Resumen sobre antenas parabolica

SATÉLITES GEOESTACIONARIOSEs un satélite artificial, situado a una determinada distancia de la superficie terrestre (concretamente del Ecuador) y a la misma velocidad de rotación que la Tierra (una vuelta en 24 horas), de forma que permanece estacionario con respecto al mismo punto de la Tierra y es visible para bastante superficie de la misma.

DISTANCIA DEL SATÉLITE A LA TIERRALos satélites geoestacionarios están situados en el plano del Ecuador terrestre, por tanto están en órbita ecuatorial, y giran en el mismo sentido y a la misma velocidad angular que la Tierra. Para cumplir este requisito, la distancia a la que se ha de colocar el satélite sobre el Ecuador de la Tierra es de 35806 Km.

BANDAS DE FRECUENCIAS UTILIZADASLas frecuencias utilizadas en los satélites están comprendidas en las bandas "C" y "Ku" de microondas.
Dentro de las bandas "C" y "Ku", para el enlace descendente se utiliza la gama de frecuencias de los 4GHz en banda C y los 12GHz en banda Ku.

ENLACES ASCENDENTES Y DESCENDENTESLas señales llegan al satélite desde la estación en tierra por lo que se llama "Haz ascendente" y se envían a la tierra desde el satélite por el "Haz descendente".
Para evitar interferencias entre los dos haces, las frecuencias de ambos son distintas. Las frecuencias del haz ascendente son mayores que las del haz descendente, debido a que a mayor frecuencia se produce mayor atenuación en el recorrido de la señal, y por tanto hay que transmitir con más potencia, y en la tierra se disponen de ella.

Para evitar que los canales próximos del haz descendente se interfieran entre sí, se utilizan polarizaciones distintas.En el interior del satélite, existe un bloque denominado Transceptores que tienen como misión recibir, cambiar y transmitir las frecuencias del satélite.

SATÉLITES DE TV QUE SE VEN EN ESPAÑASe reciben varios satélites de TV, entre ellos, los más populares en la actualidad son el español HISPASAT y los satélites ASTRA europeos.

Además están entre otros: EUTELSAT, INTELSAT, TELECOM, OLIMPUS, PANAMSAT, GORIZONT...Cada satélite está situado en una posición geoestacionaria concreta.

En el caso de los ASTRA, su posición es de 19.2º Este, y para el HISPASAT es de 31º Oeste (aunque está colocado a 30º Oeste). Ambos requieren conversores de parábola distintos, lo cual implica que son necesarios dos antenas para recibir los dos satélites.
ZONA DE COBERTURA DE LOS SATÉLITESEs la superficie de la Tierra delimitada por un contorno de densidad de flujo de potencia (potencia/m2) constante, que permite obtener la calidad deseada de recepción en ausencia de interferencias.
La zona de cobertura debe ser el área más pequeña que cubre la zona de servicio.
La zona de cobertura se representa en los mapas como "Huella" de potencia del satélite en cuestión. La huella de potencia viene definida de acuerdo a la anchura del haz de la antena transmisora del satélite. Como el satélite está en el ecuador, la huella tendrá en principio forma ovoidal.

ORIENTACIÓN Y MONTAJE DE UNA ANTENA PARABÓLICADepende del tipo concreto de antena, aunque el cálculo de los parámetros para su orientación es muy similar, y los conceptos son iguales en todos los tipos.

TIPOS DE ANTENAS PARABÓLICASLas más importantes son:
- Foco primario.
- OFFSET.
- Cassegrain.
- Antena plana.
Este tipo de antena tiene la característica fundamental de que las ondas que inciden en la superficie de la antena, dentro de un ángulo determinado, se reflejan e inciden en un punto denominado Foco (a excepción de la antena plana). Allí se colocará el detector correspondiente.
a) Antena parabólica de foco primario:
La superficie de la antena es un paraboloide de revolución.
Todas las ondas inciden paralelamente al eje principal se reflejan y van a parar al Foco. El Foco está centrado en el paraboloide.
Tiene un rendimiento máximo del 60% aproximadamente, es decir, de toda la energía que llega a la superficie de la antena, el 60% llega al foco y se aprovecha, el resto no llega al foco y se pierde.
Se suelen ver de tamaño grande, aproximadamente de 1,5 m de diámetro.
b) Antena parabólica OFFSET:
Este tipo de antena se obtiene recortando de grandes antenas parabólicas de forma esférica. Tienen el Foco desplazado hacia abajo, de tal forma que queda fuera de la superficie de la antena. Debido a esto, el rendimiento es algo mayor que en la de Foco primario, y llega a ser de un 70% o algo más.
El diagrama de directividad tiene forma de óvalo.
Las ondas que llegan a la antena, se reflejan, algunas se dirigen al foco, y el resto se pierde.
c) Antena parabólica Cassegrain:
Es similar a la de Foco Primario, sólo que tiene dos reflectores; el mayor apunta al lugar de recepción, y las ondas al chocar, se reflejan y van al Foco donde está el reflector menor; al chocar las ondas, van al Foco último, donde estará colocado el detector.
Se suelen utilizar en antenas muy grandes, donde es difícil llegar al Foco para el mantenimiento de la antena.
d) Antenas planas:
Se están utilizando mucho actualmente para la recepción de los satélites de alta potencia (DBS), como el Hispasat.
Este tipo de antena no requiere un apuntamiento al satélite tan preciso, aunque lógicamente hay que orientarlas hacia el satélite determinado.

HUELLA DE POTENCIA DE UN SATÉLITEEn una huella de potencia se indica la potencia con que emite el satélite hacia esa zona en concreto, expresándola en dBW (decibelios por vatio).

dBW = 10 log Ps / 1WSiendo Ps la potencia de salida del satélite expresada en vatios.
Esto es lo que se denomina PIRE (Potencia Isotrópica Radiada Equivalente) del satélite.
En los mapas de la huella de potencia o zonas de cobertura, se indica el valor del PIRE en dBW. Con este dato, se puede calcular la instalación receptora adecuada a cada lugar de recepción.

Los satélites de TV se clasifican básicamente en tres tipos:

- Satélites de baja potencia Ps<30w.- Satélite de mediana potencia DTH (Direct To Home) con Ps = 30 a 100w.
- Satélites de alta potencia DBS (Direct Broadcasting Satellite) con Ps>100w.

CÁLCULO DE ACIMUT, ELEVACIÓN Y DESPLAZAMIENTO DE POLARIZACIÓNEl ángulo de error para recibir adecuadamente el satélite es muy pequeño, del orden de 0,2º. Por ese motivo, para recibir la señal correctamente, hay que mover un poco la antena hasta encontrar el satélite con el máximo nivel de señal.
Para la orientación de una antena, hay que tener en cuenta la situación geográfica del lugar de recepción y la situación del satélite.
El Ecuador divide la Tierra en el hemisferio Norte y el hemisferio Sur, y el meridiano de Greenwich divide la Tierra en Este y Oeste.
Las divisiones paralelas al Ecuador se denominan Paralelos, y el ángulo considerado se llama Latitud, bien Norte o bien Sur, según sea del hemisferio Norte o del hemisferio Sur.
Las divisiones alrededor de Greenwich se denominan Meridianos, y el ángulo considerado se llama Longitud, bien Este o bien Oeste.
El Acimut (o azimut) es el ángulo horizontal al que hay que girar la antena, desde el polo Norte terrestre hasta encontrar el satélite. A veces se indica este ángulo con relación al polo Sur.

La Elevación es el ángulo al que hay que elevar la antena desde el horizonte para localizar el satélite en cuestión.El desplazamiento de la polarización es el ángulo al que hay que girar el conversor de la antena para que la polarización horizontal y vertical incidan perfectamente en el conversor. En el caso de los satélites DBS, debido al uso de polarización circular, no es necesario este parámetro.
Loa ángulos de Acimut, Elevación y desplazamiento de la polaridad, se pueden determinar básicamente de tres formas:
a) Mediante cálculo matemático.
b) Mediante tablas o gráficos realizados para cada satélite y cada país.
c) Mediante ábaco realizado por las expresiones del apartado a).
Para instalar la antena se utiliza una brújula, que indica el polo Norte magnético, que tiene un error respecto al polo Norte geográfico. Por tanto habrá que tenerlo en cuenta y corregirlo; a dicho error se le denomina Declinación magnética, y es distinta para cada lugar e incluso para cada año.
En el caso de España, este ángulo es de unos 5 a 6º hacia la derecha en la Península, en Baleares y Canarias es de 1,5º aproximadamente.

ORIENTACIÓN DE LA ANTENA DE MONTAJE AZ - ELSe puede sujetar al suelo o algún elemento resistente.
Tienen dos movimientos de rotación, coincidentes con el Acimut y la Elevación.
Como los cálculos de Acimut y Elevación ya se han realizado previamente, sólo hay que orientar la antena. Para ello, se utilizan dos instrumentos:
- Brújula para medir el Acimut.
- Inclinómetro para medir la Elevación; también se mide el desplazamiento de la polarización.
Con la Brújula ajustamos el valor del Acimut al calculado en el apartado anterior, incluyendo la declinación magnética del receptor.
Para la Elevación se utiliza el inclinómetro que es un medidor de inclinación. Como el inclinómetro se coloca en la superficie de la antena, lo que realmente se mide es el ángulo complementario.
A continuación se ajusta el desplazamiento de la polaridad al valor calculado
Para el ajuste con el inclinómetro, se suele colocar una regla recta en los extremos de la superficie de la parábola para obtener un plano recto y fiable.
Para el ajuste con la brújula, no se debe acercar mucho a superficies metálicas, pues daría un error al medir, ya que la brújula se desorienta.
Una vez orientada la antena, se procede a medir, con un medidor de campo adecuado, el nivel de señal que se recibe, y se reajusta la antena para obtener el máximo nivel de señal.

ORIENTACIÓN DE LA ANTENA OFFSETTodo es igual que en el apartado anterior, a excepción de la elevación, ya que el Offset indica un ángulo de inclinación que ya dispone la antena.
En España, el ángulo de Offset de las antenas suele ser de unos 25º, y éste es un dato suministrado por el fabricante de la antena.
Este tipo de antenas, son de menor tamaño que las de Foco Primario al tener mayor rendimiento. Su ajuste es menos delicado que las de foco primario al ser de menor superficie y tener un haz algo más ancho.

ORIENTACIÓN DE LA ANTENA DE MONTAJE POLAREste tipo de antenas se utiliza cuando queremos recibir varios satélites. Permite de forma automática (con un motor) recorrer los satélites en órbita geoestacionarias con la rotación de un sólo eje polar.
Su ajuste es más delicado y complicado y resulta más cara.
Se fabrican tanto de Foco Primario como en Offset.
Su principio de funcionamiento se basa en las antenas radiotelescópicas.
Su orientación se realiza siguiendo los pasos siguientes:
- Primero se orienta la antena hacia el polo Sur (estando en el hemisferio Norte) y se eleva un número de grados igual a la latitud del lugar de recepción.
- Se ajusta el ángulo de declinación para encontrar la órbita geoestacionaria.
Se dota a la antena de un eje polar y un eje de rotación y ajuste del Offset de declinación.

EL PROYECTO DE UNA ESTACIÓN RECEPTORA
Elementos básicos necesarios para la recepción de una señal de TV por satélite.

El equipo individual de recepción de TV por satélite puede estar compuesto por los siguientes elementos:a) Alimentador o iluminador.
b) Conversor LNB (de baja figura de ruido).
c) Unidad interior sintonizable.
d) Rotor de parábola.

e) Cable.

a) Alimentador o iluminador:Es el componente encargado de recoger y enviar hacia el guía-ondas las señales de radiofrecuencia reflejadas en la antena parabólica. Va colocado en el foco de la parábola.
Para poder discriminar entre polarización horizontal y vertical existe un elemento denominado polarizador, y discrimina la polarización según el tipo y la forma de colocarlo. Para pasar de polarización vertical a horizontal y viceversa, basta girar 90º el conjunto alimentador-polarización-conversor. En algunas instalaciones se puede disponer de un servomecanismo llamado Pola-Rotor o discriminador, que realiza el giro de 90º a distancia (desde la unidad de sintonía), mediante un selector de polaridad horizontal/vertical, que permite cambiar de posición la polaridad del alimentador.
Existen alimentadores de doble polaridad u ortomodos, que permiten disponer simultáneamente de las señales de TV por satélite en polarización vertical y horizontal. Utiliza dos guíasondas del tamaño requerido, perpendiculares entre sí; una transmite la polaridad horizontal y la otra la polaridad vertical. Se utilizan dos conversores para cada una de estas señales recibidas.
b) Conversor LNB ( de baja figura de ruido ):
La señal del haz descendente, en la banda Ku, que se refleja en la superficie de la antena parabólica, orientada al satélite determinado, concentra toda su energía en el Foco, y a través del iluminador situado en dicho punto, se introduce la señal en el amplificador previo.


La señal captada por la antena es muy débil, por la gran atenuación que sufre en el espacio desde el satélite hasta el punto de recepción y, además, por tener una frecuencia muy elevada, debe ser cambiada para evitar al receptor (sintonizador de satélite) a una frecuencia mucho más baja que se propague por el cable coaxial sin una gran atenuación (F.I = 950 Mhz a 1750 Mhz). El dispositivo encargado de ello se denomina Conversor y al ser de bajo nivel de ruido se denomina conversor de bajo nivel de ruido o LNC, que unido a un amplificador de bajo nivel de ruido o LNA y a un oscilador local, mezclador y filtro de la 1ª F.I. forma lo que se llama LNB o bloque de Bajo nivel de Ruido, que comúnmente se denomina Conversor LNB.
La alimentación del conversor se realiza a través del propio cable de señal con sus correspondientes filtros de baja frecuencia en 15 ó 20V de tensión continua.
c) Unidad interior sintonizable:
También denominada Unidad de Recepción de satélite, es la encargada de sintonizar cada uno de los canales captados por la antena.
La conexión de la antena a la Unidad interior se hace por medio de un cable coaxial de poca atenuación y buena respuesta a las frecuencias de la 1ª F.I. que comprende el margen de 950MHz a 1750MHz. La salida de la Unidad interior irá al receptor de TV o a la entrada de un videocasete según desee disponerlo el usuario, utilizando un cable coaxial normal de TV.
El cable coaxial será de 75W de impedancia.
d) Rotor de parábola:
También denominado Actuador, es el elemento encargado de colocar automáticamente la antena hacia un satélite determinado. Suele utilizarse en las antenas de montaje polar cuando de desean recibir varios satélites por la misma antena parabólica.
Proporciona el movimiento y control para que la antena pueda rastrear el arco de satélite mediante un brazo telescópico que se extiende y contrae, controlado por una unidad de control que se puede colocar cerca de la unidad de sintonía. Se necesita un sólo actuador para el seguimiento y orientación de la antena a todos los satélites geoestacionarios del cinturón de Clarke, siempre dentro de un ángulo de acimut total donde los satélites son "visibles" por la antena.
e) Cable:
El cable que conecta la antena con la unidad interior de sintonía ha de ser de buenas características, es decir, poca atenuación en el margen de frecuencias utilizado en la 1ª F.I.
Los fabricantes disponen de varios modelos de este tipo de cable para poder utilizar en la instalación, sin embargo algunos instaladores utilizan el cable normal de TV con el consiguiente aumento de la atenuación y una posible pérdida de calidad de imagen si hay muchos metros de cable.
f) Instalación en Edificio:
La instalación que se realiza en el edificio depende del número de viviendas a alimentar y de los canales necesarios a distribuir.

El eco en la TDT

Existe la creencia de que la presencia de ecos en la recepción de una señal tdt puede llegar a ser positiva debido a la suma de señales. En la práctica, y con un sistema de una sola antena, ningún eco es beneficioso.

 

 Para que lo fuese debería estar dentro del intervalo de guarda, y darse una serie de condiciones prácticamente imposibles.

Si la relación entre señal principal y eco está por debajo entre los 15-20 dB, los algoritmos de modulación permiten que su efecto no se note y que la calidad de la señal no se vea afectada. Precisamente la función de medida de ecos en los FSM y H45 ayuda a optimizar la instalación en este sentido. El diagrama de ecos es muy útil para observar degradaciones importantes en la calidad de la señal (BER -2 o -3). Estas se producen con ECOS dentro del intervalo de guarda. El intervalo de guarda es un mecanismo de la modulación digital que intenta minimizar el efecto de la recepción multitrayecto (sistema enganchado pero con una disminución de la
calidad de señal).
Su efecto es más nocivo cuanto mayor es la amplitud de dicho eco. Esa amplitud es relativa con respecto a
la señal principal. La situación ideal sería aquella donde, en el caso de existir, los ecos se mantuvieran a una distancia igual o superior a los 20 dB. Amplitudes mayores, en función de la distancia, empeoran considerablemente el BER.

Bocinas

Las antenas de bocina son unas antenas que realizan la transición desde el medio guiado, guías de onda, al espacio libre. Las bocinas se utilizan en los satélites principalmente como alimentadores de los reflectores y en algunas ocasiones se utilizan como amtenas simples cuando se requieren grandes anchos de haz. Las antenas de bocina se utilizan frecuentemente para conformar haces que den una cobertura terrestre. El ancho de haz necesario par dar cobertura a la tierra desde la órbita geoestacionaria es de 18º, que es fácilmente realizable con antenas de bocina.

Los dos tipos de bocina más utilizados son:

• Bocinas piramidales
• Bocinas cónicas

La bocina piramidal se utiliza como extensión de la guía rectangular. Estas bocinas son muy utilizadas debido a la madurez en su diseño, ya que si se conocen las dimensiones de la bocina su directividad puede ser calculada con una precisión de 0.1 dB.

La bocina cónica es la extensión natural de la guía circular y es frecuentemente utilizada. Normalmente trabaja con más de un modo de propagación. Si se combinan los modos TE11 y TM11 con valores apropiados de amplitud y fase el diagrama de radiación compuesto puede mejorar los diagramas conseguidos con fibras monomodo.

Otra variante de las bocinas son las bocinas de modos híbridos.Corrugando la pared interior de una bocina cónica se consigue que no se propaguen ni los modos TE ni los TM, sino que se crean en la bocina unos modos híbridos. Estas antenas mejoran la polarización cruzada y el nivel de los lóbulos secundarios, otra característica remarcable es que consiguen anchos de haz simétricos respecto al eje de la bocina.

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.