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Fabricación de antenas para la recepción de imágene s de satélites NOAA

Antenas para comunicaciones vía satélite

Miguel Fernández GarcíaDepartamento de Ingeniería EléctricaCampus Universitario33204 – Gijón, Asturias, Spaine-mail: [email protected]

13-17 Abril 2015Fabricación de antenas para la recepción de imágenes de satélites NOAA

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Oviedo

Extensión 2014/15

Índice� Sistema de antenas

� Influencia de los parámetros básicos de la antena en el radioenlace

� Impedancia de entrada

� Directividad

� Polarización

� Líneas de transmisión

� Antena Yagi

� Antena QHA (Quadrifilar Helix Antenna)

� Elementos opcionales

� Preamplificadores para Rx

� Amplificadores de potencia para Tx

� Downconverters

� Ejemplos de radioenlaces

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Sistema de antenas

� Dentro de la estación terrestre, el sistema de antenas es el componente más crítico decara a realizar una buena comunicación con el satélite.

� Antenas

� Líneas de transmisión (cables coaxiales o guías de onda)

� Componentes adicionales: soportes, posicionadores, preamplificadores, amplificadores depotencia, downconverters…

� La selección de la antena o del sistema de antenas a utilizar depende del satélite con elque se quiera establecer el radioenlace:

� Órbita del satélite

� Frecuencias de Tx/Rx

� Polarización

� En la mayoría de los casos, el uplink y el downlink se establecen en bandas diferentes:

� Utilización de dos antenas diferentes

� Tx/Rx adecuado

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Tx/Rx

Línea de transmisión

Sistema de antenas


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Influencia de los parámetrosde la antena:Directividad

� ¿Cómo influyen los parámetros básicos de la antena en el sistema?

� Impedancia de entrada: Si el conjunto Tx/Rx – línea de transmisión – antena no estábien adaptado, no se aprovechará toda la potencia disponible (en el Tx o la recibida desdeel satélite). Hay que garantizar un buen diseño de la antena y del sistema.

� Directividad/ganancia de la antena:

� Antenas omnidirecionales:

� Dada su baja ganancia, sólo son útiles para radioenlaces con satélites de órbita baja.

� Como ventajas, al no ser necesario el apuntamiento, no requieren un sistema deposicionamiento para seguir al satélite y son más compactas que las direccionales, a igualfrecuencia.

� Todas las antenas prácticas presentan cierto grado de directividad. Es necesario diseñar lasantenas para minimizar el efecto de posibles nulos en el diagrama de radiación, y el efectoadverso de fenómenos relacionados con la polarización.

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Influencia de los parámetrosde la antena:Directividad

� Directividad/ganancia de la antena:

� Antenas directivas:

� La principal característica de este tipo de antenas es que concentran la energía que radianen una determinada región del espacio, a expensas de radiar menos sobre el resto.

� Debido a su directividad, su uso es prácticamente obligatorio cuando se trabaja con señalesmuy débiles (satélites en órbitas alejadas). Por supuesto, también se pueden utilizar enradioenlaces con satélites de órbita baja.

� Su principal inconveniente está relacionado con su directividad: este tipo de antena tieneque estar siempre apuntando al satélite, por lo que es necesario algún mecanismo querealice esta función.

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Dirección de máxima radiación


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Influencia de los parámetrosde la antena:Polarización

� Solución: Utilizar antenas con polarización circular, al menos en el satélite, con loque se anulan los efectos de la rotación debidos al movimiento del satélite y a laatmósfera.

� Dado que toda señal con polarización circular se obtiene combinando dos señalescon polarización lineal, de igual potencia y desfasadas 90º, se puede utilizar unaantena con polarización lineal en la estación terrestre.

� Se pierden 3 dB con respecto al caso de utilizar una antena con polarización circular.

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� Las antenas se diseñan para tener polarizaciónlineal o circular.

� En el caso de utilizar antenas con polarizaciónlineal en radioenlaces terrestres, la posiciónrelativa de la antena con respecto al suelodetermina si la polarización del enlace esvertical u horizontal.

� En el caso de radioenlaces con satélites, loanterior no tiene sentido, ya que no se conocela posición relativa de las antenas del satélite.Si se utilizasen antenas con polarización lineal,se producirían desvanecimientos de maneraaleatoria:

� Cambio de la posición del satélite

� Efecto de rotación de Faraday


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Líneas de transmisión

� Las líneas de transmisión se utilizan para conectar la antena al sistema Tx/Rx.Aunque existen diferentes tecnologías, a nivel práctico se utilizan cables coaxiales oguías de onda

� Tienen una gran influencia en el rendimiento del sistema completo:

� Impedancia característica: pérdidas debidas a reflexiones

� Atenuación: parte de la potencia disponible se disipa en forma de calor debido que ni losconductores ni los aislantes son ideales.

� Impedancia característica:

� Ajustar el diseño de la antena para minimizar las pérdidas por desadaptación

� Minimización de la atenuación:

� Selección adecuada del cable, en función de la aplicación

� Minimizar la longitud del cable

� Operar el Tx/Rx en baja frecuencia y convertir la señal a la frecuencia deseada justo antes dela antena.

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AntenasDirectivasYagi

� Es una de las antenas directivas más utilizadas en las bandas de UHF y VHF:

� Alta ganancia

� Bajo coste

� Fácil de construir

� Ligera, presenta baja carga al viento.

� Presenta polarización lineal, aunque existen diversas técnicas para conseguirpolarización circular.

� Sus buenas características hacen que sea una antena muy utilizada en radioenlacesterrestres en diferentes bandas de frecuencias, desde unos 20 MHz hasta varios GHz.

� Por debajo de 20 MHz, es físicamente demasiado grande para ser práctica

� Para f>1 GHz, es difícil de ajustar y existen alternativas mejores

� Es muy común en UHF y VHF

� Se caracteriza a partir de tres parámetros eléctricos fundamentales que han de sertenidos en cuenta de forma simultánea durante el diseño. Además, es muyimportante conocer su dependencia con la frecuencia

� Ganancia

� Impedancia de entrada (determina la adaptación a las ldt)

� Relación delante-detrás

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� La directividad de la antena crece con su longitud y, por lo tanto, con el número de directores que se utilicen:

� Las configuraciones habituales incluyen un elemento reflector y uno o varios elementos directores

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� Array de dipolos, en el mismo plano y paralelos entre si.

� En su forma más básica, está formada por un dipolo(elemento activo) y un elemento parásito.

� Únicamente se alimenta el dipolo activo

� El/los elementos parásitos están cortocircuitados

� En función de la relación entre las longitudes deelemento activo y del parásito, este actuará comoreflector o director


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� Diagrama de radiación:

� La directividad depende del plano en el que se analice:

� Muy directiva en el plano horizontal (xy)

� Menos directiva en el plano vertical (yz)


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AntenasDirectivasYagiOptimización

� Ganancia teórica en función de la longitud de la antena y del número de elementos,suponiendo un diseño óptimo.

� Ejemplo: para conseguir 20 dBi de ganancia, hacen falta 31 elementos.

� A 14 MHz, λ=21,42 m. La antena mediría 214,2m. Es inviable

� A 430 MHz, λ= 0,7 m. En este caso, la antena con 31 elementos mediría en torno a 7 m.Aunque es grande, es posible fabricarla

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nº de elementos –longitud (en pies) a 14 MHz


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� El funcionamiento de la antena depende de las relaciones entre las corrientes(amplitud y fase) que se inducen en los elementos parásitos:

� Distancia de cada parásito al elemento activo

� Distancia relativa entre parásitos

� Dimensiones físicas de cada parásito: longitud y diámetro

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Reflector Activo Dir. 1 Dir. 2 Dir. 3

� Cálculo preciso mediante herramientas software de optimización

� Obtención a partir de tablas


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AntenasDirectivasYagiAlimentación

� No es conveniente alimentar un dipolodirectamente a través de un coaxial.

� El coaxial es una ldt en la que sus elementos notienen potencial simétrico con respecto a tierra.

� Debido a la corriente que circula por la malla delcoaxial, la corriente en los dos brazos del dipolono es idéntica.

� Se degrada el diagrama de radiación

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LíneaCoaxial

I1=I2

I3I1

I2

I2-I3 I1

I1 ≠ I2-I3

� Una posible solución es realizar la alimentación a través de unbalun

� El balun permite alimentar de forma equilibrada estructurassimétricas (dipolo), a través de líneas no simétricas conrespecto a tierra.

� Básicamente, se trata de conseguir que I3=0

� Los balun resultan adecuados si:

� La frecuencia de operación permite su implementación conelementos concentrados

� En estructuras tipo microstrip, dónde se pueden fabricarfácilmente

� En otro caso, resultan difíciles de fabricar y ajustar, y sucomportamiento puede no parecerse demasiado al esperado.


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AntenasDirectivasYagiAlimentacióngamma-match

� Alimentación gamma-match:

� La malla del coaxial y del conector son la referencia del sistema

� El dipolo activo se cortocircuita

� La alimentación (vivo del coaxial) se conecta a una ciertadistancia del centro del dipolo.

� Es necesario añadir un condensador variable para ajustar laimpedancia de entrada.

� Aunque existen ecuaciones aproximadas de diseño, la mejorforma de ajustar el sistema es mediante prueba y error

� Distancia a la que se conecta el vivo

� Capacidad del condensador

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� Ejemplo práctico con condensadorvariable. Puede utilizarse unocomo los empleados parasintonizar radios antiguas


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AntenasDirectivasYagiAlimentacióngamma-match

� Implementación del condensador variable:

� Se retira la malla a un trozo de cable coaxial del grosoradecuado.

� Se suelda un extremo del vivo de este coaxial al vivo delconector de la antena.

� Se introduce el conjunto en un tubo metálico hueco, que se uneal dipolo con una pieza metálica que haga buen contacto

� Se consigue un condensador variable entre el vivo del coaxial yel tubo metálico. La capacidad varía según la longitud desuperposición entre ambos.

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AntenasDirectivasYagiPolarización circular

� La yagi descrita hasta el momento presenta polarización lineal.

� Se puede utilizar para establecer un radioenlace con un satélite que transmita con polarizacióncircular.

� Se perderán 3 dB con respecto al caso de utilizar una antena con la misma ganancia, peropolarización circular

� Se está utilizando una antena con ganancia, pero con una penalización de 3 dB

� Toda señal con polarización circular se puede obtener/descomponer como suma de dosseñales con polarización lineal, de igual amplitud y desfasadas ±90º.

� Opción 1: dos yagis idénticas colocadas una perpendicular a la otra, alimentadas porcorrientes iguales en módulo y desfasadas 90º.

� Diferencia de λ/4 en las longitudes de los cables de alimentación.

� La impedancia de entrada se reduce a la mitad

� Banda estrecha en cuanto a polarización.

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� Opción 2: dos yagis idénticas colocadas una perpendicular a la otra, alimentadas porcorrientes iguales en módulo y fase. En este caso el desfase necesario se consigueseparando ambas antenas λ/4.

� Al tener que alimentar ambos dipolos con corrientes iguales en amplitud y fase, se utiliza un divisorcombinado con un transformador de impedancia.

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� Implementación práctica a 2.4 GHz.


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� Opción 3: Parecida a la anterior, pero implementa un mecanismo eléctrico basado en unrelé para cambiar el sentido de giro de la polarización.

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� En cualquier caso, este tipo de solucionespresenta problemas:

� Cambio en la impedancia de entradadel conjunto, al colocar dos yagis enparalelo

� Sólo se consigue desfasar las corrientesen un punto de frecuencia

� Cuando es imperativo utilizar antenas conpolarización circular y alta ganancia, sueleser mejor recurrir a antenas que cumplanesas condiciones de partida

� Hélices


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Antenasomnid.QHA

� Quadrifilar Helix Antenna (QHA): Es una de las mejores antenasomnidireccionales para la recepción de señales desde satélites de órbita baja.

� Ganancia: 5 dBi ¿se puede decir que es omnidireccional?

� Impedancia de entrada: 40 Ω

� Polarización circular

� Está formada por dos hélices bifilares giradas 90º entre si, alimentadas concorrientes iguales en módulo y desfasadas 90º.

� La combinación de los campos radiados por cada hélice bifilar presenta un diagramaomnidireccional semiesférico con polarización circular muy pura.

� El diagrama omnidireccional semiesférico se consigue sin necesidad de un plano demasa. Esto la hace muy conveniente para aplicaciones embarcadas en satélites

� Reduce el tamaño y el peso de la antena

� Proporciona mucha flexibilidad a la hora de buscarle ubicación.

� No es necesario moverla, incluso para ángulos de elevación bajos

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Antenasomnid.QHA

� Ajustando sus parámetros constructivos se puede modificar ligeramente sudiagrama de radiación.

� Relación entre las longitudes de los lazos y el diámetro del cilindro sobre el que se montan

� El que se muestra en la figura suele utilizarse en transmisión, ya que permite cubrir unamayor superficie terrestre

� Dadas sus ventajas, se utiliza en diferentes bandas de frecuencia en diferentessatélites de órbita baja.

� OSCAR

� NOAA

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Antenasomnid.QHAAlimentación

� Existen varios métodos de alimentación. El más interesante es el que combina unbalun coaxial infinito y un método «automático» para conseguir los desfasesnecesarios entre las corrientes de cada hélice.

� El punto de alimentación NO está en el conector, sino en la parte superior de la antena.

� Las dos hélices tienen longitudes diferentes

� El coaxial que se conecta a la antena a través del conector forma la mitad de una de lashélices

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Zin

El lazo corto (verde) carga el balun aquí

Antena montada

Conexiones entre los dos lazos

Balun coaxial infinito


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Antenasomnid.QHAAlimentación

� Método automático de ajuste de fases:

� La longitud total del lazo rojo+azul se ajusta para que su impedancia en el punto dealimentación sea inductiva de la forma R+jX, con X=R

� La longitud del lazo verde se ajusta para que su impedancia en el mismo punto seacapacitiva, de la forma R-jX, con X=R

� De esta manera, la corriente que entra en el lazo azul+rojo se desfasa +45º con respecto alpunto de alimentación, y la que entra en el lazo verde, se desfasa -45º.

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Zin

El lazo corto (verde) carga el balun aquí

Antena montada

Conexiones entre los dos lazos

Balun coaxial infinito


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Elementos opcionales

� Preamplificadores para recepción: Las señales que llegan al receptor pueden ser muydébiles debido a:

� Recepción con antena de baja ganancia

� Línea de transmisión con mucha atenuación y/o demasiado larga

� Satélite en órbita alta o demasiado alejado

� El preamplificador es en realidad un LNA. Valores típicos en la banda VHF:

� Ganancia: 15 a 25 dB

� Figura de ruido: <2 dB

� Inconvenientes:

� Incrementa el coste del sistema

� Ancho de banda

� Necesidad de alimentación

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Elementos opcionales

� Downconverters: Convierten la frecuenciade su señal de entrada, proporcionando enla salida una señal idéntica, pero a menorfrecuencia.

� Se utilizan en recepción, colocados justo acontinuación de la antena. De esta manera,convierten la señal que llega de la antena enotra de menor frecuencia, haciendo más fácilsu guiado hasta el receptor.

� Aunque se puede convertir cualquier bandaen cualquier otra, suelen utilizarse en larecepción de señales en la banda de lasmicroondas.

� Downcorverter típico: 2.4 GHz a VHF (~ 145MHz)

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� Amplificadores de potencia: Se utilizan entransmisión para incrementar la potencia deltransmisor, en función de la potencia de salida del Tx,de la ganancia de la antena y de la órbita del satélite.

� Para alcanzar un satélite de órbita baja con una antenadirectiva se requiere un transmisor de 50 W.

� Con una antena omnidireccional, serán necesarios almenos 100 o 150 W.

� Cuidado con las especificaciones en cuanto a ancho debanda, ganancia y distorsión.


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Configuraciones típicas

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� Dos antenas omnidireccionales, una para Tx yla otra para Rx.

� Comunicación con satélite de órbita baja(antenas omnidireccionales sin amplificadores)

� Esta configuración requiere un transmisor conalta potencia de salida, >50 W

� Uso de un diplexor: El receptor sólo tiene unaconexión de antena.

� Posibles mejoras:� Antenas directivas (yagi…) o dual-band

(en este caso haría falta un posicionador)� Preamplificador


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� Configuración muy adecuada para radioenlaces con satélites de órbita baja.� Tx en 140 MHz y Rx en 450 MHz

� El uso de antenas directivas y de un preamplificador garantiza una recepción óptima.� Necesidad de apuntamiento

� Si el transmisor genera más de 100 W, podría utilizarse para radioenlaces con satélitesmás alejados. En caso contrario, habría que añadir un amplificador de potencia en la ramade transmisión.


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� Configuración para comunicaciones con satélites alejados.� Tx en 450 MHz y Rx en 2,4 GHz� Antenas directivas� Amplificador de potencia en la rama de transmisión

� El reflector utilizado es una antena muy directiva. En este caso el apuntamiento es crítico.Errores de tan solo 1º pueden provocar la pérdida de la señal.

� Downconverter: Convierte la señal de 2.4 GHz a la banda de 140 MHz, para minimizar laspérdidas del cable que une la antena con el receptor

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