Wideband Planar Monopole Antennas for the Brazilian Digital TV System

Transcrição

1 Wideband Planar Monopole Antennas for the Brazilian Digital TV System M. B. Perotoni, M. S. Vieira, E. T. C. dos Santos and S. E. Barbin Abstract This paper presents the design, construction and measurements (both at device and system level) of two different planar monopole antennas for the use in the receiving site of a Brazilian Digital TV System, operating in Ultra-High Frequency Range. The design goals were towards low cost, robustness and small volume antennas, for indoor applications and with good performance in terms of return loss within the frequency band. The antennas were designed and optimized using a full wave electromagnetic solver and had their performance compared to an ordinary wire monopole. The scattering parameters were simulated and measured as well as their performance when connected to a digital TV tuner and to a spectrum analyzer, in a dense urban indoor environment was evaluated, as well. Keywords Antennas, Digital TV, Monopole Antennas. 1 I. INTRODUÇÃO SISTEMA brasileiro de TV Digital (denominado O SBTVD-T) é baseado no sistema japonês (ISDB-T) [1], ocupando a faixa de frequências entre 479 MHz e 773 MHz, correspondendo aos canais entre 44 e 59 da faixa de UHF. No momento da redação desse artigo, existem 18 canais transmitindo sinal de TV digital na cidade de São Paulo. Para uma antena operar em toda faixa de SBTVD-T a banda necessária é de 47%, uma especificação relativamente complexa, considerando-se a banda como a faixa onde o coeficiente de reflexão tem módulo inferior a 10 db. Além disso, a antena receptora é geralmente usada em ambientes fechados, estando sujeita a obstáculos tais como paredes, estruturas metálicas, etc. Assim, o ambiente no qual a antena está inserida acaba por influenciar sobremaneira o desempenho da mesma, sendo dificilmente de conhecimento prévio na fase de projeto. A antena candidata ideal para este tipo e faixa de frequência é a antena filamentar. Contudo, simulações preliminares e análises teóricas mostraram que a banda obtida dificilmente seria suficiente para uso no sistema SBTVD-T. Investigações posteriores apontaram para monopolos planares, que além da extensa banda de operação possuem facilidade de construção aliada a baixo custo [2]. Monopolos planos nos formatos de disco e elípse foram propostos e obtiveram bandas da ordem de 1:10 na faixa de 1 GHz [3]. Um monopolo quadrado obteve uma banda de 90 a 770 MHz, para cobrir o sistema japonês de TV Digital [4]. Monopolos planares também tem sido utilizados como elementos radiantes em sistemas de operação M. B. Perotoni, Universidade Federal do ABC (UFABC), Santo André, SP, Brasil, marcelo.perotoni@ufabc.edu.br M. S. Vieira, Universidade Presbiteriana Mackenzie, São Paulo, SP, Brasil, marcos.vieira@mackenzie.br E. T. C. dos Santos, Universidade Presbiteriana Mackenzie, São Paulo, SP, Brasil, etcsantos@mackenzie.br S. E. Barbin, Universidade de São Paulo, São Paulo, SP, Brasil, barbin@usp.br em faixa ultra-larga (UWB ultra wideband), operando na faixa de 3.3 GHz a 10 GHz [5]. Este artigo cobre o projeto, construção e testes de monopolos planares, juntamente com comparações de desempenho com um monopolo simples filamentar, usado como referência. O artigo é dividido nas seções a seguir: A seção II cobre o projeto usando um simulador eletromagnético de campo tridimensional; a seção III analisa as medidas de RF realizadas com um analisador de rede e a seção IV cobre a medida da potência recebida em cada canal de TV pelas antenas, usando um analisador de espectro. Foi avaliada também a conexão das antenas a um sintonizador de TV Digital conectado a um receptor, de maneira a verificar a qualidade de imagem do sistema completo. As conclusões tecem comentários finais sobre as antenas projetadas e seus respectivos desempenhos. II. PROJETO As simulações foram realizadas com o programa de simulação eletromagnética 3D CST Microwave Studio [6], usando especificamente o solver transiente (T) como método para a otimização. A convergência final foi comparada com o solver domínio frequência (F), do mesmo CST. Devido ao fato de que o problema é inerentemente de banda larga, o solver T apresenta vantagens considerando o tempo de simulação, em comparação com o solver F que demanda um tempo mais longo para a mesma estrutura [6]. O projeto iniciou com um monopolo planar retangular; seu comprimento (l) foi escolhido de maneira similar a um monopolo. Sucessivas otimizações envolveram também a largura (w) bem como a distância do elemento ao plano terra (h). A Fig. 1 apresenta a geometria básica detalhando a alimentação coaxial utilizada. Foi utilizado na simulação um plano de terra quadrado finito de 200 mm de lado e um modelo de conector coaxial tipo N. A metalização foi considerada na simulação como folha (espessura nula) de maneira a encurtar o tempo de simulação. A Fig. 2 ilustra a respectiva magnitude do coeficiente de reflexão computada (S 11 ) para ambos solvers transiente e frequência. Uma vez que dois métodos computacionais distintos associados a duas malhas diferentes (malha hexaédrica para o solver T e tetraédrica para o solver F) foram empregados e resultaram em respostas semelhantes, o modelo virtual, pode ser considerado consistente. O solver T realizou a avaliação em 46 segundos e consumiu um máximo de 44,5 Mbytes ao passo que o solver F necessitou de 6,5 minutos e requereu 650 Mbytes, em um notebook com 4 GBytes de memória, com processador dualcore de 1,6 GHz.

2 (a) (b) Figura 1. (a) Antena monopolo retangular planar. As dimensões finais foram w=140 mm, l=174 mm e h=6 mm. (b) Detalhes da alimentação coaxial. Figura 3. Variação do parâmetro h visto na Carta de Smith. A faixa de frequência se extende de 300 MHz a 1 GHz. Após o projeto da antena foram avaliadas formas de estender a banda. A estratégia adotada foi arredondar progressivamente os cantos de 90 da antena retangular original (operação denominada blend no software CST), assim a geometria se tornou gradualmente circular. Durante o processo foi verificado que conforme a área física diminuia devido a operação blend o tamanho físico da antena tinha que ser aumentado para compensar o deslocamento da frequência de ressonância para valores mais elevados. Enquanto a antena original possuía l = 174 mm a antena monopolo circular foi otimizada com dimensão l= 212,4 mm, ao passo que a respectiva distância plano terra foi verificado como tendo valor ótimo h=3 mm. A Fig. 4 mostra a comparação do S 11 entre as duas antenas, visualizada na carta de Smith. Figura 2. Parâmetro S 11 em db para a antena da Fig.1, com dois diferentes solvers. Na fase de projeto foi identificada uma forte sensibilidade do parâmetro S 11 à variável h, distância do monopolo ao plano terra. A Fig. 3 ilustra a sensibilidade de S 11 `a altura h, visualizado na carta de Smith. Pode ser verificado que poucos milímetros de diferença de h resultam em significativas diferenças na impedância. Figura 4. Variação da impedância com h. A faixa de frequência se extende de 300 MHz a 1 GHz.

3 Finalmente, para efeitos de comparação, a Fig. 5 ilustra a magnitude do coeficiente de reflexão simulada para as três antenas: os monopolos planares retangular e circular juntamente com a antena filamentar. Nota-se um grande aumento da largura da faixa obtido com a antena de geometria circular. (b) Figura 5. Parâmetro S 11 em db simulado para as três antenas. III. ENSAIOS E MEDIÇÕES As antenas foram construídas sobre uma base quadrada (plano terra) de 200 mm de lado, com os monopolos sendo cortados a partir de uma placa de FR4 de 0,8 mm de espessura, com cobre em ambos os lados, conforme apresentado na Fig. 6. Os protótipos iniciais foram construídos a partir dos monpolos cortados de folha de cobre de espessura de 0,02 mm. Contudo a despeito da melhor performance elétrica (em termos de S 11 ) os mesmos eram menos estáveis mecanicamente em comparação com os construídos em FR4. O parâmetro S 11 medido para os protótipos é apresentado na Fig. 7. As diferenças entre as medidas e simulações podem ser atribuídas ao processo de montagem, em particular com relação à altura h do monopolo ao plano terra, conforme a Fig. 1, que tornou-se extremamente difícil de manter de acordo com o projetado. Na prática, os valores de h medidos foram 1,1 mm para o monopolo circular e 0,9 mm para o retangular, diferentes do previsto nos projeto computacionais. Figura 6. Antenas construídas, (a) antena filamentar de referência; monopolos planares circular (b) e retangular (c). (c) Figura 7. Parâmetro S 11 em db medido para as três antenas. A tabela I sintetiza o desempenho medido para as antenas. Foram considerados para fins de banda os limites de frequência onde S 11 é menor que -10 db. O monopolo filamentar, usado como referência, teve sua perda de retorno pior que 10 db na frequência de ressonância e, portanto, não foi incluído na Tabela I. (a)

4 Monopolo TABELA I. COMPARAÇÃO DE DESEMPENHO. Banda[MHz] Banda total [MHz] Banda fracionária Retangular ,65 Circular ,7 IV. OPERAÇÃO EM UM SISTEMA DE TV DIGITAL Nos ensaios as antenas foram conectadas a um analisador de espectro Agilent N1996A. O Sistema Brasileiro de TV Digital aloca a cada canal uma banda de 6 MHz [6]. Como a densidade de potência ao longo desta faixa não é constante, por diferentes motivos entre os quais o multipercurso, o analisador de espectro faz uma média dentro de sua respectiva faixa. As antenas foram posicionadas em um pedestal de 1,5 m de altura [7], com os testes sendo efetuados no Laboratório de TV Digital da Escola de Engenharia da Universidade Mackenzie, localizada na área central da cidade de São Paulo (coordenadas 23 32'51"S 46 39'2"W). No mesmo laboratório, há um transmissor experimental usando a frequência de 749,143 MHz, canal denominado de TV Mackenzie, que em função do sinal de alta amplitude no local foi ignorado. A Tabela II mostra as respectivas medidas de potência para cada canal com cada antena. TABELA II. POTÊNCIA RECEBIDA POR CANAL. Freq. Estação Potência -Antena [dbm] central (nome) [MHz] Retang. Fio Circ. 479,143 Mega TV HD -71,1-71,0-70,4 491,143 Rede Gazeta -60,4-64,8-60,5 497,143 Rede Globo -55,4-58,9-56,3 509,143 Rede Record -57,4-58,5-57,8 521,143 Rede 21-63,5-64,0-61,8 527,143 Rede Bandeirantes -55,6-63,1-55,4 533,143 TV Cultura -64,2-67,2-64,2 557,143 SBT -65,6-66,4-65,4 563,143 Rede TV! -64,8-67,8-65,3 575,143 MTV Brasil -65,3-68,3-64,7 623,143 Rede Vida -60,0-66,8-60,1 635,143 TV Aparecida -58,7-63,1-56,1 647,143 Record News -68,5-70,8-68,9 671,143 NGT -68,0-71,1-66,1 683,143 Terra Viva -64,7-68,2-62,8 755,143 TV Camara -68,3-70,6-68,6 767,143 TV Brasil -67,3-69,0-67,2 773,143 TV Justica -68,8-70,5-71,2 Para a próxima avaliação cada antena foi conectada a um receptor de TV digital com sua saída ligada a um monitor de TV. O receptor de TV digital possuía uma sensibilidade nominal de 77 dbm. A Tabela III ilustra o número de canais (do total de 18) que apresentaram imagens e recepção perfeitas. Para o ensaio, foi arbitrado um intervalo de tempo de 15 segundos, de maneira a detectar eventuais falhas na imagem. Os problemas detectados foram basicamente recepção impossível (devido a canal não sintonizado) ou então nível de ruído elevado, inviabilizando completamente a recepção. TABELA III. CANAIS RECEBIDOS PERFEITAMENTE POR ANTENA. Monopolo Número de canais com imagem e recepção perfeita Retangular 14 Circular 15 Filamentar 13 Ressalta-se que nenhum dos canais, para as três antenas, obteve potência menor que o nível de sensibilidade do sintonizador de TV Digital, a despeito de vários canais não apresentarem recepção alguma. Esse fato reforça a suposição de que o número de multipercursos pode ser elevado para esses canais, fazendo com que a demodulação fique comprometida com baixos níveis de relação sinal-ruído. A Fig. 8 ilustra o espectro de potência recebido para duas estações, usando a antena monopolo circular, onde o efeito de multipercursos pode ser visualizado no nível de densidade de potência não constante na banda alocada. Isso significa que desempenhos de antenas ainda melhores, em termos de magnitde do coeficiente de reflexão ou mesmo ganho, não estariam diretamente garantindo um número maior de canais com recepção perfeita, em função do ambiente de recepção urbano e fechado no caso em questão. Figura 8. Potência medida (em dbm) para dois diferentes canais.

5 V. CONCLUSÕES Este trabalho descreveu o projeto, a construção e apresentou medidas de duas antenas para o serviço de TV Digital Brasileiro. Monopolos planares, em função da facilidade de construção, baixo custo e operação em bandalarga, foram avaliados e comparados com um monopolo filamentar. Os dois monopolos planares apresentaram um desempenho superior ao do monopolo filamentar, tanto em termos de magnitude do coeficiente de reflexão quanto ao número de canais recebidos sem falhas. Os testes também evidenciaram uma forte presença de efeitos de multipercurso nos canais recebidos, o que degradou a recepção. Silvio Ernesto Barbin, (M 1974, SM 2001) nasceu em Campinas, SP - Brasil em 04 de maio de Graduou-se em Engenharia Elétrica pela EPUSP - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo em 1974 tendo obtido o mestrado e o doutorado pela mesma instituição. Foi pesquisador visitante da Universidade da Califórnia em Los Angeles, CA e professor pesquisador da Universidade do Novo México em Albuquerque, NM, nos Estados Unidos.Trabalhou nos laboratórios da AEG Telefunken por aproximadamente 4 anos em Backnang e Ulm na Alemanha e por 9 anos em São Paulo, SP Brasil. Foi diretor técnico da Microline Multiplexadores de RF. Recentemente, foi professor visitante da University of New Mexico, NM com bolsa CAPES/Fulbright. Atualmente é Professor do Departamento de Engenharia de Telecomunicações e Controle da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. REFERÊNCIAS [1] L.G.P. Meloni, Return channel for the Brazilian digital television system-terrestrial, Journal of the Brazilian Computer Society,vol.12, Mar. 2007, pp [2] Z.N. Chen, M.Y.W. Chia,, Broadband Planar Antennas: Design and Applications, John Wiley & Sons, [3] N.P. Agrawall, G. Kumar, K.P.Ray, Wide-Band Planar Monopole Antennas, IEEE Transactions in Antennas and Propagation, vol.46, Nr. 2, Feb. 1998, pp [4] M.J.Amman, Square Planar Monopole Antenna, 1999 IEE National Conference on Antennas and Propagation, pp [5] H. Schantz, The Art and Science of Ultra-Wideband Antennas, ed. Artech House, [6] CST MICROWAVE STUDIO version 2013 [7] Motoyama R.E., Proposal of a Reception Test Procedure for a Digital TV reception with an indoor antenna, Mackenzie University dissertation thesis (in Portuguese), Marcelo Bender Perotoni nasceu em Porto Alegre, RS, em 1971.Graduou-se em Engenharia Elétrica pela UFRGS, Porto Alegre, em Obteve os graus de Mestre (2001) e Doutor (2005) em Engenharia Elétrica pela Escola Politécnica da USP, São Paulo, SP. Foi pesquisador visitante da Universidade do Colorado, Boulder, Estados Unidos, em Fez estágio de pós-doutorado no Instituto TEMF, Darmstadt, Alemanha, Atualmente é professor do CECS/UFABC, em Santo André, SP. Marcos S. Vieira nasceu em São Paulo - SP, em Concluiu o nível Técnico em Eletrônica na ETE - Getulio Vargas (1990). Graduou-se em Engenharia Elétrica pela UMC, Mogi das Cruzes - SP (1996). Obteve o grau de Mestre pela Universidade Presbiteriana Mackenzie (2004), e atualmente está no Programa de Doutorado em Engenharia na Escola Politécnica da USP, São Paulo - SP (Término previsto ). Trabalhou quatro anos como técnico eletrônico na Varig, e nove anos com Engenharia de Rádio Frequência na Ericsson Telecomunicações. Atualmente é professor da EE - Universidade Presbiteriana Mackenzie, em São Paulo - SP Edson Tafeli Carneiro dos Santos nasceu em São Paulo, SP, em Graduou-se em Engenharia Elétrica pela Faculdade de Engenharia Industrial FEI, São Bernardo do Campo, em Obteve o grau de Mestre em Engeharia Elétrica pela Universidade Mackenzie (2007) e cursa o doutorado na mesma instituição desde Atua como professor da Escola de Engenharia Mackenzie desde 1999 e da Faculdade de Engenharia Mauá desde 2012, além de pesquisador no Laboratório de TV Digital da Universidade Mackenzie.