Beam Footprints

Uno de los requerimientos de diseño de las antenas de satélite es la ganancia mínima sobre una determinada área de cobertura. Los diagramas de radiación vistos en el espacio angular son distorsionados al realizar las proyecciones sobre la superficie terrestre. La representación del contorno del diagrama de radiación sobre mapas de la tierra son conocidos como beam footprints .

Las coordenadas  y  utilizadas en el diagrama de radiación pueden ser traducidas a la longitud y latitud terrestres para determinar el beam footprint sobre la tierra.

Si suponemos que el nadir del satélite está situado a una longitud aº y a 0º de latitud debemos utilizar las siguientes expresiones:

Una vez conocidos estos ángulos auxiliares, podemos calcular las coordenadas de un punto P de la superficie de la tierra con longitud  y latitud  en función de las coordenadas del diagrama  y :

Cuando el nadir del satélite no está sobre el ecuador la transformación viene dada por:

donde b es la latitud del nadir del satélite y a su longitud.

Cable coaxial

El cable coaxial fue creado en la década de los 30, y es un cable utilizado para transportarseñales eléctricas de alta frecuencia que posee dos conductores concéntricos, uno central, llamado vivo, encargado de llevar la información, y uno exterior, de aspecto tubular, llamado malla o blindaje, que sirve como referencia de tierra y retorno de las corrientes. Entre ambos se encuentra una capa aislante llamada dieléctrico, de cuyas características dependerá principalmente la calidad del cable. Todo el conjunto suele estar protegido por una cubierta aislante.

El conductor central puede estar constituido por un alambre sólido o por varios hilos retorcidos de cobre; mientras que el exterior puede ser una malla trenzada, una lámina enrollada o un tubo corrugado de cobre o aluminio. En este último caso resultará un cable semirrígido.

Debido a la necesidad de manejar frecuencias cada vez más altas y a la digitalización de las transmisiones, en años recientes se ha sustituido paulatinamente el uso del cable coaxial por el de fibra óptica, en particular para distancias superiores a varios kilómetros, porque elancho de banda de esta última es muy superior.

La construcción de cables coaxiales varía mucho. La elección del diseño afecta al tamaño, flexibilidad y el cable pierde propiedades.

Un cable coaxial consta de un núcleo de hilo de cobre rodeado por un aislante, un apantallamiento de metal trenzado y una cubierta externa.

El apantallamiento tiene que ver con el trenzado o malla de metal (u otro material) que rodea los cables.

El apantallamiento protege los datos que se transmiten, absorbiendo el ruido, de forma que no pasa por el cable y no existe distorsión de datos. Al cable que contiene una lámina aislante y una capa de apantallamiento de metal trenzado se le llama cable apantallado doble. Para grandes interferencias, existe el apantallamiento cuádruple. Este apantallamiento consiste en dos láminas aislantes, y dos capas de apantallamiento de metal trenzado.

El núcleo de un cable coaxial transporta señales electrónicas que forman la información. Este núcleo puede ser sólido (normalmente de cobre) o de hilos.

Rodeando al núcleo existe una capa aislante dieléctrica que la separa de la malla de hilo. La malla de hilo trenzada actúa como masa, y protege al núcleo del ruido eléctrico y de la distorsión que proviene de los hilos adyacentes.

El núcleo y la malla deben estar separados uno del otro. Si llegaran a tocarse, se produciría un cortocircuito, y el ruido o las señalesque se encuentren perdidas en la malla, atravesarían el hilo de cobre.

Un cortocircuito ocurre cuando dos hilos o un hilo y una tierra se ponen en contacto. Este contacto causa un flujo directo de corriente (o datos) en un camino no deseado.

En el caso de una instalación eléctrica común, un cortocircuito causará el chispazo y el fundido del fusible o del interruptor automático. Con dispositivos electrónicos que utilizan bajos voltajes, el efecto es menor, y casi no se detecta. Estos cortocircuitos de bajo voltajecausan un fallo en el dispositivo y lo normal es que se pierdan los datos que se estaban transfiriendo.

Una cubierta exterior no conductora (normalmente hecha de goma, teflón o plástico) rodea todo el cable, para evitar las posibles descargas eléctricas.

El cable coaxial es más resistente a interferencias y atenuación que el cable de par trenzado, por esto hubo un tiempo que fue el más usado.

La malla de hilos absorbe las señales electrónicas perdidas, de forma que no afecten a los datos que se envían a través del cable interno. Por esta razón, el cable coaxial es una buena opción para grandes distancias y para soportar de forma fiable grandes cantidades de datos con un sistema sencillo.

En los cables coaxiales los campos debidos a las corrientes que circulan por el interno y externo se anulan mutuamente.

La característica principal de la familia RG-58 es el núcleo central de cobre. Tipos:

- RG-58/U: Núcleo de cobre sólido.

- RG-58 A/U: Núcleo de hilos trenzados.

- RG-59: Transmisión en banda ancha (TV).

- RG-6: Mayor diámetro que el RG-59 y considerado para frecuencias más altas que este, pero también utilizado para transmisiones debanda ancha.

- RG-62: Redes ARCnet.

Antena TT&C. Antena de telemetría, seguimiento y telecomando

Introducción.

La telemetría, el seguimiento y el telecomando, son servicios clave para el correcto funcionamiento de los satélites de comunicaciones.

La telemetría, es necesaria para monitorizar y evaluar el estado de funcionamiento y las prestaciones del satélite, así como de suministrar a los sistemas de la estación terrena, la información suficiente para realizar operaciones rutinarias y de diagnóstico de fallos.

El sistema de seguimiento, proporciona información sobre la posición angular y orbital del satélite, de modo que en la estación terrena se sepa en todo momento su evolución.

El servicio de telecomando, permite el ajuste de funciones que no están automatizadas en el satélite, y que no podrían realizarse.

La antena TT&C provee loas operaciones de seguimiento, telecomando y telemetría durante todas las fases de la misión desde la separación del vehículo de lanzamiento. La antena TT&C está diseñada para:

• Recibir las funciones de telecomando desde estaciones terrenas.


• Transmitir datos de telemetría desde el satélite a las estaciones terrenas.

• Emitir una señal de seguimiento que permita el apuntamiento del satélite desde las estaciones terrenas.


• Transmitir y recibir señales de seguimiento.

Una antena omnidireccional y polarizada circularmente permite la recepción continua de las señales de telecomando en cualquier operación de la misión. Para un satélite con estabilización spin un diagrama toroidal (omnidireccional en el plano perpendicular al eje de spin del satélite) proporcionará al satélite de un enlace para telemetría prácticamente en todas las direcciones. Para un satélite con estabilización de triple spin, se utiliza normalmente un haz de tipo cardioide para mantener una cobertura continua durante todas las maniobras desde la fase de transferencia a la de aparcamiento.

Tipos de antenas.

Aunque un gran número de antenas se han diseñado para generar un diagrama de radiación no direccional, pocas se adaptan a las necesidades de una satélite, donde el diseño esta determinado por el peso, la complejidad o la capacidad de adaptación que puedan tener a la hora de ser situadas en el satélite.

En un satélite con estabilización de spin la posición ideal de la antena TT&C es el cuerpo cilíndrico del satélite. Un array circular es una buena elección debido a las restricciones de posicionamiento y a la omnidireccionalidad requerida. También se puede optar por emplear una antena bicónica, que situada en una posición óptima minimiza la dispersión y reduce el bloqueo de otras antenas.

El haz de tipo cardioide se obtiene mediante una antena con forma de aro ranurada. El diagrama se puede conseguir usando una estructurada multianillo de ranuras en una guía cilíndrica o acoplando un reflector cónico a la guía onda circular.

El array circular.

El array circular permite obtener un diagrama de radiación omnidireccional en el plano del array. Los parámetros que rigen su diseño son el número de elementos, los elementos radiantes y el sistema de alimentación.

En concreto, el número de elementos determina en que medida el diagrama de radiación se aproxima al omnidireccional. Así, el mínimo número de elementos se toma de forma que se fija un valor máximo para el rizado del diagrama de radiación en términos de amplitud.

La evaluación de dicho rizado se define como la relación entre el máximo valor de amplitud del diagrama de radiación y el valor mínimo.

El valor de la fluctuación es función del tamaño del circulo y del número de elementos del array, y considerando los dos tipos de elementos radiantes utilizados normalmente, se demuestra que para fluctuaciones por debajo de 1 dB, la fluctuación es independiente del diagrama de radiación de los radiadores elementales. Esto se puede observar en la gráfica adjunta donde se representa la máxima fluctuación en función del número de elementos y el tamaño del cilindro.

En concreto los dos tipos de elementos radiantes comúnmente utilizados son la ranura axial (a) y la ranura azimutal (b).

Por último un ejemplo de este tipo de antena puede ser un array de 64 elementos, montado sobre un cilindro de 1.91 metros de diámetro y 1.63 metros de altura, diseñado para trabajar con un ancho de banda del 40 % en banda S. Con una separación entre elementos de 0.7l .

Fluctuación de amplitud:

Diagrama de radiación:

Bocina bicónica.

La bocina bicónica gracias a su simetría puede producir un diagrama omnidireccional en el plano azimutal. Los modos más bajos, el transversal electromagnético TEM, y el modo transversal eléctrico TE₀₁, son excitados para generar respectivamente ondas polarizadas vertical y horizontalmente. Utilizando las propiedades de las distintas constantes de fase de estos dos modos se obtiene una onda polarizada circularmente.

La ganancia de la bocina se calcula mediante las siguientes aproximaciones:

G_dB=10log(2a/l ) - L_e para el modo TEM

G_dB=10log(2a/l ) - (L_h + 0.91) para el modo TE₀₁

Donde L_e y L_h son factores de corrección, y a el diámetro de las bocinas.

Por último hay que indicar que el diagrama de radiación en elevación se obtiene de las curvas universales para los modos TEM y TE₀₁ de una apertura.

Antena reflector de cilindro ranurado.

Este tipo de antena permite obtener un diagrama de radiación de tipo cardioide, que como se ha indicado minimiza el scattering. La antena consiste en un anillo de ranuras situado al final de una guía onda circular y un reflector, como podemos ver en la imagen.

El diseño de la antena se divide en dos partes. La primera se centra en la parte externa, se intenta determinar la excitación de las ranuras y el ángulo del reflector cónico, con el fin de no solo obtener el diagrama cardioide, sino también obtener un patrón adecuado en el plano de elevación.

La segunda parte del diseño se centra en el interior de la guía, su fin es establecer como se ha de excitar el modo fundamental TE11 con el fin de obtener la excitación necesaria en las ranuras y reducir el coeficiente de onda estacionaria.

Diagrama de radiación tipo cardioide

Antenas de cobertura terrestre

Probablemente las antenas más comunes en los satélites son aquellas que tienen un diagrama con una directividad tal que sobre toda la superficie de la tierra vista desde el satélite se reciba la misma señal. Estas antenas son conocidas como antenas de cobertura terrestre (Earth-Coverage Antennas) y son de varios tipos, desde simples dipolos hasta antenas de bocina o antenas de lentes. Para altitudes pequeñas se suelen utilizar dipolos, ya que el ángulo sólido subtendido por la tierra es grande, mientras que para alturas mayores se utilizan bocinas que tienen un ancho de haz menor. En la figura de la derecha se aprecia el diagrama que debería tener una antena de cobertura terrestre.

El diagrama de radiación debe compensar dos efectos :

• Las pérdidas producidas por la diferencias de caminos R.
• Lás pérdidas producidas por la atenuación atmosférica A.

Las pérdidas por atenuación atmosférica son despreciables para frecuencias por debajo de 5 GHz, para frecuencias superiores a 10 GHz las pérdidas atmosféricas comienzan a ser significativas.

El diagrama de radiación deseado debe compensar los cambios en R y A, por lo tanto debe cumplir la siguiente expresión :

fuera del ángulo que cubre a la tierra el diagrama de radiación debería ser 0 como se observa en la figura.

Para determinar A() observamos la figura de abajo y vemos que La, la longitud del camino a través de la atmósfera terrestre viene dado por :

donde se ha supuesto que Ro/ha>>1 y 

Por lo tanto la atenuación en la atmósfera vendrá dada por:

Donde Ao es la atenuación sufrida cuando =90º

Nos queda relacionar  y  para obtener R. Se obtiene :

Donde:

En el caso de satélites geoestacionarios la mayor ganancia obtenible teóricamente con una antena de cobertura terrestre es de 24dB, en la práctica esta ganacia se reduce a unos 20dB.

Lentes

Las lentes, al igual que los reflectores son un método para conseguir grandes superficies radiantes con campos en fase. El principio de funcionamiento de las lentes consiste en hacer viajar la radiación por un medio que iguale los caminos eléctricos y produzca un frente de onda plano a partir de uno esférico. Las lentes no tienen bloqueo de la apertura por el alimentador, como ocurre en los reflectores, pero tienen pérdidas por reflexiones en las superfies y son relatívamente pesadas y voluminosas. La principal ventaja de las lentes frente a los reflectores parabólicos es que la capacidad de exploración por desplazamiento del alimentador fuera del foco es mayor.

A las frecuencias de microondas los medios naturales homogéneos siempre tienen un índice de refracción n>1, es decir, una velocidad de fase menor que la de la luz en el vacío. Esto provoca que las lentes tengan que ser convexas.Sin embargo se pueden conseguir medios artificiales en los que n<1, en concreto se utilizan guías de onda para realizar lentes cóncavas.

PARÁMETROS DE DISEÑO

Los parámetros de diseño son los siguientes :

Tipo de lentes

Las lentes más usadas en aplicaciones de satélites son las de guías de onda, TEM y dieléctricas. Las lentes de guías de onda están limitadas a anchos de banda estrechos debido a que son medios dispersivos. Las lentes TEM tienen un ancho de banda mayor, pero son más pesadas. Las lentes dieléctricas son las más pesadas de todas y de mayor ancho de banda. En altas frecuencias, donde el tamaño de las lentes es menor las lentes dieléctricas son un candidato viable. Normalmente se suelen utilizar lentes escalonadas (Zoned lenses) por ser menos pesadas y voluminosas. Las lentes dieléctricas reducen su ancho de banda al ser escalonadas, mientras que las lentes de guías de onda escalonadas mejoran su ancho de banda.

El ancho de banda para una lente de guía de onda escalonada viene dado por :

donde Kz es el número de zonas y no es el índice de refracción de la guía de onda.

El ancho de banda para una lente dieléctrica escalonada viene dado por:

Tamaño

El tamaño de una lente viene determinado por su relación foco-diámetro (f/D). El diámetro viene determinado por los requerimientos de ganancia y ancho de haz. Cuanto mayor sea la distancia focal(f), mejor capacidad de exploración por desplazamiento del alimentador.

Tolerancias de las superficies

Las deformaciones de las superficie son debidas a las tolerancias de fabricación y a los efectos térmicos en el espacio. Las desviaciones de la superficie de la lente respecto a su forma ideal puede causar pérdidas de ganancia y una degradación del diagrama de radiación. La deformación de la superficie de la lente se traduce en errores de fase del campo en la apertura. La tolerancia permisible en una primera aproximación puede ser relacionada con las máximas irregularidades de fase permisibles en la apertura formada por la lente. Si se toma un error máximo de fase de se puede demostrar que el error máximo de anchura permisible en la lente viene dado por:

Lentes Cóncavas	Lentes Convexas

En general los efectos de la deformación de la superficie en la ganancia, los lóbulos secundarios y la polarización cruzada deben ser analizados de una forma más rigurosa. El diagrama de radiación puede ser obtenido con mayor precisión integrando la distribución de campo en la apertura una vez que los detalles de los errores de fase son conocidos. Las especificaciones de las tolerancias de las superficies deben ser estudiadas en todos los casos posibles para ser contrastadas con los requerimientos del sistema.

Desadaptación en las superficies

Para diseñar una buena antena de lente es necesario adaptar la superficie de la lente para reducir los efectos de las reflexiones. Las técnicas de adaptación son las mismas utilizadas en microondas, pero adaptadas a lentes. Se utilizan tres técnicas de adaptación:

1. Adaptación con capa de cuarto de onda.
2. Transformador de impedancias con múltiples capas de cuarto de onda
3. Placas de dieléctrico artificial de cuarto de onda

La primera técnica proporciona adaptación a una sola frecuencia, mientras que las otras dos proporcionan un mayor ancho de banda. Los problemas con la primera y segunda técnica son la falta de materiales con el índice de refracción adecuado y las dificultades de fabricación. La tercera técnica requiere que la superficie del dieléctrico esté ranurada para dar el efecto equivalente de adaptación.