad de Ingeniería Eléctrica en noviembre de 1964 en la Universidad Central “Marta

Abreu” de Las Villas en la Especialidad de Telecomunicaciones. Graduado de Doctor en Ciencias Técnicas en

la especialidad de Radiocomunicaciones (Ph. D.) en el Instituto Nacional de Investigaciones de Radio de

Moscú en junio de 1979 en el tema “Investigación de los parámetros eléctricos de las antenas lineales para

radiodifusión y radiocomunicaciones”.

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