Story Transcript
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE TELECOMUNICACIONES
E
S E R OS
S
DO A V R
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LA ANTENA RECEPTORA DE UN BANCO DIDÁCTICO DE ENLACE SATELITAL PARA EL LABORATORIO DE COMUNICACIONES DE LA UNIVERSIDAD DEL ZULIA
H
EC R E D
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO EN TELECOMUNICACIONES
Presentado por: Br. HERNANDEZ MIQUILENA, Melissa Elena C.I. 19.309.020
Br. MORILLO ALDANA, José Morillo C.I. C.I 19.408.818
Tutor Académico: Tutor Industrial: Ing.Manuel BriceñoIng. Daniel Flores
Maracaibo, Abril de 2011
H
EC R E D
E
S E R OS
S
DO A V R
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LA ANTENA RECEPTORA DE UN BANCO DIDÁCTICO DE ENLACE SATELITAL PARA EL LABORATORIO DE COMUNICACIONES DE LA UNIVERSIDAD DEL ZULIA
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE TELECOMUNICACIONES
E
S E R OS
S
DO A V R
CH E R E DISEÑOD Y CONSTRUCCIÓN DE LA ANTENA RECEPTORA DE UN BANCO DIDÁCTICO DE ENLACE SATELITAL PARA EL LABORATORIO DE COMUNICACIONES DE LA UNIVERSIDAD DEL ZULIA
Presentado por:
Br. HERNANDEZ MIQUILENA, Melissa Elena C.I. 19.309.020
Br. MORILLO ALDANA, José Morillo C.I. C.I 19.408.818
AGRADECIMIENTOS
A Dios por acompañarme y darme la fuerza que necesité para llegar hasta acá y por crear en mi las ganas de aprender y de luchar para poder alcanzar esta meta sin importar cuál sea el obstáculo. A mis padres y a mis hermanos, por su apoyo incondicional en todas las situaciones difíciles ensenándome que la unión familiar es un valor fundamental para poder crecer como persona.
S
DO A V R
A los profesores Manuel Briceño, Daniel Flores y Nancy Mora, quienes con sus
SE E R también al Ingeniero Willmar Pérez. OS H C E R E D A mi compañero de tesis, por haber permanecido
conocimientos hicieron este camino gracias a su ayuda y colaboración, asi como
siempre allí en conjunta
colaboración a lo largo de la realización del trabajo, y del resto de la carrera. A mis amigos, quienes con su comprensión y apoyo fueron importantes a lo largo del desarrollo de la investigación, siempre impulsándome a lograr la meta final. Por último, a todas aquellas personas que confiaron en mí y que de una manera u otra colocaron un granito de arena para ayudarme en mi crecimiento personal y académico.
Melissa Hernández
VIII
DEDICATORIA
A Dios por la vida que me ha dado y colocarme en las situaciones correctas en mi camino, al igual que por haberme bendecido con una gran familia y amigos que me apoyan en todo momento. A mis padres José y Marleny, por haberme brindado su amor incondicional, su apoyo en todo momento, por la educación que me han dado y todos los valores inculcados, así como también por el gran ejemplo que para mí representan, mis logros
S
DO A V R
son sus logros, gracias a ellos soy quien hoy en día soy, siempre serán mis héroes.
E
S E R OS
A mi hermano Manuel, por ser mi mejor amigo durante toda mi vida, por su
CH E R DEPaola, por su amor, comprensión, paciencia, y apoyo durante toda la A mi novia
apoyo, amor y paciencia.
carrera, que me ayudo a seguir adelante sin importar cualquier obstáculo, este logro es nuestro. A mis amigos, quienes siempre me apoyaron y me brindaron su ayuda en todo lo que a su alcance se encontraba, al igual que hacerme ver otros puntos de vista ante cualquier circunstancia tanto profesional como personalmente. A mis abuelos Antonio y María, quienes no se encuentran presente junto a nosotros, pero siempre en mi corazón. A todos ustedes, les dedico esta investigación.
José Morillo
IX
HERNÁNDEZ M., Melissa Elena; MORILLO ALDAMA., José Enrique, “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE LA ANTENA RECEPTORA DE UN BANCO DIDÁCTICO DE ENLACE SATELITAL PARA EL LABORATORIO DE COMUNICACIONES DE LA UNIVERSIDAD DEL ZULIA”. Trabajo Especial de Grado, Universidad Rafael Urdaneta, 2010.
RESUMEN
En la presente investigación, se diseñó y construyó una antena receptora de enlace
OS D A país, así como también a despertar el interés del alumnado RV de Ingeniería Eléctrica de E S La Universidad del Zulia incluyendoSel R usoE de la antena en el contenido programático O H del Laboratorio de Comunicaciones. Se seleccionó el satelital Telstar12 para el enlace y EC R E D se diseñó una antena parabólica de tipo foco primario para operar en banda Ku a 12,2
satelital con la finalidad de dar paso al estudio de este sistema de comunicaciones en el
GHZ de frecuencia, con diámetro de 60cm y polarización lineal. El comportamiento de la antena a lo largo de la banda Ku, se evaluó mediante una serie de simulaciones realizadas en el software Eznec con ayuda inicial de 4nec2 para construir virtualmente la geometría del plato. Se obtuvo los patrones de radiación para campo lejano donde por ser un reflector inferior a 20λ y la limitación de números de segmentos del software el diagrama obtenido está formado por ocho lóbulos que van en todas las direcciones; en cuanto al barrido de frecuencia que se realizó se obtuvo un valor aceptable de ROE menos a 1,5. Una vez listos los resultados, se construyó la antena en base a los criterios establecidos y con bases y soportes adecuados para su estructura.
Palabras clave: diseño, construcción, antena receptora, enlace satelital.
X
HERNÁNDEZ M., Melissa Elena; MORILLO ALDANA., José Enrique, “DESIGN AND CONSTRUCCION OF THE RECEIVING ANTENNA OF A DIDACTIC BANK OF SATELITE LINK FOR LA UNIVERSIDAD DEL ZULIA COMMUNICATIONS LABORATORY”.Degree Thesis, Rafael Urdaneta University, Maracaibo, 2010.
ABSTRACT
In the present work, it was designed and constructed a receiving antenna of satellite link in order to take passage to future study of this communications system in the country, as
OS D A RV del Zulia” including the use of the antenna in theE Communications Laboratory program. S E R The satellite Telstar12 was selected OSfor the connection and a prime focus satellite dish H C was designed to operate EREin Ku band at 12.2 GHZ of frequency, with diameter of 60cm D and linear polarization. The behavior of the antenna throughout the Ku band, was well as waking up the interest of Electrical Engineering students from “La Universidad
evaluated by a series of simulations under Eznec software with initial help from 4nec2 to virtually construct the geometry of the plate. The far field radiation patron was obtained, which was formed by eight lobes that go in all directions; as far as the frequency sweep that gave an acceptable value of VSW less to 1,5. Once the results were done, the antenna was constructed based on the previous established criterions and supports adapted for their structure.
Key words: design, construction, receiving antenna, satellite links. XI
ÍNDICE GENERAL
AGRADECIMIENTOS….……………………………………………………………
IV
DEDICATORIA……………………………………………………………………….
V
RESUMEN….………………………………………………………………………...
VI
ABSTRACT….……………………………………………………………………….
VII
ÍNDICE GENERAL….……………………………………………………………….
VIII
OS D A V
ÍNDICE DE TABLAS….……………………………………………………………..
R
SE E R S
ÍNDICE DE FIGURAS….……………………………………………………………
O
CH E R E
XIII XIV
ÍNDICE DE ANEXOS………………………………………………………………..
XVII
INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………….
17
D
CAPÍTULO I: EL PROBLEMA 1.1.
Planteamiento del problema.……………………………………………….
20
1.2.
Formulación del problema…………………………………………………..
23
1.3.
Objetivos de la investigación.……………………………………………….
23
1.3.1. Objetivo general.……………………………………………………………..
23
1.3.2. Objetivos específicos.…………………………………………………….....
24
1.4.
Justificación e importancia de la investigación.…………………………..
24
1.5.
Delimitación de la investigación.……………………………………………
25
1.5.1. Delimitación espacial.………………………………………………………..
25
1.5.2. Delimitación temporal.……………………………………………………….
25
1.5.3. Delimitación científica..………………………………………………………
25
CAPÍTULO II: MARCO TEÓRICO 2.1.
Descripción de la empresa………………………………………………….
27
2.2.
Antecedentes de la investigación…………………………………………..
28
2.3.
Bases teóricas………………………………………………………………..
30
XII
2.3.1. Antena…………………………………………………………………………
30
2.3.1.1.
Parámetros técnicos de una antena…………………………………...
30
a) Ancho de banda……………………………………………………………...
30
b) Ancho de haz…………………………………………………………………
31
c) Directividad……………………………………………………………………
31
d) Ganancia……………………………………………………………………...
32
e) Impedancia……………………………………………………………………
32
f) Patrón de radiación…………………………………………………………..
33
g) Polarización…………………………………………………………………..
33
h) Razón de onda estacionaria………………………………………………..
33
OS D A i) Regiones de campo…………………………………………………………. RV E S E j) Resistencia de radiación……………………………………………………. R S HO C 2.3.2. Antena de recepción………………………………………………………… E DERoperativos de una antena de recepción.……………….. 2.3.2.1. Parámetros
34 35 35 36
a) Longitud de onda…………………………………………………………….
36
b) Área y longitud efectiva……………………………………………………...
36
Componentes de una antena de recepción satelital…………………
36
a) Reflector……………………………………………………………………....
36
b) LNB…………………………………………………………………………….
39
c) Polarizador……………………………………………………………………
39
d) Iluminador……………………………………………………………………..
40
e) Actuador………………………………………………………………………
42
2.3.2.2.
Antena parabólica………………………………………………………..
42
a) Características técnicas……………………………………………………..
42
b) Tipo de antenas parabólicas………………………………………………..
48
2.3.2.3.
Consideraciones técnicas……………………………………………….
52
a) Tolerancia del reflector………………………………………………………
52
b) Bloqueo…………………………………………………………………….
52
c) Desadaptación de la bobina………………………………………………...
52
d) Radiación posterior del alimentador……………………………………….
52
e) Datos de apunte de la antena………………………………………………
53
2.3.3. Métodos de análisis de antenas……………………………………………
54
2.3.2.4.
IX
2.3.3.1.
Método de los momentos (MoM).…………………………………...…
54
2.3.3.2.
Método de elementos finitos (FEM).…………………………………...
54
2.3.4. 4NEC2®……………………………………………………………………….
56
2.3.5. EZNEC®……………………………………………………………………….
57
2.3.6. Satélite de enlace…………………………………………………………….
58
2.3.6.1.
Estación terrena………………………………………………………….
59
2.3.6.2.
Satélites geoestacionarios………………………………………………
59
a) Órbita geoestacionaria………………………………………………………
59
b) Footprint o huella…………………………………………………………….
60
c) Bandas de frecuencia más usadas……………………………….………..
61
OS D A 2.3.6.3. Distancia satélite – estación terrena…………………………………... RV E S E a) Coordenadas WGS84………………………………………………………. R S O H C 2.4. Definición de términos básicos…………………………………………….. E DER de la variable…………………………………………. 2.5. Operacionalización
62 62 63 64
CAPÍTULO III: MARCO METODOLÓGICO 3.1.
Tipo de investigación………………………………………………………...
71
3.2.
Diseño de la investigación…………………………………………………..
73
3.3.
Población……………………………………………………………………...
74
3.4.
Muestra………………………………………………………………………..
75
3.5.
Técnicas e instrumentos de recolección de datos………………………..
75
3.6.
Fases de la investigación……………………………………………………
77
CAPÍTULO IV: ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS Contenido programático …………………………………………………….
80
4.1.1. Pre-Laboratorio……………………………………………………………….
80
4.1.2. Desarrollo de la práctica…………………………………………………….
80
4.1.2.1.
Composición y descripción del sistema……………………………….
80
4.1.2.2.
Montaje de la antena…………………………………………….………
81
4.1.3. Post-Laboratorio.……………………………………………………………..
81
4.1.
X
Requerimientos técnicos…………………………………………………….
81
4.2.1. Bases de soporte…………………………………………………………….
82
4.2.2. Reflector………………………………………………………………………
82
4.2.3. Conexiones de ensamble…………………………………………………...
82
4.2.4. Datos técnicos………………………………………………………………..
82
4.2.4.1.
Polarizador………………………………………………………………..
83
4.2.4.2.
LNB………………………………………………………………………..
83
4.2.4.3.
Cableado ………………………………………………………………....
83
Diseño de la antena………………………………………………………….
83
4.3.1. Satélite de enlace…………………………………………………………….
83
4.2.
4.3.
OS D A 4.3.1.1. Huella del satélite ……………………………………………………….. RV E S E 4.3.1.2. Distancia satélite – estación terrena…………………………………... R S HOlos parámetros de la antena……………….. C 4.3.2. Criterios establecidos para E ER 4.3.2.1. TipoD de antena……………………………………………………………
85 86 90 91
a) Banda de frecuencia de operación……………………………………...
91
b) Dimensionamiento de la parábola………………………………………..
91
c) Eficiencia…………………………………………………………………….
92
d) Soporte de LNB……………………………………………………………
92
4.3.2.2.
Materiales.……………………………………………………………...
93
4.3.2.3.
Conexionado……………………………………………………………
93
a) Tipo de cable coaxial………………………………………………………...
93
b) Tipo de conectores…………………………………………………………..
94
4.3.2.4.
Estructuras de ajuste…………………………………………………….
94
4.3.2.5.
Tipo de convertidor………………………………………………………
95
4.3.3. Calculo de los parámetros de la antena…………………………………...
96
4.3.3.1.
Longitud de onda…………………………………………………………
96
4.3.3.2.
Ganancia………………………………………………………………….
96
4.3.3.3.
Ancho de banda………………………………………………………….
97
4.3.3.4.
Atenuación………………………………………………………………..
97
a) Atenuación en el espacio libre…………………………………………......
97
b) Atenuación por agentes atmosféricos……………………………………..
97
4.3.3.5.
Temperatura del sistema……………………………………………….. XI
98
4.3.3.6.
Ruido y calidad de la señal……………………………………………..
98
4.3.3.7.
Ancho de haz……………………………………………………………..
98
4.3.4. Plano de la estructura………………………………………..……………
98
4.4.
Simulación de la antena……………………………………………………..
99
4.4.1. Identificación de las condiciones operativas de interés………………….
99
4.4.2. Parámetros introducidos al software…………………………………….
100
4.4.3. Resultados de la simulación………………………………………………..
102
4.4.4. Análisis de los resultados…………………………………………………...
103
4.5.
104
Construcción de la antena…………………………………………………..
OS D A 4.5.2. Selección del modelo de LNB…………………………………………… RV E S E 4.5.3. Selección del cable……………………………………………………….. R S HO C 4.5.4. Selección de pintura……………………………………………………… E ER 4.5.5. Bases yD soportes…………………………………………………………. 4.5.1. Selección del material…………………………………………………….
104 105 105 106 106
4.5.5.1.
Base principal…………………………………………………………..
106
4.5.5.2.
Soportes de elevación y acimut………………………………………
107
4.5.5.3.
Plato reflector…………………………………………………………..
108
4.5.5.4.
Estructuras de ajuste………………………………………………….
110
4.5.6. Pintado de las estructuras y ensamblaje………………………………..
110
4.6.
Comprobación de la antena………………………………………………...
111
CONCLUSIONES……………………………………………………………………
114
RECOMENDACIONES……………………………………………………………..
116
BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………………..
118
ANEXOS……………………………………………………………………………...
121
XII
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1.
Bandas de frecuencias………………………………………………
61
Tabla 2.2.
Cuadro de variables………………………………………………….
66
Tabla 4.1.
Banda de frecuencias para el satélite Telstar12………………….
84
Tabla 4.2.
Polarización del satélite Telstar12 según la banda de frecuencia……………………………………………………………..
84
Tabla 4.5.
OS D A RV para el satélite Telstar12……………………………………………. E S E R S Diámetro de la antena HO según el PIRE…………………………….. C E DER geodésicas estación terrena de LUZ……………… Coordenadas
Tabla 4.6.
Características técnicas cable coaxial RG-6………………………
93
Tabla 4.7.
Características eléctricas cable coaxial RG-6…………………….
94
Tabla 4.8.
Características de desempeño cable coaxial RG-6………………
94
Tabla 4.9.
Especificaciones técnicas de conectores tipo F…………………..
94
Tabla 4.3.
Tabla 4.4.
Número de canales libres y encriptados según el tipo de señal
84 86 86
Tabla 4.10. Condiciones climáticas del Laboratorio de Comunicaciones de LUZ…………………………………………………………………….
99
Tabla 4.11. Especificaciones LNB Universal Ku-Band…………………………
105
Tabla 4.12. Especificaciones del cable seleccionado……….……………..…..
106
XIII
INDICE DE FIGURAS
Figura 2.1. Distintas configuraciones de reflector parabólico…………………
37
Figura 2.2. Reflexión de las señales del satélite en el disco parabólico…….
38
Figura 2.3. LNB…………………………………………………………………….
39
Figura 2.4. Polarizador…………………………………………………………….
40
Figura 2.5. Iluminador……………………………………………………………
41
OS D A RV b) Antena desviada un ángulo α ………………………………… E S E R S a) Alimentador situado HO en el foco de la parábola. C E ER D b) Iluminador produce una sombra de señal en el centro del
Figura 2.6. a) Antena orientada correctamente hacia el satélite.
Figura 2.7.
reflector………………………………………………………………..
44
48
Figura 2.8. a) La zona tramada es la superficie de un reflector parabólico – Antena offset en la que el foco queda situado fuera de la vertical de la misma. b) Perfil de un reflector parabólico………………………………….
50
Figura 2.9. a) El alimentador en el brazo por debajo del reflector. b) Ni la unidad exterior ni el brazo que la sustenta proyectan sombra alguna sobre el plato……………………………………….
50
Figura 2.10. a) Antena Cassegrain. b) Antena Gregorian……………………………………………….. Figura 2.11. Definición de los elementos para el apunte de la antena………..
51 53
Figura 2.12. a) Montaje Azimut-Elevacion b) Montaje polar………………………………………………………
XIV
53
Figura 4.1. Huella del Satélite Telstar12………………………………………...
85
Figura 4.2. Programa ejecutable para transformación de coordenadas…….
87
Figura 4.3. Resultados luego de la ejecución del programa…………...... Figura 4.4. Vista superior de la tierra junto con la Órbita de Clark para
87
cálculo de distancia satélite – estación terrena…………………... Figura 4.5. Distancia satélite – estación terrena en sistema cartesiano……
88
Figura 4.6. Resultados del software Dish Pointer ……………………………..
88
OS D A V
Figura 4.7. Resultado Software ParabolaCalculator…………………………..
R
SE E R S
Figura 4.8. Tuerca mariposa……………………………………………………...
O
CH E R E
90 92
Figura 4.9. Conector tipo F………………………………………………............
93
Figura 4.10. Plato reflector en el GeometryBuilder……………………………..
94
Figura 4.11. Plato reflector y fuente en el Geometry Editor…………………….
100
Figura 4.12. Datos importados de la geometría del plato……………………..
101
Figura 4.13. Parámetros introducidos para el barrido en frecuencia………….
101
Figura 4.14. Resultado del barrido de frecuencia……………………………….
102
Figura 4.15. Soporte principal base……………………………………………….
102
Figura 4.16. Plato reflector base…………………………………………………..
104
Figura 4.17. LNB Universal Ku-Band……………………………………………..
104
Figura 4.18. Bases adicionales…………………………………………………….
105
Figura 4.19.Base de elevación…………………………………………………...
107
Figura 4.20. Soporte de acimut……………………………………………………
107
Figura 4.21. Soporte de elevación………………………………………………..
108
Figura 4.22. Secciones de corte del plato reflector base……………………….
109
Figura 4.23. Plato reflector circular………………………………………………..
109
Figura 4.24. Antena ensamblada y pintada………………………………………
110
D
XV
Figura 4.25. Medición de la antena……………………………………………………...
111
Figura 4.26. Montaje para medición de la antena………………………………………
112
Figura 4.27. Vista angular del montaje realizado………………………………………
112
Figura 4.28. Antena helicoidal transmisora……………………………………………..
112
E
S E R OS
H
EC R E D
XVI
S
DO A V R
ÍNDICE DE ANEXOS
Anexo 1.
Guía de preguntas para la entrevista estructurada……………….
122
Anexo 2.
Plano de dimensiones de la antena………………………………..
124
Anexo 3.
Resultados de la simulación – patrón de radiación de campo
Anexo 4.
lejano…………………………………………………………………..
125
Acabado final de cada una de las partes de la antena…………..
127
E
S E R OS
H
EC R E D
XVII
S
DO A V R
INTRODUCCIÓN
En los últimos años y en vista de la globalización y el desenfrenado crecimiento de las comunicaciones - factor esencial para la realización de muchas de las actividades que permiten a las personas relacionarse, interactuar, trabajar en conjunto, en fin, desarrollarse como empresa, sociedad o como país - la tecnología se ha visto en la necesidad de avanzar para satisfacer hasta la mayor de las exigencias, por lo que cada día contamos con equipos y dispositivos de mayor velocidad, compactos,
OS D A Debido a la importancia de las comunicaciones RV como ya se ha dicho, las E S E que incluyan las telecomunicaciones, R universidades han desarrollado especialidades S HO con alto perfil en la materia. Sin embargo, estas C dedicándose a preparar profesionales E R E D instituciones y más aún las universidades publicas enfrentan situaciones que frenan su funcionales e infinidad de características ventajosas.
propósito viéndose limitados en cuento a las nociones prácticas que puedan proveer al alumnado, de manera tal que logren desenvolverse de mejor manera una vez se encuentren en el campo laboral. Los problemas que La Universidad del Zulia presenta son principalmente: la adquisición e instalación del equipamiento necesario para la realización de prácticas de laboratorio, esto debido a la regularización y obtención de divisas para importación, carencia de fábricas nacionales, y dificultad para reparación de equipos anteriormente adquiridos. Ante esta situación, sabiendo la serie de inconvenientes que intervienen en La Universidad del Zulia, y su impacto en la Escuela de Ingeniería Eléctrica, se impulsará la carrera a través del diseño y construcción de la antena receptora de un banco didáctico de enlace satelital de un banco didáctico para el Laboratorio de Comunicaciones, con el fin de balancear los estudios teóricos y prácticos con ayuda de nuevas experiencias referentes a sistemas satelitales. Dicha investigación se divide en cuatro capítulos organizados de la siguiente forma:
17
En el capítulo I se plantea y explica el problema, y consiste en un análisis del mismo a fin de lograr un planteamiento adecuado del área de estudio, formular los objetivos de la investigación, justificar la relevancia de la misma; y por último, delimitar la misma tanto a nivel espacial como temporal. En el capítulo II se presentan lo antecedentes de la investigación; se desarrollan las bases teóricas, donde se definen los aspectos a las antenas, los parámetros técnicos y operativos, métodos de cálculo de los mismos, así como también información relacionada a los satelitales y la órbita con la que se trabajara; por último, se exhibe una breve explicación de las variables, subvariables e indicadores a través de un cuadro.
S
DO A V R
En el capítulo III se detalla la metodología del estudio, indicando el tipo y diseño
E
S E R OS
del mismo, la población y muestra correspondiente, las técnicas de recolección de datos
CH E R E IV, denomina el D capítulo
y las fases para su ejecución. En
análisis e interpretación de los resultados, se
muestran los pasos, uno a uno, que se siguieron para finalmente construir la antena; desde la definición del contenido programático y criterios de diseño, pasando por los cálculos y simulación, hasta finalmente una vez lista la misma se muestra la comprobación de su comportamiento verificando así todos los parámetros hallados teórica y experimentalmente. Por último, basándose en el capítulo IV, se puntualizan las conclusiones y recomendaciones de la presente investigación.
18
E
S E R OS
H
EC R E D
CAPÍTULO I
19
S
DO A V R
CAPÍTULO I EL PROBLEMA
1.1.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. En los últimos años los sistemas de telecomunicaciones han abarcado gran parte
S O D A actividades del ser humano. Como consecuencia se RV ha visto gran interés en la E S E joven, en cuanto al estudio de esta sociedad, específicamente mayor en laR población S O se ha establecido como una de las necesidades Hsiempre rama de la ciencia, queE desde C R DlaEhumanidad, primordiales de que es la comunicación. de los avances tecnológicos en el mundo, creando un gran impacto en todas las
A raíz de este hecho, con el pasar de los años se han desarrollado una gran variedad de especialidades que conforman distintas áreas de las telecomunicaciones. Debido a esto la mayoría de las universidades del mundo tanto públicas como privadas, se han dedicado a la preparación de profesionales relacionados a las áreas de esta ciencia; buscan la manera de insertar una perspectiva mucho más real y profesional del estudiante en cuanto al funcionamiento ideal y análisis pertinente en cada uno de los procesos que se realizan en dichos sistemas. Este ideal propuesto por las universidades, comprende un conjunto de metodologías establecidas para lograrlo, ya que no solo la teoría básica de cada tema ayuda al estudiante a obtener un conocimiento más completo de lo que se propone a estudiar. Cabe resaltar que las nociones teóricas, permiten un análisis básico, ideal del funcionamiento de cualquier proceso, que estimula la búsqueda de posibles soluciones a distintos problemas; sin embargo está comprobado que para obtener un conocimiento mucho más global, las experiencias y ejemplos reales de situaciones que envuelven cada objetivo específico según el curso de la carrera, ofrecen el desarrollo de habilidades aún más versátiles, para el análisis y solución de fallas, así como también para la invención de nuevas tecnologías. 20
Es por esto, que la gran mayoría de estas instituciones han implementado en el programa de estudio las prácticas de laboratorios, a través de módulos o bancos didácticos que simulan procesos y fallas de sistemas, relacionados a su teoría básica, con el fin de desarrollar las habilidades anteriormente mencionadas. Específicamente La Universidad del Zulia, se ve en la necesidad constante de implementar módulos eficaces que permitan mejorar las condiciones de estudio práctico, dentro de las instalaciones destinadas a los laboratorios, para un óptimo nivel estudiantil. En el proceso de gestión de proyectos para cubrir esta necesidad se crean
S
ciertas limitaciones que lo obstaculizan, y es en cuanto a la adquisición e instalación
DO A V R
del equipamiento necesario para la realización de las distintas experiencias que
SE E R OS de cada uno de los instrumentos y equipos a dependiendo de la cantidad H y calidad C utilizar; esto es EREa la carencia de fábricas nacionales que los produzcan, lo que Ddebido comprende cada programa de los laboratorios, ya que requiere una inversión muy alta
obliga a la mayoría de las universidades nacionales a la importación de éstos.
Actualmente, un problema en el país y resaltante para el caso, es la regularización y obtención de divisas para la importación, dificultando aun más el trámite para la concesión de presupuesto por parte de estas universidades, de la que no escapa La Universidad de Zulia. Este hecho genera otra problemática, la cual es el retraso tecnológico que presenta dicha institución, en cuanto a cada uno de los módulos e instrumentos existentes en los laboratorios, obtenidos en años anteriores; ya que es claro que las técnicas y equipos en cada una de las áreas de la ingeniería cambian de la mano con tecnología, a través del pasar de los años. Esta serie de inconvenientes que influyen en La Universidad del Zulia, presenta un impacto notable en el área de Ingeniería Eléctrica, carrera relacionada a las telecomunicaciones y que necesita un impulso para lograr el balance de los conocimientos teóricos enseñados llevados a los laboratorios. Una de las cátedras relacionadas a esta área de la Ingeniería Eléctrica, es la de Sistemas de Comunicaciones, la cual en su laboratorio práctico siempre ha existido la necesidad de actualizar su equipamiento, para la realización de cada objetivo del programa; no obstante debido a este hecho, actualmente cuenta con una situación tecnológica básicamente no tan atrasada. 22
En relación al programa de estudio que comprende esta cátedra, se ha propuesto complementarlo a través de implementación de un propósito referido a teoría básica de sistemas satelitales, cuyo propósito principal es establecer una comunicación de largo alcance, independientemente del lugar geográfico, mediante enlaces satelitales, los cuales han venido evolucionando en función de los servicios que pueden proveer. Dada esta propuesta, es necesario establecer una práctica básica en un banco didáctico para el laboratorio de Comunicaciones, que permita el análisis del funcionamiento de estos enlaces; pero para lograrlo hace falta la construcción del
S
DO A V R
mismo, así como también la antena necesaria para el enlace satelital.
SE E R OSdidáctico a través de una conexión directa, captar satelital que permitirá a dichoH banco C E señales realesDde un satélite para ser analizadas en el laboratorio mencionado; así ER En el presente trabajo se desarrollará un diseño de una antena de recepción
como también se construirá un prototipo que cumpla con las descripciones del diseño, ideales para la recepción de estas señales de comunicación satelital.
1.2.
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA. Sobre la base de las consideraciones anteriores,
se formula la siguiente
interrogante: ¿Cómo diseñar y construir una antena de recepción de un banco didáctico de enlace satelital para el laboratorio de Comunicaciones de la Universidad del Zulia?
1.3.
OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
1.3.1. OBJETIVO GENERAL Diseñar y construir antena para un banco didáctico de enlace satelital para el laboratorio de Comunicaciones de la Universidad del Zulia.
23
1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Determinar los requerimientos técnicos que debe satisfacer la antena de enlace satelital, considerando el enfoque del contenido programático del Laboratorio de Sistemas de Comunicaciones dictado en La Universidad del Zulia. Diseñar la antena de enlace satelital. Simular el funcionamiento de la antena diseñada en un software computacional apropiado. Construir la antena de enlace satelital previamente diseñada.
S
DO A V R
Comprobar el funcionamiento de la antena satelital construida.
E
1.4.
S E R OS
CH E R DE para el diseño y la construcción de la antena para un banco La propuesta JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACIÓN
didáctico de enlace satelital aportara principalmente el beneficio de una herramienta útil para La Universidad del Zulia, y para cualquier centro de estudio que tenga la disponibilidad y desee la implementación del mismo; ya que, la generalidad de la investigación provee la posibilidad de un desarrollo a futuro de manera general. Las características generales del diseño ofrecerán la información necesaria de los equipos a usarse para ejecutar el proyecto, y una serie de requerimientos para su desarrollo y capacidad de funcionamiento, todo esto de acuerdo a sus especificaciones. La principal razón por la que la investigación es importante es la carencia de la obtención y reparación de este tipo de elemento para equipos didácticos, debido a la dificultad de obtención de divisas para su importación; así como también al realizar la antena de dicha manera es mucho más fácil recorrer el mismo camino de su construcción para una posterior reparación y/o modificación. El aporte social que se podría obtener a futuro con la construcción de la antena sería muy importante, ya que esta brinda una serie de beneficios a los usuarios, en este caso los estudiantes, facilitando la ubicación de la antena a realizar en el momento preciso y con la rapidez y comodidad suficiente a encontrarse en un laboratorio de índole publica, el proyecto también es interesante y de gran utilidad y provecho para quienes lo utilicen. Por otro lado, el proyecto podría desarrollar un conjunto de posteriores investigaciones para el desarrollo de otros estudios relacionados con el mismo patrón, 24
beneficiado de esta manera otros laboratorios al satisfacer las necesidades de lo mismo, los cuales dependen de un financiamiento que en la mayoría de los casos toma un largo plazo de tiempo limitando la práctica necesaria para formar un profesional. Desde el punto de vista académico, esta investigación representa un avance en el área de comunicaciones, fundamentando básicamente en la utilización de la antena receptora del banco didáctico para conocer y explorar de una manera más sencilla el funcionamiento de un enlace satelital; e incluso esta servirá como herramienta para la mejora del programa de Laboratorio de Comunicaciones que serían una solución fácil y sencilla a los profesores y alumnado que requieran el uso de un laboratorio de
1.5. 1.5.1.
S
DO A V R
comunicaciones completo.
SE E R DELIMITACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN OS H C E DELIMITACIÓN DERESPACIAL
La presente investigación se realizará en la Universidad del Zulia, ubicada en la Av. “Goajira”, Municipio Maracaibo, Edo. Zulia.
1.5.2. DELIMITACIÓN TEMPORAL: Se desarrollará en un lapso que consta de 6 meses, a partir de la aprobación del anteproyecto.
1.5.3. DELIMITACIÓN CIENTÍFICA: Se ejecutará en el ámbito de la Ingeniería en Telecomunicaciones, en el área de Comunicaciones; utilizando los conocimientos de Propagación y Antenas.
25
E
S E R OS
H
EC R E D
CAPÍTULO II
26
S
DO A V R
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
2.1.
DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA La Universidad del Zulia es una institución científica-educativa fundamentada en
S
los más sólidos principios de ética, justicia, libertad y autonomía, cuya misión es la
DO A V R
creación, transmisión y aplicación del conocimiento como valor social que genere
SE E R OS pleno de las potencialidades humanas y educación permanente, el H desarrollo C RE así como, el fortalecimiento del análisis crítico de su ciudadanas del DEindividuo, competencias para la creatividad e innovación, para promover y organizar mediante la
anticipación y visión del futuro, para la elaboración oportuna de alternativas viables a los problemas de la región y el país, una institución clave para el desarrollo profesional. En su visión, La Universidad del Zulia se conducirá como una institución de excelencia académica con compromiso social, líder en la generación del conocimiento científico competitivo, transferible a través de la formación integral de ciudadanos del mundo, capacitados para interactuar con independencia y asertividad en sociedades globales. Vanguardista en el fortalecimiento del desarrollo tecnológico nacional, atendiendo a la pertinencia social, el soporte a la producción de la economía local, regional y nacional, así como también a la necesidad del desarrollo sostenible. La Universidad del Zulia a través de su misión, se ha trazado en una serie de objetivos institucionales, orientados a la gestión institucional. Estos objetivos son: Constituirse en institución generadora de respuestas adecuadas, basadas en el desarrollo y consolidación del conocimiento como ventaja competitiva que sea transmitida por vía de la docencia y la extensión, fortaleciendo los procesos de cambio de la Institución y del país. Conducir un proceso de formación de un profesional hábil y útil para ubicarse en el mundo competitivo, globalizado, integrado, regionalizado y en proceso
27
acelerado de transformación, con base en resultados de una educación con calidad científica y pertinencia social. Fomentar las potencialidades de producción de bienes y servicios competitivos como medio para fortalecer las funciones de investigación, docencia y extensión. Incrementar las alianzas estratégicas nacionales e internacionales con el sector público y privado, en un proceso de consolidación y cooperación para satisfacer necesidades mutuas. Transformar la gerencia universitaria basada en un modelo cultural centrado en las personas y en los procesos, tendente hacia la modernización de la Institución.
S
DO A V R
Por otro lado, la Escuela de Ingeniería Eléctrica dentro de la Facultad de
SE E R S desempeñarse en el área deH losO fenómenos eléctricos, la electricidad en sus diferentes C E formas de aplicación, DERy los problemas que derivan de su uso. De manera más específica
Ingeniería de La Universidad del Zulia se encarga de formar profesionales aptos para
se estudia la generación, transporte y distribución de la energía eléctrica, así como sus
aplicaciones a través de la electrónica analógica y digital, en las áreas de control y automatización,
instrumentación,
electromedición,
comunicaciones,
telefonía
y
electrónica de computadoras.
2.2.
ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN Para llevar a cabo este trabajo, se buscó información en estudios realizados
previamente sobre el tema, para así tener referencias que permitan llegar a un diseño apropiado para su posterior construcción. Dichos estudios son los siguientes: BECERRA, Iveth (2010). “DISENO Y EVALUACIÓN DE UNA ANTENA MICROCINTA PARA APLICACIÓN EN DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS QUE OPERAN EN BANDA C”. Este trabajo fue un trabajo especial de grado de Ingeniería en Telecomunicaciones en la Universidad Rafael Urdaneta, Maracaibo, Venezuela. Su principal objetivo fue “Diseñar una antena microcinta para uso en dispositivos electrónicos que operan en Banda C”. En esta tesis se analizó y diseño una antena microcinta para contribuir con el desarrollo tecnológico ya que la demanda hacia este tipo de dispositivos ha crecido, permitiendo mayores velocidades de conexión y menos espacio físico junto con sus otras ventajas de fabricación, alta directividad y capacidad 28
de integración. Otro problema que existía era la problemática del país relacionada con el control de cambio y obtención de divisas. El diseño de Becerra cubre la teoría relacionada a las antenas microcintas y los parámetros operativos de la antena; los métodos que se pueden usar al momento de diseñar una antena microcinta y el estudio del software operacional con el que se analizó el diseño de la antena para poder obtener los resultados del estudio. Además, a través de los criterios de diseño se describe la antena microcinta de forma rectangular, discutiendo aspectos como frecuencia de resonancia, dimensiones,
S
punto de alimentación, sustrato y materiales a utilizar. Al final del capítulo se presentan las mediciones de la antena.
E
DO A V R
S E R OS
En los resultados de la investigación, los criterios y premisas se seleccionaron de
CH E R DE la antena transformar
manera tal que el comportamiento y/o desempeño de la antena fuera mejorado, y se decidió
rectangular mediante la inserción de dos ranuras
paralelas, llevándola así a una forma similar a una E. La simulación de dicha antena modificada arrojo una variedad de diagramas, los cuales permitieron la comparación en las distribuciones de campos eléctricos para diferentes frecuencias. En conclusión la Antena E ofreció menores perdidas y mayor capacidad para irradiar y absorber potencia ofreciendo esta finalmente mayores beneficios. Este trabajo resulta útil para el desarrollo de la presente investigación, ya que servirá de guía para el diseño de la antena de enlace de enlace satelital terrestre, así, como para la simulación y los parámetros a observar una vez realizada ésta.
URIBE, Jaime (2006). “DISENO E IMPLEMENTACION DE SERVICIO DE TV Y EDUCATIVA DE ORIGEN SATELITAL A TRAVES DE LA RED CORPORATIVA DE LA UACH”. Este trabajo fue un trabajo especial de grado de Ingeniería Electrónica en la Universidad Astral de Chile. Valdivia, Chile. Sus objetivos principales fueron: investigar la oferta de señales satelitales que transmitan programas culturales o educativos; recibir canales de TV cultural a través del equipamiento disponible en el Laboratorio de Líneas de Transmisión y Antenas; y finalmente transmitir a través de la red corporativa de la UACh las señales obtenidas del satélite. 29
En el presente trabajo, se muestra el diseño de un sistema de transmisión de contenido audiovisual de origen satelital a través de la red corporativa de la UACh. Se explican las tecnologías involucradas: comunicaciones satelitales, video análogo, digitalización y compresión de audio y video, y streaming de video. También se trabajó en un desarrollo practico-experimental donde se describe la metodología empleada en ubicación de satélites, señales del mismo, parámetros a tomar en cuenta para determinar el mejor satélite de acuerdo a la zona y entre otros aspectos relacionados a la selección del satélite.
S
Éste último aspecto se considera importante ya que es el que servirá de apoyo al
DO A V R
momento de seleccionar el satélite más adecuado para enlazar en un futuro la antena
E
S E R OS
a diseñar en la investigación, con la finalidad de obtener los beneficios del mismo.
H
EC R E D 2.3. BASES TEÓRICAS 2.3.1. ANTENA
Una antena puede ser definida como un transductor entre una onda guiada que se propaga en una línea de transmisión y una onda electromagnética que se propaga en un medio no acotado (usualmente el espacio libre), o viceversa. Aunque cualquier estructura dieléctrica o conductora puede ejecutar esta función, una Antena es diseñada para radiar o recibir energía electromagnética con propiedades direccionales y de polarización adecuada para la aplicación deseada.
2.3.1.1.
PARÁMETROS TÉCNICOS DE UNA ANTENA
a) Ancho de Banda El ancho de banda de la frecuencia es un parámetro de diseño importante, que determina cuán bien se desempeña una antena sobre una diversa banda de frecuencias. El objetivo principal es hacerla resonante en el centro de cada banda. Un método para juzgar cuán bien o eficientemente está funcionando una antena, es midiendo la Relación de Voltaje de Ondas Estacionarias (RVOE). Una manera de especificar el ancho de banda es compararlo a la RVOE, la relación debe ser mejor que 30
3:1 dentro de los límites de la banda. Un ancho de banda alrededor de 10% de la frecuencia se considera eficiente.
(2.1)
: Ancho de banda á
: Frecuencia máxima de operación
E
S E R OS
S
DO A V R
: Frecuencia mínima de operación
H C E R Para caracterizar DE el ancho del lóbulo principal en un plano dado, el término usado b) Ancho de Haz
es ancho de haz. El ancho de haz de potencia mitad, o simplemente el ancho de haz β, se define como el ancho angular del lóbulo principal entre los dos ángulos en los cuales la magnitud de la intensidad de radiación normalizada F θ,φ es igual a la mitad de su valor pico (0 – 3 dB). Por esta razón, el ancho de haz β también es conocido como el ancho de haz de 3dB.
70
(2.2)
Donde, : Ancho de haz : Diámetro : Longitud de onda
c) Directividad La directividad D de una antena se define como el cociente entre su máxima intensidad de radiación normalizada, Fmáx (que por definición es igual a 1), y el valor promedio de F θ, φ en un espacio de 4π. 31
La directividad indica cuanta energía concentra una antena en la radiación hacia una dirección, en comparación con la radiación en otras direcciones. á
F
,
Ω
Ω
)
(2.3)
d) Ganancia De la potencia total P1 (potencia del transmisor) entregada a la antena, una parte
S
DO A V R
Prad es irradiada hacia el espacio, y el resto, Ppérdida es disipada como pérdida de calor
E S E R La eficiencia de radiación ξ se Sdefine como el cociente entre P O H EC R E D
en la estructura de la antena.
ξ
radyP1.
(2.4)
Se tiene que la ganancia de la antena es:
(2.5) Donde, : Ganancia d: Diámetro : Eficiencia
e) Impedancia La impedancia de una antena es la impedancia en los terminales de la antena sin la carga atada. La impedancia se puede definir como el cociente entre voltaje y corriente en los terminales de la antena o el cociente de los componentes apropiados de los campos eléctricos y magnéticos en un punto determinado. La máxima 32
transferencia de potencia se puede alcanzar solo cuando la impedancia de la carga es igual a la conjugada de la impedancia de la antena.
f) Patrón de Radiación El diagrama o patrón de radiación, es una representación gráfica de las características de distribución relativa de la potencia radiada por una antena. La energía recibida en un punto por una antena de recepción es una función de la posición de la antena de recepción con respecto a la antena de transmisión. El grafico de la energía
S O D A energía de la antena, que es el patrón espacial. El patrón RV espacial del campo eléctrico E S Ede campo. Una sección representativa de (o magnético) se llama patrón o diagrama R S HOplano particular se llama patrón de radiación, en ese este patrón de campo en cualquier C E DER plano. recibida está en un radio constante de la antena transmisora, y es llamado patrón de
g) Polarización Las ondas de radio se componen de dos campos, uno eléctrico y uno magnético. Estos dos campos son perpendiculares entre si. La suma de los campos conforma el campo electromagnético. La energía fluye hacia adelante y hacia atrás de un campo al otro esto se conoce como oscilación. La posición y dirección del campo eléctrico respecto a la superficie de la tierra o al plano de la tierra, determina la polarización de la onda. Generalmente, el campo eléctrico es el mismo plano que el radiador de antena. Los tipos más comunes de polarización son:
Polarización Horizontal: cuando el campo eléctrico es paralelo a la tierra. Polarización Vertical: cuando el campo eléctrico es perpendicular a la tierra. [9].
h) Razón de Onda Estacionaria También llamada Relación de Voltaje de Ondas Estacionarias, se define como la razón entre los valores máximo y mínimo del campo eléctrico de la onda estacionaria, y está dado por: 33
á
(2.6)
á
i) Regiones de Campo El espacio que rodea una antena se subdivide en tres regiones (o zonas). Se conocen como región reactiva del campo cercano, región radiante del campo-cercano (Fresnel) y región del campo lejano (Fraunhofer). Las características generales de las distribuciones del campo en cada región puedan ser establecidas, aunque los límites de las regiones no están definidos con precisión. A continuación se describe brevemente cada una de las regiones:
E
S E R OS
S
DO A V R
CH E R DE la antena, donde los patrones de campo cambian rápidamente con la distancia e
Región Reactiva del Campo Cercano: es la región que rodea inmediatamente irradian energía y energía reactiva, las cuales oscilan desde y hacia la antena. En la mayoría de las aplicaciones, la potencia radiada de una antena se mide en esta zona. Región del Campo Cercano (Fresnel): es la zona más alejada de la región reactiva del campo cercano, donde solo está presente la energía de radiación, dando por resultado una variación de la energía con la dirección que es dependiente de la distancia. Estas regiones se dividen convencionalmente en un radio R, dentro de este radio la zona se conoce como campo cercano o Región de Fresnel. Región del Campo Lejano (Fraunhofer): esta región se encuentra más allá de la región del campo cercano, donde las líneas de costa se asemejan mucho a ondas esféricas, de modo que solamente la energía irradiada en una dirección particular es de importancia. En la mayoría de los casos, la energía irradiada de una antena se mide en esta región. [10].
34
j) Resistencia de Radiación Para la línea de transmisión conectada a su terminal, una antena es simplemente una impedancia. Si la línea de transmisión está adaptada a la impedancia de la antena, parte de la potencia entregada por el generador, es radiada al espacio, y el resto es disipado como calor en la antena. La parte resistiva de la impedancia de la antena puede ser definida como que consiste de una resistencia de radiación Rrad y una resistencia de perdida Rpérdida. Los promedios en el tiempo de la potencia radiada correspondiente Prady de la potencia disipada Ppérdidason
D Donde
SE E R S
O
CH E R E
S
DO A V R
(2.7) (2.8)
é
es la amplitud de la corriente sinusoidal que alimenta la antena. Como
se definió anteriormente, la eficiencia de radiación es el cociente entre Prad y P1. ξ
(2.9) é
é
La resistencia de radiación Rrad puede calcularse integrando la densidad de potencia en el campo lejano sobre una esfera para obtener Prady luego igualando el resultado a la Ec. 2.8. [9].
2.3.2. ANTENA DE RECEPCIÓN Una antena capta de una onda incidente sobre ella parte de la potencia que transporta y la transfiere al receptor. La antena actúa como un sensor e interacciona con la onda y con el receptor, dando origen a una familia de parámetros asociados con la conexión circuital a este y a otra vinculada a la interacción electromagnética con la onda incidente.
35
2.3.2.1.
PARÁMETROS OPERATIVOS DE UNA ANTENA DE RECEPCIÓN
a) Longitud de onda Se define la longitud de onda ( ) como la distancia que recorre el pulso mientras una partícula del medio que recorre la onda realiza una oscilación completa. También se describe como la distancia existente entre dos planos inmediatos de partículas del medio que estén en el mismo estado de movimiento. Como se define en la ecuación 2.10 para en cualquier otro tipo de onda, es igual a la velocidad de propagación de la onda dividida por la frecuencia.
S
DO A V R
SE(2.10) E R OS
H
EC R E D
Donde,
: Longitud de onda : Velocidad de la luz : Frecuencia
b) Área y longitud efectiva La antena extrae potencia del frente de onda incidente, por lo que presenta una cierta área de captación o área efectiva Aef, definida como la relación entre la potencia que entrega la antena a su carga (supuesta para esta definición sin perdidas y adaptada a la carga) y la densidad de potencia de la onda incidente que representa físicamente la porción del frente de onda que la antena ha de interceptar y drenar de él toda la potencia contenida hacia la carga.
2.3.2.2.
COMPONENTES DE UNA ANTENA DE RECEPCIÓN SATELITAL
a) Reflector Reflector parabólico Un reflector diédrico presenta, en general, una ganancia muy reducida y se requieren grandes superficies y ángulos reducidos para conseguir 36
directtividades
apreciables.
Una a
configu uración
q que
perm mite
obtener
directtividades elevadas utiliza un u reflector parabó ólico com mo superfficie reflecctante. El principio p de su funcio onamiento o, heredado o de la óp ptica, consiiste en fo ocalizar la potencia incidente en el refllector sobre una fue ente prima aria situad da en su fo oco.
E
S E R OS
S
DO A V R
CH E F 2.1. Disttintas config Fig guraciones de reflectorr parabólico o R DE
Fue ente: Antenas s. A. Cardama a, L. Jofre, J.M M. Rius, J. Ro omeu, S. Blan nch, M. Ferra ando. Edicion nes UP
Análisis Geom métrico de un reflecttor parabó ólico L geometría de un reflector parabólico La p o queda to otalmente caracteriza c ada por un u corte qu ue comprende el eje, cuya form ma es la una parábo ola: curva que q equid dista de un n punto (focco) y una recta r (gene eratriz). S estable Se ece media ante la a aproximación de óp ptica geométrica, que q cualq quier onda emanada del foco será s refleja ada en el re eflector de e acuerdo con c la leyy de Snell, de lo que resulta qu ue la direccción de sa alida es paralela al ejje y que, además, lo os caminos recorrido os son igua ales, lo que da origen a una on nda plana a en la bo oca del pa araboloide.. Esta aprroximación equivale a desprecciar localm mente la curvatura de la parábo ola al calcular la refle exión de ca ada rayo. E un refle En ector ha de d dimenssionarse su s diámetrro D de fo orma que se obten nga la ga anancia de eseada, quedando todavía la a libertad de elegirr la distan ncia focal f. f el cocien nte f/D es de d gran importancia e en el diseñ ño, ya que fija la posición del foco y la curvatura c d la paráb de bola, y con ndiciona el diagrama de radiación del alimentadorr.
377
OS D A V Fig 2.2 2. Reflexión n de las señ ñales delR sa atélite en el disco parab bólico E S E R OS H C E DER
Fuen nte: María Ca armen España a Boquera. (2 2003) “Servic cios Avanzado os de Telecomunicacione es”. Edicion nes Díaz Santtos S.A
Análisis Electrromagnétiico de un reflector parabólico p o P Para la obtención dell campo ra adiado por un reflecto or parabólico, existe e un cierto o número de d técnicas s bien con nocidas. El método de d análisis más habittual es el de apertu ura donde se presup pone el co onocimientto de la diistribución de camp pos en la apertura a de e la antena a, en este caso c la boca del refle ector. A pa artir de essta distribu ución de campos c se obtienen las corrien ntes equiv valentes en n la aperttura, y de ellas, los parámetros p s de radia ación de la antena. Es E un méto odo de fá ácil aplicación y los s resultado os son prrecisos cu uando las dimension nes eléctrricas del reflector son grand des. Para ciertas a aplicacione es donde se requiera precis sión en el cálculo de el diagram ma o en las que las dimension nes eléctrricas del re eflector sea an modera adas, pued de ser nece esario utiliz zar el méto odo de la as corrienttes inducid das. Este principio es e más co omplejo, y consiste en calcu ular las corrrientes ind ducidas so obre la sup perficie del reflector para, a pa artir de ellas, calcula ar directam mente los campos c rad diados, inttegrando la a contribuc ción de todas las co orrientes ind ducidas so obre la sup perficie del reflector.
388
b) LNB B Del inglés Low wNoise Bllock o bloq que de ba ajo ruido en e españoll, Es la pa arte principa al de la antena a y se s encarg ga de con nvertir las señales de muy alta a frecuenc cia (microo ondas) re ecibidas de esde el sa atélite en frecuencias s Intermed dias (FI), para permitirr el envío a la Unida ad Interior por medio o de un cable c coax xial. Otra fun nción importante de el convertiidor es la de amplificar la se eñal, la cu ual, debido a la gran distancia que separra el satélite del pun nto de rec cepción, lle ega muy débil a la an ntena. Este e proceso empobrec ce la calidad de la señal, s ya que q introducce un ruido o térmico in ntrínseco en e el circuito; por lo tanto, es indispensa i able
OS D A V dos entre 0.4 ruido. Lo os LNB tie enen valore es de Facto or Ruido 0 dB (ban nda Rcomprendid E S Emadamentee, la graan mayoría de esstos C) y 1 1.5 db (b banda Ku u) aproxim R S HOorados tammbién el ilumminador y el polarizaador. convertiidores lleva anC incorpo E DER
utilizar cconvertidores que inttroduzcan en el siste ema la menor cantida ad posible e de
F Fig 2.3. LNB B Fuen nte: María Ca armen España a Boquera. (2 2003) “Servic cios Avanzado os de Telecomunicacione es”. Edicion nes Díaz Santtos S.A
c) Pola arizador Las señales transmitida t as por el ssatélite lleg gan a la parábola a través de un campo electromag gnético qu ue podrá presentar p u una polarizzación line eal (vertica al u horizonttal) o circu ular (dextro orsa o siniestrosa), lo cual pe ermite obte ener el ma ayor número posible de d canales sin que interfieran entre sí. E El polariza ador, forma ado por una a sección de d despola arización ccircular-line eal y una ssección de e polarizac ción lineal, permite sólo s la circulación de las emisioness polarizad das en una u 399
determinada man nera, aten nuando la as demás s. La pola arización deseada se seleccio 5 mA) proc ona a travé és de una corriente c (normalmen nte de ± 35 cedente de e la Unidad de Recepc ción Interio or. El p polarizadorr puede se er de tipo magnético o (la polarización se selecciona a (la través de un ca ampo mag gnético ge enerado po or una bo obina) o mecánico m polariza ación se se elecciona a través de e la rotació ón acciona ada por un motor dip polo de recepción).
E
S E R OS
H
EC R E D
S
DO A V R
Fig 2 2.4. Polariza ador Fue ente: Maria Ca armen Espan naBoquera. (2 2003) “Servic cios Avanzado os de Telecomunicacione es” . Edicion nes Diaz Santtos S.A
d) Ilum minador En el e diseño del d ilumina ador se pe ersiguen do os objetivo os básicos: obtener una u eficiencia elevada a y un nive el de polarrización crruzada baja a. Otras característic c cas del dise eño de un na antena a de reflecctor parab bólico, com mo el nive el de lóbu ulos secunda arios, depe enden de lo os criterioss de elección del refle ector princ cipal. Para a los reflec ctores sim métricos, el iluminado or ideal serría aquel que q produjera una disttribución en e la aperttura que fu uera consttate en am mplitud y fa ase y que no radiara fuera del sector s angular cubierto por el reflector. r A Analizando o la antena en recepció ón se tien ne que pa ara este caso, c el iluminador ideal seríía aquel que q captara toda la potencia p in nterceptada a por el re eflector, cu uando una a onda pla ana linealme ente polariizada incid diera norm malmente sobre s él. E El iluminad dor debe ser 400
capaz de d adaptars se a la disttribución de d campos generada en el plan no transverrsal que con ntiene l foco por la on nda inciden nte.
Los diferentes s iluminadores pued den agrupa arse en do os categorrías según n el tipo de modos m que e soporten:
Mod dos transv versales puros p (TE,, TM) Es la forma más m sencilla de ilum minador y consiste en una guía o boc cina
propaga ando el modo m funda amental. El E ejemplo o más significativo es la guía a y
S O D A asimétriico, lo que crea una pérdida de e eficiencia RaVy un aummento de laa polarizacción E S E cruzada a. Este inconveniente e puede se er reducido escogien ndo un rad dio adecua ado R S O H adores permiten obttener eficieencias de hasta de la gu uía, a/λ. Es stos h un 85% Cilumin E R E pero coD n anchos de d banda reducidos. r bocina circulares con el modo TE11. El diagra ama de radiación es s ligerame ente
Mod dos híbrid dos (HE, EH) E El término t hib brido desc cribe los m modos que e tienen ccomponentte de cam mpo
eléctrico o y simultá áneamente e de campo o magnétic co en la dirrección de propagaciión. Una superposició ón de esto os modos puede ra adiar un d diagrama circularme c ente simétric co con dia agrama de polariza ación cruz zada nulo. Las dos s estructu uras básicas que los so oportan so on las supe erficies corrrugadas y los conos s dieléctric cos, las cuales permite e obtener eficiencias e elevadas debido a la a simetría del diagra ama y, por ta anto de la a iluminació ón del refllector, con n niveles d de polariza ación cruza ada bajos. Sus S princip pales incon nvenientes pueden se er su meca anización laboriosa y la complejidad de an nálisis.
Fig 2 2.5. Ilumina ador Fue ente: Maria Ca armen Espan naBoquera. (2 2003) “Servic cios Avanzado os de Telecomunicacione es”
411
e) Actuador Se trata de una estructura mecánica exterior accionada por un motor, capaz de modificar el apunte de la antena parabólica y recibir las señales procedentes de varios satélites. Estos son de tipo lineal o circular. Los primeros están constituidos por un brazo extensible motorizado, que se fija entre el mástil de soporte y la parábola, y permite que esta última recorra el arco en el cual se encuentran los satélites. Los segundos están conectados a la base de la antena y hacen mover la parábola por medio de un acoplo mecánico con rueda dentada o similar. [1].
E
S E R OS
2.3.2.3. ANTENA PARABÓLICA
CH E R DE del reflector Diámetro
S
DO A V R
a) Características técnicas
Él diámetro más adecuado de un reflector de antena parabólica depende de su emplazamiento geográfico y de la cobertura o nivel de señal del satélite que deseamos captar. Cada satélite tiene una zona de cobertura o huella dentro de la cual se reciben sus señales. En el centro de la huella se recibe la máxima señal y a medida que nos alejamos del centro de la huella las señales disminuyen de nivel, y por tanto, la recepción es más difícil. Cuanto mayor sea la superficie del reflector, mayor será la energía electromagnética que llega a él y mayor será, por tanto la energía concentrada en el foco. Como la superficie depende del diámetro, podemos afirmar que cuanto mayor sea el diámetro del reflector, mayor energía se concentrara en el foco de la parabólica. En resumen, para el mismo nivel de señal, una antena parabólica de gran tamaño tendrá más ganancia que otra de menos tamaño situada en el mismo punto geográfico, y, por tanto, se mejora la recepción. Tampoco es cuestión de utilizar los reflectores de mayor diámetro para todos los casos y circunstancias, pues existen otros factores en contra, como su mayor precio o la mayor influencia del viento sobre los mismos lo que puede desajustar su orientación respecto al satélite. 42
Ganancia La ganancia de una antena parabólica expresa la cantidad de señal captada que se concentra en el alimentador. Depende del diámetro y la exactitud geométrica del reflector y de la frecuencia de recepción. La exactitud geométrica está relacionada con la precisión con la que se ha fabricado el reflector de la antena parabólica. Teniendo en cuenta que cualquier desviación de la curva parabólica hará que la energía que llegue al reflector no se refleje exactamente en el foco, sino en un punto por delante o por detrás del, con lo cual perderemos energía.
OS D A menor deberá ser el diámetro del reflector. RVAsí, una señal en la banda Ku E S E necesita un reflector de menor diámetro que otra señal de la banda C. La R S O CH se expresa en dB, y se refiere con respecto a una ganancia delEreflector R DEisotrópica, es decir, con respecto a una antena que reciba antena En los que respecta a la frecuencia se tiene que cuanto mayor sea esta,
exactamente lo mismo de todas direcciones. Rendimiento Se define como rendimiento de una antena parabólica el cociente o relación entre la cantidad de energía incidente en el reflector y la concentrada en el foco. El rendimiento está determinado, fundamentalmente, por el iluminador y con las desviaciones que pueda sufrir el reflector. Desviaciones de 1 o 2 mm son importantes en el rendimiento, por lo que para asegurar una buena ganancia y rendimiento es preferible que los reflectores se fabriquen de una sola pieza y con desviación máxima de la curvatura de 1mm. El rendimiento no se puede calcular con una formula, ya que además de los expuesto, son otros muchos los parámetros que le pueden afectar negativamente como la superficie irregular, mala colocación del iluminador, tamaño excesivo de las varillas de sujeción, bordes irregulares y otros. Se considera aceptable el rendimiento de una antena entre el 55 y 65%, ya que uno mayor provoca la aparición de lóbulos secundarios que interferirán en el principal.
43
Relaciones R s D/f y f/D P Para lograrr un rendim miento alto o, del orde en del 60% %, es nece esario que e el perffil se acerq que lo máx ximo posib ble a la pa arábola. Pa ara que es sto se cum mpla deb be existir un na relación n exacta en ntre el diám metro, el fo oco y la pro ofundidad del refle ector para abólico, pues p estos s tres pa arámetros están es strechame ente relacionados entre e sí. Cualquier va ariación en n uno de elllos afecta los demás s. Angulo A de radiación n S trata de Se el ángulo dentro de el cual la señal cap ptada por la antena se
OS D A Vrespectto a la direección exaacta ángulo que pu uede desp plazarse la antenaR co on E S Ere una atennuación dee 3 dB. del satélite ha sufr asta que la señalR S HO C E DER
man ntiene entrre el 100 y 50% de e potencia a o, dicho con otras s palabras, el
Fig g 2.6. a) An ntena orienta ada correcttamente haccia el satélitte b) An ntena desviiada un ang guloα con re especto a la a dirección correcta c Fuente:: Francisco Ruiz R Vassalle.. (1996) “Guia a para instala adores de anttenas”
Relación R señal/ruido s o S Siempre qu ue se emite o se reccibe una se eñal de radio, lleva acoplada a u una señal de ruid do. Obviam mente, cua anto meno or sea la relación de d ruido con c resp pecto a la señal, má ás óptima sse conside erara la se eñal "valida a". Incluso en las transmisio ones digitales, se tienen que usar u métod dos de mo odulación que q 444
reduzcan
el
ruido
y
amplifiquen
la
señal
de
radio.
El resultado de dividir el valor de la señal de datos, por la señal de ruido es lo que se conoce como relación señal/ruido. Cuanto mayor es, mejor es la comunicación.Se expresa en decibelios (dB), y en escala exponencial, lo que quiere decir que una relación señal ruido de 10 dB, indica que la señal es 10 veces mayor que la de ruido, mientras que 20 dB indica 100 veces más potencia. Factor de ruido
S
DO A V R
Se define el factor de ruido (F) de una antena como la potencia mínima
E
que debe tener la señal captada para que quede tapada por el ruido de la
S E R OS
propia antena. En el caso de antenas parabólicas para la recepción de
CH E R DE llegan son muy pequeñas, es muy importante alcanzar unos factores de ruido emisiones de radio y televisión vía satélite, en las que las potencias que mínimos. Atenuación
Las señales de transmisión a través de largas distancias están sujetas a distorsión que es una pérdida de fuerza o amplitud de la señal. La atenuación es la razón principal de que el largo de las redes tenga varias restricciones. Si la señal se hace muy débil, el equipo receptor no interceptará bien o no reconocerá esta información. Para las señales con las cuales trabajan las antenas para enlace satelital tenemos dos tipos de atenuación descritas a continuación:
‐ Atenuación en el espacio libre Las pérdidas de potencia más grandes en un enlace satelital ascendente o descendente se deben a la enorme distancia entre el satélite y las estaciones terrenas. Aunque su valor exacto depende de la frecuencia, tales pérdidas son del orden de 200 dB para satélites geoestacionarios. A dicha disminución de potencia debida a la distancia viajada por una señal portadora se le llama atenuación por propagación en el espacio libre. 45
10 log
(2.11)
Donde, : Atenuación en el espacio libre : Longitud de onda : Diámetro
OS D A Es aquella donde a diferencia de la longitud RV entre el satélite y la estación E S E terrena, para la perdidaS de R potencia de la señal se toman en cuenta las O H C lluvias, densidad de las nubes, absorción por arboledas cercanas a la E R E D antena, dispersión de energía debido a precipitaciones refracción en la ‐ Atenuación por agentes atmosféricas
atmosfera (levantamiento del horizonte), entre otros. Generalmente se encuentra en un límite de 0 a 2 dB. Se denota por
.
‐ Atenuaciones adicionales También hay otros factores que pueden influenciar de una manera u otra en la potencia de la señal tales como: difracción por zonas de Fresnel, desvanecimiento por múltiple trayectoria, desacoplamiento de la polarización de la onda, etc. Para obtener el valor de atenuación total se deben sumar cada una de las atenuaciones calculadas. [12]. Temperatura del sistema La temperatura de ruido del sistema
la componen dos partes
fundamentales, que son las debidas a la temperatura de ruido del sistema y las debidas a la temperatura de ruido del receptor
. El nivel de
ruido del sistema, en teoría, se podría reducir el valor deseado aumentando el tiempo de integración, el ancho de banda del sistema, o bien promediando 46
un número alto de observaciones. En la práctica, sin embargo, el tiempo de integración viene limitado por el periodo de variaciones de señal propias de la fuente e estudio y el ancho de banda se puede ampliar debido a la pérdida de resolución espectral y a la mayor posibilidad de interferencias terrestres. (2.12) Ruido y Calidad de la señal La relación señal ruido S/N es la diferencia entre el nivel de la señal y el
OS D A RVsea el nivel de la señal. La S/N más o menos perjudicial en función de cual E S E R se calcula como la diferencia entre el nivel de la señal cuando el aparato S HO de trabajo y el nivel de ruido cuando, a ese mismo Cnominal E funciona R a nivel DE nivel de ruido. Se habla de relación señal ruido porque el nivel de ruido es
nivel de trabajo, cuando no se introduce señal. Para hallar este valor se debe estudiar la relación portadora a ruido la cual toma en cuenta el ruido como una distorsión a la señal recibida.
33,53
La razón portadora a ruido
(2.13)
/
es el nivel relativo de potencia de la
portadora de la señal con respecto al nivel de ruido en un sistema. Determina básicamente la calidad del sistema. La portadora se refiere a la señal de información en este caso.
(2.14) y,
(2.15)
47
(2.16) Don nde, : Portadora P : Ruido R : Potenciia isotrópic camente ra adiada equ uivalente :G Ganancia : Atenuació ón total :C Constante de Boltzman : Tempera atura del sis stema
E
S E R OS
:A Ancho de banda b
H
EC R E D
S
DO A V R
b) Tipos T de antenas a parabólicas s Foco F prima ario
L antena parabólica La p de foco ce entrado, o prime focu us, se cara acteriza po or la posición del alimentado a or ya que se encuen ntra en el foco del reflector r (F Fig. 7a),, dada la sombra s de proyecció ón que para a la señal produce el e alimentador y la as varillas de sujeción no es posible un aprovecchamiento del 100% % la superficie refflectante del plato, implican ndo una ligera pé érdida en el rend dimiento de la antena a. En la Fig 7b la zona tramada represen nta la enerrgía elec ctromagnéttica incide ente en el reflector, es notable que en el centro se obtiene una zo ona a la qu ue no llega a energía electromag e gnética, de ebido a que e el ilum minador hac ce sombra a en ella.
F 2.7. a) Alimentador Fig A situado en el foco de lla parábola.. b) Ilu uminador pro roduce una sombra de señal en ell centro del reflector 488
Fuente: Francisco Ruiz Vassalle. (1996) “Guía para instaladores de antenas”.
Para hallar la distancia focal de una antena foco
primario
con
un
diámetro dado se utiliza la siguiente formula:
(2.17) Donde, : Radio del plato parabólico : Profundidad del plato parabólico
H
EC R E D
Offset
E
S E R OS
S
DO A V R
Se trata de un tipo de antena cuyo reflector está constituido por una sección transversal de una parábola.Tienen el Foco desplazado hacia abajo, de tal forma que queda fuera de la superficie de la antena. Para sostener el alimentador en dicha antena se utiliza un brazo que sale de debajo del reflector (Fig. 8a), de manera que ni la unidad exterior ni el brazo que la sustentan proyectan sombra alguna sobre el plato, ya que quedan fuera de la línea de visión del satélite. Debido a la reflexión de las ondas electromagnéticas en la superficie del reflector (ángulo de incidencia = ángulo reflejado), el reflector de las antenas off-set es mucho más inclinado que el de las de foco primario. El rendimiento de las antenas off-set alcanza el 65% con lo cual, a igualdad de ganancia, el diámetro del reflector es menor que el de las antenas de foco primario. La atenuación de los lóbulos secundarios es muy buena, así como también
la polarización circular más no la polarización
lineal. Las antenas de este tipo son muy utilizadas en instalaciones individuales, donde el diámetro del reflector no supera los 90 cm.
49
OS D A Fig 2.8. a) a La zona tramada ess la superfic RcieVde un refflector parabólico – E S Eeda situadoo fuera de laa vertical dee la misma. R A Antena offse et en la que e el foco que S HO b) Perfil dde un reflecttor parabólicco C E DER Fuente: Francisco Ruiz R Vassalle. (1996) “Guía a para instala adores de anttenas”.
Fig 2.9. a) El alimentador a en el brazo o por debajo o del reflecttor. u exterrior ni el bra azo que la sustenta s pro oyectan som mbra alguna a b) Ni la unidad sobre el pla ato. Fuente:: Francisco Ruiz R Vassalle.. (1996) “Guía a para instala adores de anttenas”
Cassegrain C n y Gregorian L antena Cassegra La ain deriva del teles scopio del mismo nombre, que q consiste
en
un
refllector
principal 500
pa arabólico
combinad do
con
un
subreflectorhip perbólico, que se en ncuentra a una dista ancia más corta que e la dista ancia foca al del reflec ctor parabó ólicos (Fig 10a). El rreflector prrincipal reflleja la ra adiación in ncidente ha acia el foco o primario.. El reflecto or secunda ario posee e un foco o en comú ún con el reflector r parabólico. El sistema de alime entación está e situa ado en el e foco se ecundario, de mane era que el centro de d fases del alim mentador coincide co on el foco secundario s o del hiperrboloide. El E parabolo oide convvierte una a onda pla ana inciden nte en una esférica a dirigida hacia h el fo oco prim mario, que es entonc ces reflejad da por el subreflecto s r para form mar una on nda esfé érica incide ente en el alimentad dor. En cu uanto a su geometría a el diáme etro
OS D A dire ectamente por el subreflector de e diámetro RoVD, y por lla sombre que proyeecta E S Eel parabolloide, de ddiámetro D. Este tipoo de el ilu uminador desde d el fo oco sobre R S Oa gran direectividad, así comoo también una elevaada Huna C ante enas prese entan E R DEen pote encia ell receptor de d bajo ruido. resu ultante de e bloqueo o será el máximo o de los bloqueos s producid dos
P Por otra parte, p la antena a Gregorian es e una subclase de d la ante ena Casssegrain, estas e a dife erencia de e que utiliza an un subreflector elipsoidal (F Fig. 10b b) el cual se s encuen ntra más a allá del foc co del refle ector, su desventaja d a al igua al que las antenas Cassegrai C n es que bloquean una parte e de la se eñal de deb bido a los subreflecto s ores, alimentador (pa arabólica clásica) y estructuras e soporte, lo cual se tradu uce en una a degradac ción de la ganancia, reducción de la eficiencia del haz prin ncipal, incre emento en n el nivel de los lóbulos laterale es y una reducción n del nivel de d discriminación de e polarizaciión cruzada. [4].
b b)
a)
Fig 2.10. a)) Antena Ca assegrain. c) An ntena Grego orian. Fuente: Francisco Ruiz R Vassalle. (1996) “Guía a para instala adores de anttenas”.
511
2.3.2.4. Consideraciones técnicas: a) Tolerancia
del
las
reflector:
desviaciones
de
una
superficie
perfectamente parabólica producirán errores de fase en la apertura, que significaran una pérdida de eficiencia y la aparición de una radiación difusa parasita. Un estudio de la rigurosidad de la superficie establece que para un error cuadrático medio de la superficie la perdida de la directividad puede expresarse como; b) Bloqueo: uno de los inconvenientes del alimentador frontal es el bloqueo
OS D A RunVagujero en la iluminación que superficie opaca en la apertura crea E S E el nivel de los lóbulos secundarios. R disminuye la directividad y aumenta S O H C E Para analizar ER este efecto se usa una aproximación, basada en la óptica D geométrica, de campo nulo sobre la zona de bloqueo, descomponiendo la que produce el alimentador o el subreflector. La presencia de una
iluminación resultante. Suponiendo una distribución entre la uniforme y la triangular en la apertura circular de diámetro Da, y un obstáculo de diámetro Db y distribución uniforme, el efecto que se produce es:
Una pérdida de directividad de valor
La aparición de un nivel residual de radiación que se superpone al de los lóbulos secundarios propios de la distribución sin bloqueo, de valor
c) Desadaptación de la bobina: un efecto asociado con el bloqueo es la aparición de una potencia reflejada en el alimentador. Al encontrarse este en el frente de onda del paraboloide, intercepta parte de la energía reflejada, y se produce en él una desadaptación. d) Radiación posterior del alimentador: la radiación posterior del alimentador puede interferir constructiva o destructivamente con la radiación proveniente del reflector. Esto produce una modulación del
52
d diagrama cuya imp portancia depende de la re elación en ntre las dos d a amplitudes. [1]. e) D Datos de Apunte A de e la anten na: Para el e apunte d de la pará ábola hacia a el ssatélite es preciso conocer los siguientes s valores:
L LatRx: Latitud estació ón recepto ora.
L Long Rx: Longitud L esstación rec ceptora.
L Long Sat: Longitud satélite. s [5].
E
S E R OS
H
EC R E D
S
DO A V R
Fig 2..11. Definicion de los e elementos para p el apun nte de la an ntena Fue ente: Manual Alumno Proffesor- modSa at5/EV- Electrrónica Venettta.
F 2.12. a) Montaje Azzimut-Eleva Fig ación b) Montaje Polar Fue ente: Manual Alumno Proffesor- modSa at5/EV- Electrrónica Venettta.
533
2.3.3. MÉTODOS DE ANÁLISIS DE ANTENAS Independientemente de la geometría del plato, se tienen diversos métodos de análisis de antenas. Entre los métodos más comunes para describir el funcionamiento de la antena se encuentran el modelo de los momentos (MoM) y el modelo de elementos finitos (FEM); para el análisis de la antena diseñada en esta investigación se aplicara el Método de los Momentos, por ser el método empleado por el software a utilizar para las simulaciones. Ambos métodos se explican a continuación:
2.3.3.1.
MÉTODO DE LOS MOMENTOS (MoM)
OS D A dividir la geometría en un numero N de segmentos, los cuales pueden o no tener la RV E S Eimpedancia propia y una impedancia mutua misma longitud. Cada segmento tiene una R S HO C en cada par de ellos. Dado que las redes neuronales aproximaran las corrientes a una E R E Dno es necesario realizar una segmentación muy grande en la antena lo función sinodal, El procedimiento para la aproximación de corrientes consiste inicialmente en
cual facilita aún más la obtención de la distribución aproximada. La relación de voltaje, corriente e impedancia de los segmentos en forma matricial está representada por: donde
e
La matriz
son arreglos de N elementos y
es una matriz de impedancias.
está formada por los puntos de alimentación de la antena, es decir, si la
antena se alimenta en un solo punto, todos los elementos son cero excepto en el segmento de alimentación. El método de momentos no obtiene directamente la distribución de corrientes. Este método obtiene la impedancia propia de la antena, esto se debe a que el método de momentos resuelve ecuaciones integrales, en donde el integrado es la incógnita, el análisis del método de momentos parte de las ecuaciones de Maxwell del campo eléctrico producido en cualquier punto. Una vez obtenidos los datos que determinan la matriz de admitancias, esta matriz se invierte obteniendo así la de impedancias. [11].
2.3.3.2.
MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS (FEM o MEF)
La idea general del método de los elementos finitos es la división de un elemento continuo en un conjunto de pequeños elementos interconectados por una serie de puntos llamados nodos. Las ecuaciones que rigen el comportamiento del continuo 54
regirán también el del elemento. De esta forma se consigue pasar de un sistema continuo (infinitos grados de libertad), que es regido por una ecuación diferencial o un sistema de ecuaciones diferenciales, a un sistema con un número de grados de libertad finito cuyo comportamiento se modela por un sistema de ecuaciones lineales o no, En cualquier sistema a analizar podemos distinguir entre: Dominio: espacio geométrico donde se va a analizar el sistema. Condiciones de contorno: variables conocidas y que condicionan el cambio del sistema, por ejemplo cargas, desplazamientos, temperaturas, voltaje, focos de calor,
OS D A Incógnitas; variables del sistema que se desea RVconocer después de que las E S E el sistema. condiciones de contorno han actuadoR sobre S HO C E ER El método D de los elementos finitos supone, para solucionar el problema, el dominio entre otros,
discretizado en subdominios denominados elementos. El dominio se divide mediante puntos (en el caso lineal), mediante líneas (en el caso bidimensional) o superficies (en el tridimensional) imaginarias, de forma que el dominio total en estudio se aproxime mediante el conjunto de porciones en que se subdivide. Los elementos se definen por un número discreto de puntos llamados nodos. Sobre estos nodos se materializan las incógnitas fundamentales del problema. En el caso de elementos estructurales, estas incógnitas son los desplazamientos nodales, ya que a partir de estos se puede calcular el resto de incógnitas que sean de interés. A estas incógnitas se les denomina grados de libertad de cada nodo del modelo. Los grados de libertad de un nodo son las variables que determinan el estado y/o posición del nodo. En sistema, debido a las condiciones de contorno, evoluciona hasta un estado final. En este estado final, conocidos los valores de los grados de libertad de los nodos del sistema, se puede determinar cualquier otra incógnita deseada. También es posible obtener la evolución temporal de cualquiera de los grados de libertad. Planteando la ecuación diferencial que rige el comportamiento del continuo para el elemento, se llega a fórmulas que relacionan el comportamiento en el interior del mismo con el valor que tomen los grados de libertad nodales. Este paso se realiza por medio 55
de ciertas funciones llamadas de interpolación, ya que estas “interpolan” el valor de la variable nodal dentro del elemento. El problema se formula en forma matricial debido a la facilidad de manipulación de las matrices mediante computador. Conocidas las
matrices que definen el
comportamiento del elemento (en el caso estructural serán las llamadas matrices de rigidez, amortiguamiento y nada, aunque esta terminología ha sido aceptada en otros campos de conocimiento) se ensamblan y se forma un conjunto de ecuaciones algebraicas lineales o no, las cuales, una vez resueltas proporcionan los valores de los grados de libertad en los nodos del sistema. [13].
OS D A 2.3.4. 4NEC2® (SOFTWARE COMPUTACIONAL) RV SE E R NEC2 es un código de computadora OS con cuya ayuda pueden ser presentadas las H C propiedades electromagnéticas de las antenas y otras estructuras metálicas. La ERE D abreviación NEC significa NumericElectromagneticCode. NEC2 surge sobre 1970 a partir del programa AMP (AntennaModelingProgram). Hay por lo mismo cuatro versiones de NEC, desarrollado en 1981 con propósitos militares en los laboratorios Lawrence Livemore de FY Burke y AJ Poggio. Es la versión libre más utilizada del código de dar, 4NEC2 es una interfaz gráfica de NEC2 más fácil para el diseño y los resultados
pueden
evaluarse
mejor.
4nec2
está
disponible
en
internet
en
www.nec2.orgbajo enlace de descarga libre. Nec2 está basado en la solución numérica de las ecuaciones integrales para corrientes inducidas en la estructura de una antena para fuentes y campos auxiliares. Además 4NEC2 incluye un método para modelar el suelo (“Grounds”), basado en las integrales de Somerfield, y una opción para cambiar las estructuras sin necesidad de repetir (la llamada función de Green numérica). A través del GeometryBuilder y Editor 4NEC2 permite al usuario crear la estructura geométrica, lo que también incluye fuentes de voltaje, líneas de transmisión y cargas, es decir, finalmente desarrollar y modificar el modelado de una antena. Por defecto, el programa representa la antena en el espacio libre, también se pueden representar en un plano de tierra (Groundparams) y seleccionar el tipo de tierra que se desea, este puede ser: Free Space, FastGround, PerfGround y Real Ground. 56
Al modelar la estructura de la antena debemos considerar: Los hilos deben conectarse por sus extremos. Aquellos que se aproxime serán automáticamente interconectados. Por tanto, debemos evitar poner dos hilos demasiado cerca. Dos alambres no deben cruzarse ni atravesar el mismo área, produciéndose errores graves al considerarse conectados. Cada hilo es dividido en segmentos individuales. The NEC-maschine considera que en cada segmento se desarrolla la potencia de una sinusoide y que en la unión de los extremos de dos hilos se suman los flujos de ambos. Esto nos da un numero
S
DO A V segmentos al igual que el tiempo de computación. ER[27]. S E R S O CHCOMPUTACIONAL) E 2.3.5. EZNEC® (SOFTWARE R DE
finito de variables a determinar. La exactitud del resultado depende del número de
EZNEC es un programa que permite obtener una variedad de parámetros
partiendo de un diseño antena base, dichos parámetros que procesa el programa son: Valores de impedancia del feedpoint, SWR, y la distribución actual; amplitud de rayo de los hallazgos y de los informes, puntos del patrón 3-dB, cociente de f/b, ángulo del despegue, características del lóbulo lateral; y más. Toda la información, incluyendo patrones, se puede exhibir en la pantalla o imprimir en cualquier impresora compatible de Windows. Y es fácil de utilizar con la estructura del menú de EZNEC, hoja de balance-como entrada, y muchas atajan características. Patrones del acimut y de la elevación de los diagramas de EZNEC. Las descripciones de la antena y los diagramas del patrón se ahorran y se recuerdan fácilmente para el análisis futuro. Los patrones múltiples se pueden sobreponer en un solo gráfico para la comparación. Girar la exhibición de la antena y enfocar
adentro
para
los
detalles.
Por
otro
lado
el
EZNEC ofrece una exhibición de patrón en 2D, y una vista 3D para la observación del diseño
de
la
antena
importado.
EZNEC se diseña específicamente para ser amistoso y fácil de utilizar mientras que aprovecha completo del motor calculador de gran alcance y versátil NEC-2. EZNEC es totalmente controlado por menú; todas las entradas y cambios se hacen directo y rápidamente. El alambre, la fuente, la carga, la línea de transmisión, y las entradas de 57
la tierra se hacen en a hoja de balance-como formato. Se incorporan muchos atajos. Por ejemplo, los alambres se pueden girar con un comando simple de diseñar las antenas de lazo de la uve y del delta sin tener que pulir sus habilidades de la trigonometría. [28].
2.3.6. SATÉLITE DE ENLACE Se denomina satélite artificial a cualquiera de los objetos puestos en órbita alrededor de la Tierra con gran variedad de fines, científicos, tecnológicos y militares. El primer satélite artificial, el Sputnik 1, fue lanzado por la Unión Soviética el 4 de octubre
S
DO A V R
de 1957. El primer satélite de Estados Unidos fue el Explorer 1, lanzado el 31 de enero
SE E R En los años siguientes se lanzaron OSvarios cientos de satélites, la mayor parte desde H C REla antigua URSS, hasta 1983, año en que la Agencia Espacial Estados Unidos yE D desde de 1958, y resultó útil para el descubrimiento de los cinturones de radiación de la Tierra.
Europea comenzó sus lanzamientos desde un centro espacial en la Guayana Francesa.
El 27 de agosto de 1989 se utilizó un cohete privado para lanzar un satélite por primera vez. El cohete, construido y lanzado por una compañía de Estados Unidos, colocó un satélite inglés de difusión televisiva en órbita geosíncrona. En la actualidad hay satélites de comunicaciones, navegación, militares, meteorológicos, de estudio de recursos terrestres y científicos. Estos últimos se utilizan para estudiar la alta atmósfera, el firmamento, o para probar alguna ley física. Los satélites artificiales se alimentan mediante células solares, mediante baterías que se cargan con las células solares y, en algunos casos, mediante generadores nucleares, en los que el calor producido por la desintegración de los radioisótopos se convierte en energía eléctrica. Los satélites están equipados con transmisores de radio para enviar datos, con radiorreceptores y circuitos electrónicos de almacenamiento de datos, y con equipos de control como sistemas de radar y de guía para el seguimiento de estrellas. Los satélites se colocan en órbita mediante cohetes de etapas múltiples, también denominados lanzadores. Para ello, la NASA desarrolló el proyecto Lanzadera Espacial y la Agencia Espacial Europea el cohete Ariane. En los últimos tiempos la República Popular de China ha desarrollado el lanzador Larga Marcha, mucho más barato que cualquiera de los anteriores; el tiempo dará cuenta de su fiabilidad. 58
2.3.6.1. ESTACIÓN TERRENA Una estación terrena satelital es un conjunto de equipo de comunicaciones y de cómputo que puede ser terrestre (fijo y móvil), marítimo o aeronáutico. Las estaciones terrenas pueden ser usadas en forma general para transmitir y recibir del satélite. Pero en aplicaciones especiales solo pueden recibir o solo pueden transmitir. A continuación se enumeran cada uno de los subsistemas básicos que integran una estación terrena satelital. 2.3.6.2. SATÉLITES GEOESTACIONARIOS
S
DO A V R
SE E R Una órbita geoestacionaria OS o GEO es una órbita geosíncrona directamente H C E encima DEdelRecuador terrestre, con una excentricidad nula. Desde tierra, un a) Órbita Geoestacionaria
objeto geoestacionario parece inmóvil en el cielo y, por tanto, es la órbita de
mayor interés para los operadores de satélites artificiales (incluyendo satélites de comunicación y de televisión). Debido a que su latitud siempre es igual a 0º, las locaciones de los satélites sólo varían en su longitud. La idea de un satélite geosíncrono para comunicaciones se publicó por primera vez en 1928 por Herman Potočnik. La idea de órbita geoestacionaria se popularizó por el escritor de ciencia ficción Arthur C. Clarke en 1945 como una órbita útil para satélites de comunicaciones. En consecuencia, algunas veces se refiere a esta órbita como órbita de Clarke. De igual manera, el cinturón de Clarke es la zona del espacio, aproximadamente a 36.000 km sobre nivel del mar, en el plano del ecuador donde se puede conseguir órbitas geoestacionarias. Las órbitas geoestacionarias son útiles debido a que un satélite parece estacionario respecto a un punto fijo de la Tierra en rotación. Como resultado, se puede apuntar una antena a una dirección fija y mantener un enlace con el satélite. El satélite orbita en la dirección de la rotación de la Tierra, a una altitud de 35.786 km. Esta altitud es significativa ya que produce
59
un período orbital igual al período de rotación de la Tierra, conocido como día sideral. Las órbitas geoestacionarias sólo se pueden conseguir muy cerca de un anillo de 35.786 km sobre el ecuador. En la práctica, esto significa que todos los satélites geoestacionarios deben estar en este anillo, lo que puede suponer problemas para satélites que han sido retirados al final de su vida útil. Tales satélites continuarán utilizando una órbita inclinada o se moverán a una órbita cementerio.
S
Se utiliza una órbita de transferencia geoestacionaria para trasladar un
DO A V R
satélite desde órbita terrestre baja hasta una órbita geoestacionaria. Existe
SE E R OS proporcionan imágenes del espectro visible e infrarrojo de la superficie y H C E atmósfera DERde la Tierra. Entre estos satélites se incluyen: una red mundial de satélites de meteorológicos geoestacionarios que
GeostationaryOperationalEnvironmentalSatellite, de Estados Unidos. Meteosat, lanzados por la Agencia Espacial Europea y utilizados por la EUMETSAT. GMS, de Japón. INSAT, de la India. La mayor parte de los satélites de comunicaciones y satélites de televisión operan desde órbitas geoestacionarias; los satélites de televisión rusos suelen utilizar órbitas de Molniya debido a las latitudes altas de su audiencia. El primer satélite situado en una órbita geoestacionaria fue el Syncom-3, lanzado por un cohete Delta-D en 1964.
b) Footprint o Huella La zona de cobertura se representa en los mapas como huella o pisada de potencia del satélite en cuestión. La huella de potencia viene determinada de acuerdo a la abertura del haz de la antena transmisora del satélite. Como el satélite está en el ecuador, en principio la huella tendrá forma ovoidal. En la representación de la huella de potencia se indica el valor de la potencia con que emite el satélite hacia cada zona en concreto, 60
expresándola en dBW, Existen diferentes tipos de pisada de acuerdo a la potencia y frecuencia.
c) Bandas de frecuencia más usadas Las frecuencias utilizadas comúnmente por los satélites se encuentran dentro
del
rango
de
las
microondas.
Concretamente,
las
bandas
habitualmente empleadas son las siguientes:
S
DO A V R
Tabla 2.1. Bandas de frecuencia
ECH
DER
Banda
SE Frecuencia E R OS
Ascendente
(GHz)UPLINK
Frecuencia Descendente (GHz)DOWNLINK
C
5.925- 6.425 GHz
3.7 - 4.2 GHz
Ku
14.6 - 14.7 GHz
11.7 – 12.2 GHz
Ka
27.5 – 30.5 GHz
17.7 – 21.7 GHz
Fuente: Francisco Ruiz Vassalle. (1996) “Guía para instaladores de antenas”
Cuanto mayor es la frecuencia, menor es la longitud de onda asociada a la radiación y más reducido el tamaño de la antena necesaria para recibir las señales. Adicionalmente, a las frecuencias más elevadas corresponde un ancho de banda superior. Estas razones motivan que la banda Ka sea la que potencialmente ofrezca superiores capacidades; sin embargo, no deben pasarse por alto las limitaciones originadas por el efecto de las condiciones ambientales adversas sobre las señales de estas frecuencias más elevadas tales como los desvanecimientos y la atenuación debida a la lluvia. [2].
61
2.3.6.3.
DISTANCIA SATÉLITE – ESTACIÓN TERRENA a) Coordenadas WGS84 El WGS84 es un sistema de coordenadas cartográficas mundial que permite localizar cualquier punto de la Tierra (sin necesitar otro de referencia) por medio de tres unidades dadas.WGS84 son las siglas en inglés de World Geodetic System 84 (que significa Sistema Geodésico Mundial 1984). Se trata de un estándar en geodesia, cartografía, y navegación, que data
S
de 1984. Tuvo varias revisiones (la última en 2004), y se considera válido
DO A V R
hasta una próxima reunión en 2010, se estima un error de cálculo menor a 2
E
S E R OS
cm. por lo que se basa el Sistema de Posicionamiento Global (GPS).
CH E R E medio de un elipsoide, un cuerpo geométrico más regular que la Dpor tierra Consiste en un patrón matemático de tres dimensiones que representa la
Tierra, que se denomina WGS 84 (nótese el espacio). El estudio este y otros modelos que buscan representar la Tierra se llama Geodesia. Generalmente se proyecta éste sistema de coordenadas geodésicas (expresados en grados, minutos, segundos) a algún otro sistema de coordenadas cartesiano (pasar de un modelo 3D a uno 2D) llamados sistema de proyección típicamente UTM que se expresan en metros (en orden a su relación a un punto de origen arbitrario) que facilita cálculos de distancia y superficie. Una vez transformadas las coordenadas a cartesianas, se debe hallar la distancia desde el satélite a través de la siguiente formula:
Donde,
(2.18)
representa la diferencia entre la distancia del satélite
estación terrena
, ambas con respecto al centro de la tierra. (2.19) (2.20) 62
y de la
(2.21) y, cos
sen
(2.22)
(2.23)
0
Siendo cartesianas,
(2.24)
la transformación de los datos de la estación a coordenadas la posición del satélite en la Órbita de Clark y
centro de la tierra a la Órbita de Clark
E
S E R OS
S
DO A V R
la distancia del
CH E R DE LINEAL: representa la dirección del campo eléctrico en la 2.4.1. POLARIZACIÓN 2.4.
DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS:
entrada o salida de la antena, tomando como referencia el horizonte terrestre para denominar horizontal o vertical a cierta polarización. [4]. 2.4.2. POLARIZACIÓN CIRCULAR: es aquella polarización de una onda cuyo vector eléctrico es constante en magnitud y en cualquier punto determinado, describe un circulo a velocidad angular uniforme, de izquierda a derecha o viceversa (dextrorsa o siniestrosa). [8] 2.4.3. FRECUENCIA INTERMEDIA (FI):
la gran mayoría de los dispositivos
electrónicos mezclan la señal sintonizada en antena con una frecuencia variable generada localmente en el propio dispositivo mediante un oscilador local (OL) y que guarda con ella una diferencia constante, a diferencia entre las dos frecuencias es precisamente la frecuencia intermedia. [6]. 2.4.4. TEM (MODO TRANSVERSAL ELECTROMAGNÉTICO): un modo TEM se caracteriza por el hecho de que tanto el campo eléctrico, como el campo magnético que forman la onda son perpendiculares a la dirección en que se propaga la energía; sin existir, por tanto, componente de los campos en la dirección axial (dirección en que se propaga energía). 2.4.5. UNIDAD INTERNA: esta unidad es aquella que se instala en el interior de la estación, y comprende los dispositivos electrónicos que decodifican la señal 63
proveniente de la antena, dado los parámetros procesados por esta, para ser visualizados en un receptor. [3]. 2.4.6. ÁNGULO DE INCIDENCIA: se denomina ángulo de incidencia al ángulo que se forma
en
el
punto
de reflexión de una
onda sobre
algún objeto
reflectivo cóncavo ó convexo. 2.4.7. AZIMUT: es el ángulo o longitud de arco medido sobre el horizonte celeste que forman el punto cardinal sur (Norte) y la proyección vertical del satélite sobre el horizonte del observador situado en alguna latitud Norte (Sur). Se mide en grados desde el punto cardinal en sentido de las agujas del reloj: Norte-Este-Sur-
OS D A 2.4.8. RUIDO TÉRMICO: este ruido se asocia conR el V movimiento rápido y aleatorio de E S E producido por la agitación térmica, los electrones dentro de un conductor, R S HO electrónicos como LNBs. [6]. C también presente en dispositivos E DERequivalente a la radiada por una antena que emite en todas 2.4.9. PIRE:Potencia Oeste. [7].
direcciones. Resulta de la potencia del transmisor y de la ganancia de la antena. La PIRE se expresa en dBW (decibelio/Watios). Su valor es un factor influyente en la calidad de la recepción.
2.5.
OPERACIONALIZACION DE LAS VARIABLES
Primera Variable Nombre de la Variable: Diseño de una antena de recepción de enlace satelital. Definición Conceptual: Diseño se define como el proceso previo de configuración mental o escrita (prefiguración), en la búsqueda de obtener señales satelitales a través de una antena de recepción a una banda de frecuencia de operación estipulada, por otro lado para lograr un óptimo diseño mediante un programa se simulará su funcionamiento. Definición Operacional: Bosquejar el comportamiento esperando de la antena de
recepción
satelital,
dado
el
contenido
programático
de
laboratorio
de
comunicaciones de La Universidad del Zulia, operando en una banda de frecuencia a establecer, y, finalmente, verificar mediante simulaciones, si cumple con los criterios del diseño. 64
Segunda Variable Nombre de la Variable: Construcción de una antena de enlace satelital. Definición Conceptual: se define como construir al proceso de armar, instalar, y acoplar los componentes y estructuras de un producto final, previamente diseñado, con el objetivo de obtener una estructura de recepción de señales satelitales para su estudio. Definición Operacional: Armar, instalar y acoplar los componentes y dispositivos de una antena de recepción
para la obtención y análisis de
S
O exponiéndola a ondas electromagnéticas de prueba. VAD ER S E R S O CH E R DE
señales
satelitales, y posteriormente comprobar la calidad de recepción de dicha antena
65
Tabla 2.2. Cuadro de Variables
OBJETIVO GENERAL: DISENAR Y CONSTRUIR UNA ANTENA DE RECEPCIÓNPARA UN BANCO DIDACTICO DE ENLACE SATELITAL TERRESTRE PARA EL LABORATORIO DE COMUNICACIONES DE LA UNIVERSIDAD DEL ZULIA
Determinar los requerimientos técnicos que debe satisfacer la antena de enlace, considerando el enfoque del contenido programático del Laboratorio de Sistemas de Comunicaciones dictado en La Universidad del Zulia.
VARIABLE
Diseño de una antena de recepción de enlace satelital
OBJETIVO
INDICADORES
E R S O H EC
Requerimientos técnicos de la antena de enlace satelital
DER
DOS
A V R SE
SUB VARIABLE
-
Práctica de laboratorio: Experiencias. Descripción de los componentes Descripción del Funcionamiento. Conexiones de la antena. Apunte de enlace.
-
Objetivo. Conocer conceptos básicos de: Apunte y enlace de la antena. Montaje de la antena Funcionamiento de la antena receptora. Teoría estructural de la antena. Gestionar conexiones de la antena.
-
Material. Componentes estructurales de la antena: Bases Soportes Reflector Componentes funcionales de la antena: Polarizador Convertidor Cable coaxial -
66
FASE
TÉCNICAS DE RECOLECIÓN DE DATOS
FASE I Entrevista estructurada
Diseño de la antena de recepción de enlace satelital
VARIABLE
Diseño de una antena de recepción de enlace satelital
OBJETIVO
S O D VA
SUB VARIABLE
INDICADORES
S O H EC
Diseñar la antena de enlace satelital
DER
FASE
R E S RE
TÉCNICAS DE RECOLECIÓN DE DATOS
Selección de satélite de enlace - Datos técnicos Criterios de diseño Selección tipo de antena de recepción. Foco primario Offset Cassegrain Frecuencia de operación (Hz).
‐ Banda de frecuencia de operación: Banda C Banda Ku Banda Ka Dimensiones de la antena. Materiales a utilizar. Tipo de iluminador (LNB). Longitud de onda (m) Ganancia (dB) Ancho de Banda (Hz) Atenuación (dB) Temperatura del sistema (°K) Ruido y Calidad de la Señal (dB) Ancho de Haz (°) Planos de dimensiones y componentes
67
FASE II
Lectura Evaluativa Entrevista estructurada
Construir la antena de enlace satelital terrestre previamente diseñada
Diseño de una antena de recepción de enlace satelital
Simular el funcionamiento de la antena diseñada en un software computacional apropiado
VARIABLE
SUB VARIABLE
Simulación de la antena de recepción de enlace satelital.
Construcción de la antena de enlace satelital.
S O D VA
INDICADORES
FASE
TÉCNICA DE RECOLECCIÓN DE DATOS
R E S RE
Selección del programa de simulación. Definición de escenarios de simulación. Ejecución de pruebas. Análisis de resultados.
S O H EC
DER Construcción de una antena de enlace satelital
OBJETIVO
FASE III
Selección del material Selección de convertidor (LNB). Selección de cableado. Selección de pintura. Bases y soportes Plato reflector Pintado de estructuras Ensamble de los dispositivos y estructura de la antena.
68
FASE IV
Observación directa
Comprobar el funcionamiento de la antena satelital construida
VARIABLE
Construcción de una antena de enlace satelital
OBJETIVO
SUB VARIABLE
INDICADORES
Comprobación de la antena de enlace satelital
Evaluación de la calidad de recepción de la antena construida según los criterios implementados para la construcción, en el laboratorio de comunicaciones de La Universidad de Zulia, puesta a prueba en una cámara semianecoica
DER
S O H EC
FASE
S O D VA
R E S RE
Parámetros de calidad de la señal: Ganancia Frecuencia de recepción. Razón de onda estacionaria Patrón de radiación decampo lejano
Fuente: Hernández y Morillo, 2010
69
FASE V
TÉCNICAS DE RECOLECIÓN DE DATOS
E
S E R OS
H
EC R E D
CAPÍTULO III
70
S
DO A V R
CAPÍTULO III MARCO METODOLÓGICO
3.1.
TIPO DE INVESTIGACIÓN Para Cervo y Bervian (1989, p.41) la investigación está definida como “una
S
actividad encaminada a la solución de problemas. Su objetivo consiste en hallar
DO A V R
respuestas a preguntas mediante el empleo de procesos científicos”. [15].
SE E R OS por lo que un estudio puede ser ubicado en y la producción de un nuevo H conocimiento, C REde los tipos de investigación. más de una clase DEdentro
Toda una investigación implica el descubrimiento de algún aspecto de la realidad
Según Danke (1986, p.54), “los estudios descriptivos buscan especificar las
propiedades importantes de personas, grupos, comunidades o cualquier otro fenómeno que sea cometido a análisis. Miden y evalúan diversos aspectos, dimensiones o componentes del fenómeno o fenómenos a investigar. Desde el punto de vista científico, describir es medir”. [14]. Por último, acerca de la investigación descriptiva Arias (1995, p.43) afirma que la misma “consiste en la caracterización de un hecho, fenómenos, individuo o grupo, con el fin de establecer su estructura o comportamiento. Los resultados de este tipo de investigación se ubican en un nivel intermedio en cuanto a la profundidad de los conocimientos se refiere” [17]; y Rojas (1997, p.86) dice que este tipo de investigación persigue los siguientes objetivos: “describir, registrar, analizar e interpretar la naturaleza actual, la composición o los procesos de los fenómenos, para presentar una interpretación correcta”. En cuanto a las investigaciones explicativas, según Gómez (2006, p.69) “son más estructuradas y complejas que las demás clases de estudios porque, de hecho, implican los propósitos de ellas (explotación, descripción y correlación o asociación) pero además deben proporcionar un sentido al fenómeno a que hacen referencia”.
71
Este mismo autor, expone que éstas van más allá de la descripción de conceptos o fenómenos, o del establecimiento de relaciones entre conceptos, están dirigidos a responder las causas de los eventos físicos o sociales, su interés se centra en explicar por qué dos o más variables están relacionadas. Estos son más estructurados que las demás y de hecho implican los propósitos de ellos, además de que proporcionan un sentido de entendimiento del fenómeno a que hacen referencia, y hay un cierto valor específico. Por su parte Sabino (1992, p.48) señala que un estudio explicativo aplica a “aquellos trabajos donde nuestra preocupación se centra en determinar los orígenes o
OS D A RlasVrelaciones causales existentes conocer por qué suceden ciertos hechos, analizando E S E producen. Este es el tipo de investigación Rse o, al menos, las condiciones en O queSellos CH E que más profundizaR nuestro conocimiento de la realidad porque nos explica la razón o DE las causas de un determinado conjunto de fenómenos. Su objetivo, por lo tanto, es
el porqué de las cosas, y es por lo tanto más complejo y delicado, pues el riesgo de cometer errores aumenta aquí considerablemente”.[16]. En atención a las definiciones
anteriores referente a una investigación
descriptiva, la presente es considerada de tal tipo,
en cuanto a los objetivos de:
determinación de requerimientos técnicos necesarios para el funcionamiento ideal de la antena, establecimiento y detalle de los criterios de diseño señalando las características como ganancia, banda de frecuencia de operación, dimensiones, entre otras. Definiendo
de tal manera cada una de las características de los elementos que
constituyen el dispositivo objeto de la investigación. A su vez, se modela todo el procedimiento seguido para el diseño de la antena de recepción satelital, con sus respectivos cálculos, con el objetivo de identificar los parámetros operativos (polarización, ancho de banda, patrón de radiación) de dicha antena, aplicando el concepto de Danke en el cual “describir es medir”. De igual manera, se muestra la experimentación simulada del funcionamiento del dispositivo en condiciones ideales, el análisis, su comportamiento en cuando a: eficiencia, ganancia, ancho de banda, potencia; todo esto fundamentado en el tamaño, grosor y forma del mismo. Cabe resaltar que este análisis de funcionamiento teórico es puesto a prueba posteriormente a la construcción, la cual también es detallada a lo 72
largo del desarrollo de la investigación, debido a que dichos valores de los parámetros en condiciones reales varían, ya que estos no son fijos como en la simulación del programa virtual de evaluación. Por lo general uno de los valores que más varía posteriormente a la sub variable de construcción, es la ganancia, a causa de las pérdidas que puede tener la señal por factores ambientales como la densidad de las nubes, el tiempo meteorológico o simplemente fallas en el satélite referente a la potencia de la señal de transmisión, es por esto que en la etapa de prueba, se mide este valor para ser comparado con los valores ideales ya obtenidos en el proceso de la simulación, al igual que para explicar y
OS D A RdeVtipo explicativa en cuanto a la anteriormente, lo que torna la investigación también E S REfinal. variable construcción en la etapaO deS prueba CH E R DE
analizar los factores que influyen en la variación de dicho valor, como los expuestos
3.2.
DISEÑO DE INVESTIGACIÓN El objeto del diseño de investigación es proporcionar un modelo de verificación
que permita contrastar hecho con teorías, y su forma en la de una estrategia o plan general que determina las operaciones necesarias para hacerlo. Según Arias (2009) “es la estrategia que adopta el investigador para responder al problema planteado. En atención al diseño se clasifica en: en documental, y experimental.” Arias (2006) nos provee dos definiciones: (p.27) “la investigación documental es un proceso en la búsqueda, recuperación, análisis, crítica e interpretación de datos secundarios, es decir, los obtenidos y registrados por los otros investigadores en fuentes documentales: impresas, audiovisuales o electrónicas”; y en cuanto a la experimental (p.28) “es un proceso que consiste en someter a un objeto o grupo de individuos
a
determinadas
condiciones,
estímulos
o
tratamientos
(variable
independiente), para observar los efectos o reacciones que se producen (variable dependiente)”. [20]. Por su parte, en cuanto al diseño de campo Sabino (2002, p.43) expresa que: “el diseño de campo se basa en informaciones o datos primarios obtenidos directamente de la realidad. Su innegable valor reside en que a través de ellos el investigador puede cerciorarse de las verdaderas condiciones en que se ha conseguido sus datos, 73
haciendo posible su revisión o modificación en el caso que surja duda respecto a su calidad”. [18]. Evidentemente al hacer uso de antecedentes y bases teóricas la presente investigación es de carácter documental, dado que es necesario información básica y avanzada al momento de estudiar las antenas ya existentes, su funcionamiento y parámetro operativo. A su vez, en las etapas de simulación y prueba final, el objeto de la investigación es sometido tanto a condiciones ideales como reales respectivamente, así como
S
también se inducen en caso de la simulación, valores de parámetros principales, como:
DO A V R
diámetro del plato de reflexión, frecuencia de operación, directividad, entre otros, para
SE E R OS potencia, etc. respuesta como ganancia, H pérdida, C procesos estaD investigación ERE es de tipo experimental.
observar su funcionamiento ideal dado estos datos, a través del análisis de valores de Por ende en cuanto estos dos
Por último, el desarrollo y la obtención de datos de la investigación es de manera directa a la realidad, dado que se ejecuta en el laboratorio de comunicaciones, donde se realizaran todos los análisis, simulaciones y pruebas de la misma, permitiendo evaluar el objeto de la investigación directamente, y de tal forma modificar los valores obtenidos para el reajuste, con el objetivo de conseguir el funcionamiento ideal de la antena. Este hecho hace que el diseño de la investigación sea de campo coincidiendo con el concepto de Sabino (2002).
3.3.
POBLACIÓN Para Tamayo y Tamayo (2004, p.176) “La totalidad de un fenómeno de estudio, incluye la totalidad de unidades de análisis o entidades de población que integran dicho fenómeno y que debe cuantificarse para un determinado estudio integrando un conjunto N de entidades que participan en una determinada característica, y se le denomina población por constituir la totalidad del fenómeno adscrito a un estudio o investigación”. [19]. Por otro lado, según Arias (1999, p.45) “la población o universo se refiere al conjunto para el cual serán válidas las conclusiones que se obtengan: a los elementos o unidades (personas, instituciones o cosas) involucradas en la investigación.”. Cuando 74
se habla de la población de la investigación se refiere a todo el conjunto de factores existentes que reúnen ciertas características que sean de interés para la investigación. En nuestra investigación la población a estudiar se trata de todos los tipos de antena de recepción satelital posible, bien sean las antenas planas, parabólicas, etc., es decir toda aquella gama de antenas que se pueda utilizar para llevar a cabo un enlace satelital.
3.4.
MUESTRA
S
Siendo la muestra una parte representativa de la población tenemos que para
DO A V R
Tamayo y Tamayo (1994, p.115) “La muestra es el conjunto de operaciones que se
SE E R S de la observación de una fracción de la Opartiendo población, universo o colectivo, H C E población considerada”. DER [19]. realizan para estudiar la distribución de determinados caracteres en la totalidad de una
Del concepto descrito anteriormente podemos decir que la muestra a estudiar en
la investigación se trata de una antena satelital parabólica de foco primario, siendo esta la más adecuada para el enlace que se quiere realizar dada su estructura.
3.5.
TÉCNICAS E INSTRUMENTOS DE RECOLECCIÓN DE DATOS Se entiende por técnica “el procedimiento o forma peculiar de obtener datos o
información”, y se dice que recolectar datos “implica elaborar un plan detallado de procedimiento que nos conduzcan a reunir datos con un propósito específico”. Hernández Sampieri (2006, p.274). [22]. Los instrumentos de recolección de datos utilizados en esta investigación son: Archivos electrónicos en diversos formatos. Libreta de notas. Las técnicas aplicadas es la de observación documental, ésta “es la que se realiza con base en la revisión de documentos, manuales, revistas, periódicos, actas científicas, conclusiones de simposio, seminarios y/o cualquier tipo de publicación considerado como fuente de información” (Tamayo, 1993). [19].
75
Para el desarrollo de esta investigación, se consultaron diversos libros y manuales de antenas de enlace satelital, de los cuales se extrajo información sobre su funcionamiento, características, métodos de diseño y otros datos de relevancia para el presente estudio. Primeramente se realizó una lectura evaluativa para seleccionar el material más adecuado, dato elemental para dar inicio al proceso de análisis y construcción; posteriormente con la ayuda de las lecturas se procedió a realizar los cálculos necesarios para analizar la antena de enlace satelital y dar paso a la simulación y posterior construcción de ésta.
S
DO A V R
Luego de la lectura evaluativa, se hizo un análisis de contenido para tener una
E
S E R OS
comprensión más a fondo de la forma de operación de la antena de enlace satelital.
CH E R Einvestigación se nombran a continuación: realización deD esta
Los documentos consultados más relevantes que fueron consultados para la
Angel Cardama Axnar. (1998) “Antenas”. Ediciones UPC
Francisco Ruiz Vassalle. (1996) “Guía de antenas”.
Tomasi. (2003) “Sistema de comunicaciones electrónicas”.
Manual Alumno Profesor- modSat5/EV- ElectronicaVenetta. La observación directa “es aquella en la cual el investigador observa
directamente los casos o individuos en los cuales se produce el fenómeno, entrando en contacto con ellos; sus resultados se consideran datos estadísticos originales...” Rivas (1997). Se considera observación directa ya que en la observación de los datos arrojados
por
el
programa
de
simulación
ante
modificaciones
inducidas
intencionalmente, se estarán analizando datos originales, es decir, que los mismos son obtenidos por los autores de ésta investigación, directamente de la simulación y mediciones. La entrevista estructurada es aquella donde “el investigador formula preguntas a las personas capaces de aportarle datos de interés, estableciendo un diálogo peculiar, asimétrico, donde una de las partes busca recoger informaciones y la otra es la fuente de esas informaciones.” Sabino (1992, p.122). Para nuestro caso la entrevista se hizo a 76
través de un cuestionario con preguntas abiertas, en las cuales “no se ofrecen opciones de respuesta, sino que se da la libertad de responder al encuestado, quien desarrolla su respuesta de manera independiente¨ Arias (2006). [20]. El cuestionario se encuentra consignado en el Anexo 3.1. Se realizó entrevistas al Ing. Daniel Flores, en la cual se obtuvo información de gran relevancia en cuanto a los requisitos que debe cumplir la antena en cuanto al enfoque del contenido programático del Laboratorio de Sistemas de Comunicaciones, así como las facilidades que en principio dicha antena debe poseer. También se entrevistó al Ing. Manuel Briceño el cual brindo su opinión y
OS D A V se aclararon dudas sobre antena de enlace satelital en la banda seleccionada.R Además, E S E antena. la fase de simulación y prueba de la mencionada R S HO C E DER
recomendaciones acerca de los criterios de diseño para la correcta operación de la
3.6.
FASES DE LA INVESTIGACIÓN
FASE I: DETERMINACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS TÉCNICOS QUE DEBE SATISFACER LA ANTENA. Definir el contenido programático del Laboratorio de Comunicaciones que se llevara a cabo una vez construida la antena, especificando los objetivos que se deben cumplir en cada una de las experiencias. Determinar los requerimientos técnicos que debe poseer la antena para cumplir con las experiencias del programa.
FASE II: DISEÑO DE LA ANTENA. Revisión bibliográfica, con la finalidad de estudiar a fondo el funcionamiento de la antena, y la búsqueda de fórmulas y fundamentos que permitan llevar a cabo las futuras actividades. Definir el satélite al cual se enlazara la antena. Determinar los criterios de diseño que deben cumplir los parámetros característicos de la Antena de Enlace Satelital, para garantizar su efectivo uso.
77
Elaboración de los cálculos necesarios para hallar determinados valores de cada parámetro que constituye la antena, de manera que quedase definida en detalle y se pudiera proceder a su simulación y construcción.
FASE III: SIMULACIÓN DE LA ANTENA. Selección del software computacional a utilizar en base a los beneficios que cadauno ofrece, y verificando cual es el más adecuado para la función que desempeña la antena construida.
S
DO A V R
Identificación de las condiciones de operación de interés para la simulación (escenarios de simulación).
E
S E R OS
Elaboración de un estudio de la antena como un sistema dentro de un software, de
CH E R DE adecuados de la antena. límites de operación
forma de someterlos a diversas condiciones de funcionamiento para determinar los Verificar que los parámetros establecidos en el diseño de la antena sean los correctos, de no ser así se deben manipular los mismos a través del software para obtener el mejor funcionamiento de la antena.
FASE IV: CONSTRUCCIÓN DE LA ANTENA. Selección del modelo de cable a utilizar para las conexiones de la antena. Selección de los modelos de los equipos a utilizar. Ensamblaje de las partes.
FASE V: COMPROBACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE LA ANTENA. Obtención en tiempo real del patrón de radiación de la antena, así como también de los parámetros de la misma los cuales permitirán evaluar la calidad de la señal de recepción. Comparación de los datos teóricos y experimentales para un posterior análisis en cuanto al funcionamiento de la antena.
78
H
EC R E D
E
S E R OS
CAPÍTULO IV
79
S
DO A V R
CAPÍTULO IV ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE LOS RESULTADOS
4.1.
CONTENIDO PROGRAMÁTICO DE LA PRÁCTICA
E
S E R OS
4.1.1. PRE-LABORATORIO
H
EC R E D Footprint (Huella).
S
DO A V R
Describir los aspectos principales relativos a los satélites de TV:
Potencia EIRP. Órbita geoestacionaria y posición del satélite. Subdivisión de las frecuencias. Estándar de transmisión y codificación. Componentes para las instalaciones de recepción. Dimensionamiento de la parábola. Apunte de la antena.
4.1.2. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA
4.1.2.1. COMPOSICIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA Describir la composición de la antena de recepción. Describir las características de cada componente. Describir el funcionamiento del sistema.
Dispositivos a utilizar: ‐
Plato reflector, convertidor (LNB), Base, soportes y cableado.
80
4.1.2.2.
MONTAJE DE LA ANTENA
Llevar a cabo el montaje Polar y Acimut-Elevación de la antena. El montaje se lleva a cabo de la manera siguiente: Ensamblaje de la estructura. Montaje de la parábola. Conexiones eléctricas (polarizador, convertidor LNB). Apunte previo de la antena, con ajuste de los ángulos de declinación y Acimut
Dispositivos a utilizar: 1 Inclinómetro.
H
EC R E D
Medidor de campo.
E
S E R OS
1 Brújula.
S
DO A V R
4.1.3. POST- LABORATORIO Temas en cuestión referidos a la práctica realizada Aspectos Generales Componentes de instalación de recepción por satélite Dimensionamiento de la parábola Apunte de la antena
4.2.
REQUERIMIENTOS TÉCNICOS Partiendo del contenido programático ya expuesto, la antena debe cubrir ciertos
requerimientos en cuanto a su estructura y componentes, para satisfacer los objetivos de cada una de las experiencias. En cuanto a la estructura de la antena, esta debe cumplir con los siguientes requerimientos:
81
4.2.1. BASES DE SOPORTE Estas bases son estructuras que brindan un soporte a cada uno de los componentes y dispositivos de la antena, la mayoría de las experiencias del contenido programático requieren bases de fácil manejo para instalación a la hora del montaje de la antena. A su vez estos soportes deben brindar apoyo a dispositivos de medición, como por ejemplo ángulos de elevación y acimut para el apunte enlace, al igual que para apoyar dispositivos eléctricos como el convertidor LNB.
OS D A Uno de los requerimientos más importantes es RlaVganancia efectiva de la antena E S E el cual debe tener un mínimo de 25S dB,R para garantizar una buena calidad de la señal HO C de recepción. E DER 4.2.2. REFLECTOR
4.2.3. CONEXIONES DE ENSAMBLE Dado que el alumno debe ensamblar cada una de las estructuras de la antena con el fin de obtener un conocimiento básico de su instalación, dicha antena debe ofrecer facilidades de conexión al estudiante, de tal modo que pueda conectar cada uno de los componentes y soportes de ella al momento del montaje, siguiendo un patrón de conexión. En cuanto a los componentes y dispositivos, la antena debe cumplir con los requerimientos a continuación:
4.2.4. DATOS TÉCNICOS Cada uno de los dispositivos deben cumplir valores de procesamiento acorde a los parámetros de la señal de recepción, en este caso los dispositivos principales para dicha recepción son: el Convertidor LNB, polarizador, iluminador, y el cableado, cabe destacar que la mayoría de los primeros tres dispositivos en el mercado no se encuentran separados, sino en un solo componente que los une. En cuanto a los datos técnicos de cada uno, éstos deben cumplir con los siguientes. 82
4.2.4.1. POLARIZADOR Debe cumplir con una polarización acorde a la de la señal de recepción circular, lineal, vertical u horizontal que depende del satélite de enlace.
4.2.4.2. CONVERTIDOR LNB Debe trabajar en una frecuencia que no varíe dentro de los valores de frecuencia de la banda de operación seleccionada Ku o C, ya que son las más utilizadas, por otro lado debe tener una ganancia mínima de 30 dB, así como también un mínimo de 10ºK, para garantizar una buena calidad de la señal.
E
S E R OS
S
DO A V R
CH E R DEal cableado, las especificaciones técnicas varían dependiendo el tipo En cuanto
4.2.4.3.
CABLEADO
de señal a transmitir, por lo general es un cable coaxial que transmite la señal, el requerimiento técnico más importante es la calidad de apantallado para evitar inducciones electromagnéticas que produzcan interferencias en la transmisión, así como también la longitud del cable no mayor a 15 metros, que permita conectar la antena al lugar del receptor, de tal modo que permita poca pérdida.
4.3.
DISEÑO DE LA ANTENA
4.3.1. SATÉLITE DE ENLACE Para determinar los parámetros principales de la antena se debe tomar un satélite de referencia para establecer un enlace de comunicación. Como criterio principal para la selección del satélite, éste debe tener una huella (footprint) sobre Venezuela con un PIRE mayor a 45 dB, que permita obtener un diámetro de la antena menor a 70 cm, con el objetivo de que dicha estructura sea lo más ligera y móvil posible, brindándole a los alumnos mayor facilidad de montaje a la hora de ejercer la práctica de laboratorio, así como también, dicho transmisor debe transmitir por otro lado, el satélite seleccionado será el principal transmisor del enlace en la práctica. 83
Para la selección del satélite con la ayuda de © LyngemarkSatellite, organización que publica en su página web toda la información de casi todos los satélites de comunicaciones geoestacionarios, ésta información provee la ubicación de satélite, la cantidad de canales libres que transmiten, su huella (footprint), las bandas de frecuencias activas, el PIRE según su huella y la recomendación de la medida del diámetro de la antena dado este último parámetro. Tomando en cuenta los criterios señalados para la selección del satélite, analizados dada la información de ©LyngemarkSatellite, el satélite Telstar12 ubicado a 15.0°W cumple con los requisitos para el enlace. A continuación sus datos técnicos:
S
DO A V R
E S E R Bandas de Frecuencias (Downlink-Uplink) OS H C ERE Banda C - D Uplink
Tabla 4.1. Banda de Frecuencias para el satélite Telstar12
Limites de Frecuencia 5850 – 6650 MHz 3400 – 4200 MHz
Banda C - Downlink
14.0 – 14.25 GHz
Banda Ku - Uplink
11.70 – 12.20 GHz
Banda Ku - Downlink
Fuente: LyngemarkSatellite©
Tabla 4.2. Polarización según la banda de Frecuencias para el satélite Telstar12
Bandas de Frecuencias
Polarización Circular
Banda C
Lineal
Banda Ku
Fuente: LyngemarkSatellite©
Tabla 4.3. Número de Canales libre y encriptados según el tipo de señal para el satélite Telstar12
Señal TV
# Libre
# Encriptados
Analógica Digital
0 25
0 154
Fuente: LyngemarkSatellite©
84
Ancho de Banda p/canal 27 MHz 27 MHz
4.3.1 1.1.
HUE ELLA DEL SATELITE
En la Figura 4.1 se e muestra la huella del d satélite e según el PIRE en decibelios en cada a zona de proyección n de la señ ñal, así como tambié én es notable su inte ensidad de 49 dB proyectada p a sobre Venezuela, cumpliendo c o con el criterio estab blecido del PIRE ma ayor que 45 dB.
E
S E R OS
H
EC R E D
S
DO A V R
Figurra 4.1. Huella a Satélite Te elstar12 F Fuente: Lynge emarkSatellitte©
En la tabla t 4.4 se muestrra la reco omendación por parrte del sattélite para a el metro de la a antena según s el PIRE para a cada zona, para e el caso de e la prese ente diám inves stigación en e Venezuela dado o un PIRE E de 49 dB el diám metro es de d 55-65 cm, c med dida la cuall cumple co on el criterrio del diám metro de la a antena m menor que 70 7 cm. 855
Tabla 4.4. Diámetro de la antena según el PIRE
PIRE (dB)
Diámetro (cm)
PIRE (dB)
Diámetro (cm)
> 50 50 49 48 47 46 45 44 43 42 41
50 50-60 55-65 60-75 65-85 75-95 85-105 95-120 105-135 120-150 135-170
40 39 37 36 36 35 34 33 32 31 535
H
EC R E D
E
S E R OS
S
DO A V R
Fuente: LyngemarkSatellite©
4.3.1.2. DISTANCIA SATÉLITE – ESTACION TERRENA Para la estación terrena de La Universidad del Zulia su ubicación geográfica fue obtenida gracias al departamento de Geodesia Física de la propia universidad, estos datos son presentados en la tabla 4.5.
Tabla 4.5. Coordenadas Geodésicas Estación Terrena de La Universidad del Zulia
Coordenadas Estación Terrena 10° Longitud 40’ (Φ) 26’’ -71° Latitud 37’ (λ) 28’’ Altura 28,424 (h) Fuente: Laboratorio de Geodesia Física LUZ
Para determinar la distancia del satélite a la estación terrena se plantea transformar las coordenadas geodésicas a un sistema cartesiano por lo que
se
usó
un programa ejecutable brindado por el personal del Laboratorio de Geodesia Física de 86
la Es scuela de Geodesia G de La Univ versidad de el Zulia lle evado a ccabo como o se mues stra en la a figura 4.2 2, y resulta ados refleja ados en la figura 4.3.
E
S E R OS
H
EC R E D
S
DO A V R
Figura 4.2. 4 Program ma Ejecutable e para transfformación de e coordenada as Fu uente: KOORD DINATEN v 2..0
Fig gura 4.3. Re esultados lue ego de la ejecución del prrograma Koo ordinaten v2..0 Fu uente: KOORD DINATEN v 2..0
A Ahora bien n para ada aptar la ubicación u d del satélite e a un plano cartesiano como se obse erva en la figura f 4.4 tenemos t q que: Se to oma
por ser una órbita ge eoestacion naria.
Dada la posició ón del saté élite
en n la Órbita de Clarke.
La distancia d r que q va des sde el centtro de la tie erra hasta la órbita de Clarke dada por: 877
E
S E R OS
H
EC R E D
S
DO A V R
Figura 4.4. 4 Vista sup perior de la tiierra junto co on la Órbita d de Clark pa ara cálculo de d distancia satélite s – esta ación terrena a Fuente p propia
Figura 4.5. Distancia sa atélite – esta ación terrena en sistema cartesiano Fuente p propia
888
Dadas las coordenadas cartesianas la distancia d como se observa en la figura 4.5 viene dada por la ecuación 2.18.
Donde a través de las formulas 2.22, 2.23 y 2.24 tenemos que:
cos
42164000 cos 345°
40727296,54
OS D A V 10912846,22 sen 42164000 E senR 345° S E R S HO C E DER 0 Ahora por medio de las ecuaciones 2.19, 2.20 y 2.21 se sabe que:
40727296,54
10912846,22
0
1976116,3086
38751180,23
5948897,4152
1173582,4210
4963948,805
1173582,4210
Ahora, 38751180,23
4963948,805
39085445,5363
89
1173582,421
39085,4455363
Una vezz determinada de ma anera teórica la dista ancia entre la estació ón terrena y el satélite selecc cionado, se comparó este va alor con la a distancia a proporcio onada porr el softw ware Dishp pointer de GoogleMaps cuyoss resultado o arrojado fue de una diferencia de apenas s
com mo se ilustrra en la figura 4.6.
E
S E R OS
H
EC R E D
F Figura 4.6. Resultados R d software Dish del D Pointer Fuente: Dish h Pointer©
900
S
DO A V R
, con c
4.3.2.
CRITERIOS ESTABLECIDOS PARA LOS PARAMETROS DE LA ANTENA Antes de realizar los cálculos pertinentes de cada uno de los parámetros de la
antena, es necesario establecer el tipo de antena y los criterios en función a los objetivos de la práctica, y de las especificaciones del satélite de enlace.
4.3.2.1. TIPO DE ANTENA Será una antena de tipo Foco Primario, las cuales cumplen con los requerimientos técnicos de los objetivos de la práctica, en cuanto a su movilidad dado
OS D A ensamble, así como también la descripción de sus componentes. RV E S E R S HO C E R a) Banda D de E frecuencia de operación
su dimensionamiento; a lo ligero del dispositivo, permitiendo un cómodo montaje y
Para la banda de frecuencias, en el punto anterior se resaltó que para la selección del satélite es necesario que tuviera un PIRE ≥ 45 dB, valor el cual es obtenido por la transmisión de señales de alta frecuencia, generalmente mayor que 11 GHz, dicho rango de frecuencia perteneciente a la banda Ku.
b) Dimensionamiento de la parábola Debido a la banda de frecuencias en la que se trabajara, la mayoría de las antenas suelen tener un diámetro ≤ 90 cm,
ya que el PIRE que proyecta sobre
la superficie generalmente es ≥ 45 dB.
En éste caso, según la tabla 4.4 y el PIRE del satélite seleccionado, la recomendación es de 55 a 65 cm de donde se tomó un valor promedio de 60
cm
como diámetro de la antena. Como profundidad 5 cm, y una distancia focal dada por la ecuación 2.17.
4
30,5 5 4 91
46,51
Con ayud da del softw ware libre ParabolaC Calculator realizado p por Paul Wade W se tie ene u prototip un po inicial de cómo se erá el platto parabólico, los dattos del mis smo como o se p puede ver en la figurra 4.7.
E
S E R OS
H
EC R E D
S
DO A V R
Fig igura 4.7. Re esultados del software Pa arábola Calcculator Fuente: Software S Libre e
c Eficienc c) cia La norm ma UIT-R S.580-5 S (Diagramas de d radiació ón para su u uso como o objetivos s de d diseño pa ara las an ntenas de e estaciones terrena as que fu uncionan con satéliites g geoestacio onarios), establece e p para las an ntenas de recepción n satelital OFFSET O u una e eficiencia q varía de que d 65 – 70 0%.
d Soporte d) e de LNB En el marco m teórico se pres sentó el m modelo y la as características de e este tipo de a antenas d foco prrimario, las de s cuales por p lo gen neral tiene en la particularidad de b brindar soporte al LN NB por me edio de tres estructurras metáliccas, esto provee p ma ayor e estabilidad d y proyecc ción del fo oco, sin em mbargo para este disseño se es stablecerá un s solo brazo o que brind de el soporrte al dispo ositivo de recepción,, permitien ndo al alum mno sin s simplicidad d de instalación, mo ovilidad y ensamblajje de la estructura completa, c 922
perder estabilidad y proyección. Cabe resaltar que dicha estructura será mostrada en el plano general de la estructura completa.
4.3.2.2. MATERIALES Se utilizará como material láminas de hierro debido a las propiedades del mismo, muy buenas para la recepción de la señal. También se seleccionó hierro con la finalidad de utilizar material reciclable.
4.3.2.3. CONEXIONADO a) Tipo de cable coaxial:
E
S E R OS
S
DO A V R
CH E R sus características, DE como por ejemplo, su frecuencia de transmisión máxima de 3 El tipo de cable a utilizar es el cable coaxial RG-6, el cual es el más óptimo dado
GHz, que permite buena transmisión ya que la salida del convertido es de 2.15 GHz de frecuencia máxima, así como también es resistente a altas temperaturas, las tablas a continuación presentan cada una de las características y especificaciones de este tipo de cable coaxial.
Tabla 4.6. Características técnicas del cable coaxial RG-6
Características técnicas Diámetro del conductor
1.02 mm
Diámetro del dieléctrico
4.57 mm
Diámetro exterior del cable
6.9 mm
Grosor del revestimiento exterior
0.8 mm
Peso del cable
46 kg/km
Rango de temperaturas
de -20ºC hasta +80ºC
Fuente: Hyperline©
93
Tabla 4.7. Características eléctricas del cable coaxial RG-6
Características eléctricas Resistencia de onda
75 Ohm
Frecuencia de test
hasta 3 GHz
Tensión máxima tolerada
3000 V Fuente: Hyperline©
Tabla 4.8. Características de desempeñodel cable coaxial RG-6
Características de desempeño
Unidades
Radio Mínimo del Doblez
in.-mm
S
DO A V Rlb-kg
SE E R Peso del Cable OS Lb/ft – kg/m H C E TemperaturaE F-C D deROperación de régimen Fuerza Tensil
Métrico (ºC ) 25.4 72.6 0.1 -40º to 85º
Fuente: Hyperline©
b) Tipo de conectores: El tipo de conectores se seleccionó dada las dimensiones del cable coaxial RG6, para este tipo de cable son utilizados los conectores de Tipo F. Sus especificaciones son las mostradas en la tabla 4.9.
Tabla 4.9. Especificaciones de conectores tipo F
Impedancia Frecuencia Pérdidas de retorno
75 ohm 0 - 11 GHz 33 dB (1-2 GHz) 28 dB (2-3 GHz)
Fuente: Hyperline©
4.3.2.4.
ESTRUCTURAS DE AJUSTE
Para la conexión de cada una de las partes de la antena, es necesario contar con estructuras de gran soporte que permitan un ajuste cómodo para la instalación, es por 94
esto que se establece e el uso de e “tuercas mariposa”” para la fijación f de e posición en cuan nto a la ellevación y en los so oporte de la base de la anten na, esto pe ermitirá a los estudiantes fijar cada posición p co on comodidad y esttabilidad. La Figura 4.8 mues stra dicha estructurra.
E
S E R OS
H
EC R E D
S
DO A V R
Fig gura 4.8. Tue erca maripossa Fuente: F Fornis©
4.3.2 2.5.
TIPO O DE CON NVERTIDO OR
Tres s criterios principales p se estable ecieron para selecció ón del convvertidor: Polarizació ón: La polarización del LNB debe cum mplir con la estable ecida en las espe ecificacione es del saté élite referrida a la ba anda de frrecuencia Ku, la cua al cumple con c una polarizació ón Lineal. Frrecuencia a de opera ación: El LNB L debe operar o en la misma b banda de frecuencia f a de enlace seleccio onada, con n una frecu uencia de 11.7-12.20 0 GHz perttinente a la a banda Ku u. Salida de conexión c t tipo F: Debe de tene er una salid da de cone exión compatible con n el cone ector de tipo F, esta ablecido en los crite erios de co onexión, la a figura 4..9 muestra a la form ma de este conector.
955
E
S E R OS
S
DO A V R
Fiigura 4.9. Co onector tipo F Fuente: Hd dcabling©
H
EC R E D
4.3.3 3. CÁLCU ULO DE LO OS PARÁM METROS DE D LA ANT TENA
4.3.3 3.1. LONG GITUD DE E ONDA
de, Dond
es la a velocidad d de la luz y
es la frecuencia f o como se explico en n la de trabajo
ecua ación 2.10..
4.3.3 3.2. GANA ANCIA Com mo se tiene e en la fórm mula 2.5 la ganancia de la antena viene d dada por:
966
4.3.3.3.
ANCHO DE BANDA
Tomando las frecuencias máximas y mínimas de la banda de frecuencias Ku y sustituyendo en la ecuación 2.1 tenemos:
12,20
4.3.3.4.
11,70
ATENUACIÓN
500
S
DO A V R
SE E R S nos da que: Sustituyendo en la ecuación O2.11 H C ERE4 4 39085445,5363 D10 log 10 log a) Atenuación en el espacio libre
0,02459
206,009
En cuanto a este valor de atenuación, se dice que cuando la señal haya recorrido 39085,4455363 Km estará atenuada en 206,009 dB.
b) Atenuación por agentes atmosféricos Éste tipo de atenuación es producido por lluvias, densidad de las nubes, etc los cuales son evaluados entre 0 – 2 dB [5]. Para la investigación se utiliza el límite máximo para evaluar el funcionamiento de la antena dada las peores condiciones atmosféricas. 2
La atenuación total será entonces
206,009
97
2
208,009
4.3.3.5.
TEMPERATURA DEL SISTEMA
(2.12)
297,16°
4.3.3.6.
13°
310,16°
RUIDO Y CALIDAD DE SEÑAL Para la antena parabólica, la relación S/N en dB viene dada por la ecuación
S
2.13 por lo que primero debemos hallar la relación C/N por ecuación 2.15 y 2.16.
DO A V R
SE E R O49S 35,8199 208,009
CH E R DE 10 log
10 log 1,38 10
123,1891
123,1891
310,16 27
189,3717
66,1826
Ahora bien, 33,53
4.3.3.7.
66,1826
99,7126
ANCHO DE HAZ
Según la ecuación 2.2: 70
70
0,02459 0,6
4.3.4. PLANO DE LA ESTRUCTURA Ver Anexo 2
98
2,8688°
189,3717
4.4.
SIMULACIÓN DE LA ANTENA Utilizando los softwares 4NEC2® y EZNEC®, se realizó la simulación para
conocer el comportamiento de la antena parabólica diseñada en Banda C. La sección 2.3.4 y 2.3.5 muestran una breve introducción acerca de ambos softwares, y la sección 2.3.3.1 describe el método matemático que los softwares mencionados utilizan para analizar el comportamiento de la antena. La fusión de los dos softwares para llegar a los resultados se debe a que para 4NEC2 el límite de segmentos no era suficiente para llevar procesar el montaje y llegar a un resultado. Debido a esto se importó la geometría realizada a través del
OS D A estudiar la antena diseñada en la presente investigación. RV E S E R S O H C 4.4.1. IDENTIFICACIÓN DE LAS CONDICIONES OPERATIVAS DE INTERÉS E R DEconocer Es necesario el comportamiento de la antena en toda la banda
GeometryBuilder y Geometry Editor a EZNEC el cual si poseía la capacidad para
de
frecuencias Ku. Se considerará la antena operando en condiciones ambientales ideales, en un ambiente controlado en el cual la temperatura, humedad y vientos son casi constantes; particularmente el caso del Laboratorio de Comunicaciones de La Universidad del Zulia, cuyas características se resumen en la tabla 4.10. Tabla 4.10 Condiciones climáticas del Laboratorio de Comunicaciones de LUZ
Condiciones climáticas del Laboratorio de Comunicaciones de La Universidad del Zulia Temperatura media anual
24°C
Humedad media anual
40,9%
Velocidad del viento media anual
0,6 Km/h
Fuente: Becerra, 2010
Mediante EZNEC se obtuvo el patrón de radiación de la antena, la distribución de campo eléctrico, la razón de onda estacionaria, la impedancia de la antena, etc. 99
4.4.2 2. PARAM METROS IN NTRODUC CIDOS AL SOFTWA ARE A travéss del Geom metryBuilde er de 4NEC2 se con nstruyó el p plato parab bólico con los valores de dise eño, indicá ándose dis stancia foca al diámetro o y frecuen ncia de ope eración co omo se observa en la figura 4.10. 4
E
S E R OS
H
EC R E D
S
DO A V R
Fiigura 4.10. Plato P reflecto or en el Geom metryBuilderr. Fuente: 4nec2
ez que se e tuvo la geometría a del plato o reflectorr lista, co on ayuda del Una ve Geometry Edittor también n de 4NEC C2 se coloc có la fuente e de la anttena tal cual se obse erva en la a figura 4.1 11, la cual simula el comportam c miento del LNB L del m modelo real.
100
E
S E R OS
H
EC R E D
S
DO A V R
Figura ra 4.11. Plato o reflector y ffuente en el Geometry G Ed ditor. Fuente: 4nec2
Ahora bien, b como ya se dijo anteriormente el archivo o con la geometría g ya elaborada se importó a EZNEC donde los s datos iniciales se mantuvieron como se pued de ver en la figura 4.12, con un númerro final de e segmenttos de 512 28 los cua ales fuero on procesa ados para llegar al re esultado.
Figu ura 4.12. Dato os importado os de la geom metría del pllato. Fuente: Eznec
101
4.4.3 3. RESULTADOS DE LA SIMU ULACIÓN Primera amente intrroduciendo o la frecue encia máxiima y mínima se hiz zo un barrrido en frrecuencia con saltos s de 50 MHz, donde e se obtuv vo la imped dancia de la antena, el coefficiente de reflexión, la cantidad d de fuente es y la Raz zón de On nda Estacio onaria (RO OE), cuyo os resultad dos están plasmados p en la figurra 4.14.
E
S E R OS
H
EC R E D
S
DO A V R
Figura 4.1 13. Parametrros introduciidos para el barrido b en fre ecuencia Fuente: Eznec
F Figura 4.14. Resultado d del barrido de e frecuencia Fuente: Eznec
Luego, para cálcu ulo de corrientes e im mpedancia se procesó ó el patrón n de radiac ción para a campo lejjano en differentes fre ecuencias como se observan o e en el anexo o 3. 102
4.4.4. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Primeramente, evaluando el valor de Razón de Onda Estacionaria hallado a través de la simulación, un valor de 4,48 podemos decir que siendo ésta una medida de la energía enviada por el transmisor que es reflejada por el sistema de transmisión y vuelve al transmisor, debería encontrarse en un valor menor a la unidad lo que indicaría que la potencia enviada es la misma recibida. Sin embargo, al obtener 1,48 planteamos que aproximadamente un 70% de la señal está siendo recibida de vuelta estando los valores aceptables de ROE entre 1 y
OS D A En cuanto al patrón de radiación de campo lejano, RVpara las diferentes frecuencias E S Elóbulos en cada mitad del diagrama polar se obtuvo un patrón similar formado cuatro R S O para un total de ocho. ECH R DE Para cada frecuencia la variación se encontró en el grosor de los lóbulos, mas no 1,5.
un cambio significativo. En cuanto al patrón de campo lejano, el análisis electromagnético puede realizarse considerando la incidencia de una onda emanada del foco sobre el reflector, que localmente puede considerarse plano, ya que habitualmente las dimensiones, distancia focal, diámetro y radio de curvatura, son grandes en términos de longitud de onda. Un balance de los dos métodos nos brinda las siguientes conclusiones: -
Para reflectores de diámetro superior a 20λ, las dos técnicas proporcionan
prácticamente idénticas predicciones para el lóbulo principal y los primeros lóbulos secundarios, tanto para la polarización de referencia como para la cruzada. Para ángulos más alejados del eje las predicciones difieren, especialmente cuando aumenta el efecto de los bordes del reflector. -
Para reflectores de diámetro inferior a 20 λ, las discrepancias empiezan a ser
más discernibles, y es en estas circunstancias cuando es recomendable la utilización del método de las corrientes inducidas, generalmente aceptado como el más exacto de los dos. Claramente, la razón de la forma del patrón obtenido viene dada por la relación de λ/20 la cual no se pudo similar para el reflector y como ya se dijo las incongruencias se hacen notables. 103
4.5.
CONST TRUCCIÓN N DE LA ANTENA A D DE RECEP PCIÓN SAT TELITAL
4.5.1 1. SELECC CIÓN DEL L MATERIA AL En la fa ase de dise eño se esttableció cie ertos criterrios para la a selección n del mate erial de la a antena de d recepció ón satelita al, principalmente tom mando en cuenta las s condicion nes del material m pa ara garantizar un índice de refle exión nota able de la sseñal en cu uanto al pllato para abólico, sin n embargo el materia al de la esttructura de e soporte ssolo debe ser capaz z de pode er brindar estabilidad e d a las a los elemento os principa ales de reccepción.
OS D A V reciclaable de hiierro de una Dados los criterios anterio ores, se usó u mater u Rrial E S Eoffset innhabilitada,, cabe resaltar estru uctura de e una antena a pa arabólica r q que R S O CHfue moldeada y reestructurada paara acoplaarla al diseeño postteriormente e dicha an ntena E R DEfigurass 4.15 y 4.16preseentan el estado establecido. L Las e de el soporte y del pllato para abólico inic cial.
al base. Figurra 4.15. Soporte principa Fuentte propia
Figu ura 4.16. Pla ato reflector b base Fuente prop pia
104
4.5.2 2. SELECC CIÓN DEL L MODELO O DE LNB Para la selección del LNB se s tomaron n los criteriios plantea ados en el diseño co omo referrencia, dad do estos crriterios se seleccionó ó el LNB Universal U K Ku-Band, el e cual cum mple con los criterio os de comu unicación, sus espec cificaciones s se muesttran en la Tabla T 4.11, al igual que la fig gura 4.17 presenta p el dispositivo o.
E
S E R OS
H
EC R E D
S
DO A V R
Figura 4.17. LNB Universal U Ku--Band Fuente p propia
Tab bla 4.11. Esp pecificacione es LNB Univversal Ku-Ban nd
Frec cuencia de e entrada Fre ecuencia de e salida Relación f/d Tipo de d conecto or de salida a Gana ancia de co onversión Polarizac ción Frecuencia de oscilador local Estab bilidad del oscilador local Peso
10.7 7 - 12.75 GHz G 950 0 - 2150 MHz 0.6 to 0.7 "F" (Fem maleConnecctor) 58 dB Linea al; Horizontal y Vertical 9.75 GHz G banda a baja 10.6 GHz G banda a alta / 3.0 MHz /185g
Fuente e: Chaparral Communicati C tions©
4.5.3 3. SELECC CIÓN DEL L CABLE El cable e seleccion nado es de e tipo RG-6 6, el cual fue f estable ecido en lo os criterios de diseño. El ca able de la a marca Lifting Ellectric
©
RG-6 fue e el selec ccionado, las
espe ecificacione es del mismo son pre esentadas s en la tabla a 4.12. 105
Tabla 4.12. Especificaciones del cable seleccionado
Especificaciones Diámetro del 1.0 mm conductor Diámetro del 4.57 mm dieléctrico Diámetro exterior 6.9 mm del cable Resistencia de 75 Ohm onda Tensión máxima 3000 V tolerada Temperatura de -40º F hasta 85º Operación de F régimen
E
S E R OS
H Tensil CFuerza E R DE
S
DO A V R 72.6 lb
Fuente: Lifting Electric ©
4.5.4. SELECCIÓN DE PINTURA Se seleccionó pintura metalizada, utilizada para estructuras de materiales como hierro aluminio, la cual cuenta con la carencia de teflón para garantizar la homogeneidad principalmente del plato parabólico, sin alterar su índice de reflexión, es de color blanco mate y se aplicó en toda la estructura de la antena.
4.5.5. BASES Y SOPORTES 4.5.5.1. BASE PRINCIPAL Partiendo del soporte base de la antena offset tomada como estructura inicial (Figura 4.15), ésta debe cumplir con los requerimientos técnicos en cuanto a las facilidades que debe tener para la ejecución de la práctica de laboratorio, basado en el contenido programático. En dichos requerimientos, se estableció que la base principal de la antena debe contar con soportes que brinden estabilidad a la estructura completa, permitiendo movilidad y facilidad de montaje; el soporte de la antena base carece de estas propiedades, es por esto que se le añadió tres bases adicionales de soporte,
106
cumpliendo co on los requ uerimientos s. La Ilustra ación 4.18 8 a continuación, pres senta las tres t base es instaladas al sopo orte inicial.
E
S E R OS
H
EC R E D
S
DO A V R
Figu ura4.18. Basses adicionalles Fuente p propia
d aluminio o, soportan n fácilmente el resto de los ele ementos de e la Estas bases son de ante ena, al igu ual que brindan b es stabilidad para cualq quier ángulo de elevación, son s totalmente de esarmables s permitiendo facilid dad a la hora de guardar la estructtura completa, y po or último cu uentan con n estructura as de ajustte para una cómoda instalación n.
4.5.5 5.2.
S SOPORTES S DE ELEVACIÓN Y ACIMUT T
La anten na base cu uenta con tres soporttes princip pales, dos p para la ele evación, y uno u para a el acimutt, estos soportes en conjunto, proporcion nan estabilidad y fac cilidad para a el apun nte de la antena a al satélite s de e enlace, la asfiguras 4.19, 4 4.20 y 4.21 pre esentan ca ada una de estos ssoportes.
Fiigura 4.19. Base B de elevvación 107
E
S E R OS
H
EC R E D
S
DO A V R
Figura 4.20. Soporte e de acimutFiigura 4.21. Soporte S de e elevación Fuente p propia
En cuantto al segun ndo soportte de eleva ación, cabe e resaltar q que solo se s realizó una u sola modificación, la cua al fue corta ar una secc ción del bra azo de la a antena offs set inicial que q confformaba pa arte de estte soporte, para pode er desplaz zarlo al cen ntro del pla ato parabólico con el fin de b brindar la facilidad de d movimie ento del azimut a la a hora del apunte de e la ante ena, como se muestra a en la figu ura 4.21.
4.5.5 5.3. PLATO O REFLEC CTOR La ante ena inicial tomada como ba ase para construccción, anteriormente se men ncionó que e era de tipo offsett, por lo general este tipo d de antenas s tienen una u partiicularidad geométrica g a en cuantto a su platto parabóliico, el cuall es de form ma elipsoid dal. Segú ún el diseñ ño principa al el plato parabólico o es circula ar, de tal fforma que el plato ba ase se modificó m pa ara acoplarrlo al diseñ ño, para es sto fue necesario corttar dos sec cciones de e su form ma inicial elipsoidal y obtener una u estructtura circula ar, como sse muestra a en la figura 4.22 2.
108
E
S E R OS
S
DO A V R
HSeccciones de corte Figu uraC 4.22. c del plato o reflector ba ase E R E D Fuente Propia. P
Una ve ez establec cido las secciones s de corte,, se dio fforma circ cular al pllato refle ector, como o se presen nta en la figura 4.23.
Figura a 4.23. Plato o reflector cirrcular Fuente: Propia
109
4.5.5.4.
ESTRUCTURAS DE AJUSTE
Para brindar apoyo en el montaje de la antena se establecieron estructuras de ajuste que permiten un cómo ensamblaje, la mayoría de estas son usadas para la unión de bases y soportes claves de instalación de la antena, como son: los soportes de la base principal, y el brazo soporte del LNB, dichas estructuras de ajuste son de tipo “tuerca mariposa”, que permiten gran estabilidad y una cómoda adaptación de las piezas.
4.5.6. PINTADO DE LAS ESTRUCTURAS Y ENSAMBLAJE
S estructuras de la O D A el pintado pertinente de antena basada en los criterios de diseño, se procedió aV realizar R E SEl anexo 4 presenta el acabado final de E color blanco mate a cada una de las piezas. R HOSpor separado. cada una de las partes E deC la antena R DE Luego de haber establecido y acoplado las bases, soportes y el plato reflector a Una vez establecidas todas las formas y funciones de las
los criterios de diseño, se realizó el ensamble de cada una de estas partes, para verificar su estabilidad y su estructura final, como se muestra en la figura 4.24, por otro lado el plano del diseño que muestra las posiciones de ensamble de la estructura final se encuentran en el Anexo 2.
Figura 4.24. Antena ensamblada y pintada Fuente propia
110
4.6.
COMPROBACIÓN DE LA ANTENA DE RECEPCIÓN SATELITAL Una vez construida la antena, se procedió a comprobar la misma. En primera
instancia se vio en la necesidad de construir una plataforma o tornamesa manual capaz de soportar el peso de la estructura total de la antena ya que la plataforma con la que se contaba en el laboratorio soporta un peso máximo de 2 Kg, peso mayor al de la antena construida. La misma se diseñó con piezas de madera y los componentes encargados de hacer funcionar una bicicleta los cuales permitieron realizar manualmente la acción de
OS D A Teniendo la tornamesa lista, se realizó un montaje RVen la Facultad E S E 4.25. anecoicos como se puede observar en la figura R S HO C E DER
girar la base de la antena, tal cual ocurre con los pedales de una bicicleta. de Ingeniería
Figura 4.25. Medición de la antena Fuente propia
El montaje estuvo formado por: La tornamesa anteriormente descrita. El plato parabólico sujeto a la tornamesa. Paneles anecoicos, fabricados en un material en forma de cuña para disipar la energía de la señal tanto como sea posible, antes de que refleje. Su forma especial refleja la energía en el vértice de la cuna, disipando como vibraciones en el material en lugar del aire.
111
Se uso la plataforma giratoria pequena para almacenar los datos en la tarjeta de red de la misma, pero usando el movimiento giratorio de la construida. Para las conexiones se uso cable coaxial RG-58. Una antena helicoidal la cual se encarga de transmitir una senal para estudiar la antena parabolica como receptora. Un computador encargado de leer los datos adquridos. En las figuras 4.26, 4.27 y 4.28 se observa como quedo el montaje para la medición de la antena de la presente investigación.
E
S E R OS
H
EC R E D
S
DO A V R
Figura 4.26. Montaje para medición de la antena Fuente propia
Figura 4.27. Vista angular del montaje realizado Fuente propia
112
Figura 4.28. Antena helicoidal transmisora
Se esperaba que la antena transmisora la cual trabaja en una frecuencia de 9 a 10 GHz llegara a su frecuencia máxima para poder operar a la misma frecuecia que la antena satelital, sin embargo esto no fue posible por lo que el enlace no se pudo realizar, evidentemente sin obtener el patrón de radiación de la antena. En vista de los inconvenientes tenidos se tienen una serie de recomendaciones plasmados al final de la investigación con la finalidad de comprobar en un futuro cercano el funcionamiento óptimo de la antena de recepción.
E
S E R OS
H
EC R E D
113
S
DO A V R
CONCLUSIONES
Se estableció un contenido programático referente a sistemas satelitales, con un enfoque adecuado para las funciones que la antena de la investigación puede cumplir, sacándole el mayor provecho posible a los beneficios que ésta nos brinda. El programa realizado va acorde a la profundidad que el alumnado que llevara a cabo su contenido puede manejar, tratándose de aspectos básicos, teoría elemental
S
y practicas didácticas que ayudaran al mismo a interesarse por sí mismo y así
DO A V R
profundizar en el tema, e incluso a dedicarse en el campo laboral en la rama de
E
S E R OS
comunicaciones una vez finalizada la carrera.
CH E R De igual manera, DE los requerimientos técnicos de la antena satisfacen los objetivos del contenido programático del Laboratorio de Sistemas de Comunicaciones, cumpliendo
con estructuras de soporte y conexiones de ensamble adecuados, una ganancia efectiva para garantizar una buena calidad de la señal de recepción; y convertidor, polarizador e iluminador con valores de procesamiento acordes a la señal antes mencionada. Los criterios de diseño seleccionados permitieron definir y establecer los lineamientos que rigieron el diseño de la antena, con los que se desarrolló un tipo de antena que se adaptó a las necesidades planteadas en el presente trabajo de investigación, logrando un resultado satisfactorio. Se seleccionó un satélite con huella sobre Venezuela, y el mejor PIRE encontrado en satélites de órbita geoestacionaria, la cual permitió obtener un diámetro de 60 cm adecuada para trabajar con una antena de tipo foco primario. Se diseñó una antena parabólica, se definieron sus dimensiones en funciones de los criterios previamente establecidos, se escogieron materiales accesibles en el mercado venezolano y que permitiesen un buen desempeño de la misma.
114
Al simular el funcionamiento de la antena en el software seleccionado, se tuvo una aproximación de lo que será su comportamiento una vez se encuentre operativa. La simulación arrojo una variedad de diagramas y resultados, los cuales permitieron obtener diferentes análisis y justificaciones para los valores obtenidos, encontrados dentro del rango pre-establecido. Realizar otra investigación para desarrollar una plataforma de tornamesa lo suficientemente resistente como para soportar estructuras con peso mayor a los 2 Kg de manera tal que se aprovechen las ventajas que ofrece la cámara semianecoica
E
S E R OS
S
DO A V R
del Laboratorio de Comunicaciones de La Universidad del Zulia.
Al comprobar la antena de enlace satelital, el proceso se vio frenado debido a la falta
CH E R comprobamiento DE a pruebas futuras.
de equipos que trabajen en frecuencias de la banda Ku por lo que se limitó el
115
RECOMENDACIONES
Se recomienda continuar la línea de investigación en torno a las Antenas con el fin de crear mecanismos que consoliden la tecnología satelital en el país, usando las técnicas fundamentales para la recepción de estas comunicaciones. Todo esto investigando la manera óptima de recibir estas señales provenientes del satélite con antenas parabólicas en las diferentes bandas de funcionamiento.
OS D A V un mejor desempeño de la antena, a través de las de los mismos. Rsimulaciones E S E R S HO a pruebas y ensayos en el Laboratorio de C Someter la antenaEconstruida DERAplicado de la Fundación Instituto de Ingeniería (FII) ubicado en Electromagnetismo
Investigar cuales criterios de diseño pueden modificarse con la finalidad de obtener
la ciudad de Caracas, en el cual se podrán medir y obtener diversos parámetros de la antena que servirán de base a futuras investigaciones referentes a los resultados obtenidos. Adquisición de equipos capaces de medir el comportamiento de antenas en banda Ku, sin necesidad de traslado a otra entidad del país, bien sea la recomendación anterior. Indagar métodos alternos que permitan la comprobación del funcionamiento de la antena, al igual que se trataran de alternativas más sencillas o complejas según sea el caso con la finalidad de profundizar más en el estudio realizado a la antena construida. Construir el banco didáctico para el Laboratorio de Comunicaciones de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de La Universidad del Zulia, el cual permitirá manejar otros beneficios de la antena como lo es la variación del tipo de modulación de la señal, codificación de la mismas, trabajar con canales encriptados, verificar canales de televisión por satélite o cualquier otra facilidad que el banco a construir en la investigación sea capaz de suplir. 116
Conformar otras prácticas de laboratorio cuyas especificaciones cumplan con los requerimientos técnicos de la antena elaborada en la presente investigación, y que también sirvan de apoyo al estudiante. Reforzar el plato reflector de manera tal que sea más firme, y su peso no perturbe la medición de la misma, ya que al girar en su propio eje se tienen pequeños problemas de balanceo.
OS D A Con la finalidad de medir antenas en el Laboratorio RV de Comunicaciones, se E S E en banda X, ya que los equipos recomienda la construida de otrasRantenas S HenOlas frecuencias de dicha banda. C adquiridos son para E trabajar DER
117
BIBLIOGRAFÍA
[1]
A. Cardama, L. Jofre, J.M. Rius, J. Romeu, S. Blanch, M. Ferrando. (2003) “Antenas”. Ediciones UPC.
[2]
María
Carmen
España
Boquera.
(2003)
“Servicios
Avanzados
de
Telecomunicaciones”. Ediciones Díaz Santos S.A.
S
[3]
Francisco Ruiz Vassalle. (1996) “Guía para instaladores de antenas”.
[4]
José Abel Hernández Rueda. (1998) “Principios básicos análisis y diseño”.
[5]
Manual Alumno Profesor- modSat5/EV- Electrónica Venetta.
[6]
Tomasi. (2003) “Sistema de comunicaciones electrónicas”.
[7]
Angel Cardama Axnar. (1998) “Antenas”. Ediciones UPC.
[8]
Edwin F. Taylor. (1982) “Introducción a la física cuántica”. French,Massachusetts
E
S E R OS
H
EC R E D
DO A V R
Institute of Technology (Cambridge). [9]
F. T. Ulaby. (1999) “Fundamentals of Applied Electromagnetics”.
2da edición,
Prentice Hall. [10] “Revista Colombiana de Física”. Volumen 38 (2006). [11] W. D Rawle Smith Aerospace. (2005) “The method of moments: A numerical technique for wire antenna design”. [12] Rodolfo Neri Vela. (2003) “Comunicaciones por Satélite”. Ediciones Thomson.
118
[13] A. Carnicero. (2001) “Introducción al Método de los Elementos Finitos”. Universidad Tecnológica Nacional de Argentina.
[14]
Danke G. L. (1986) “Investigación y comunicaciones”. 2da edición Editorial McGraw-Hill. México.
[15] Cervo A. L. Bervian P. A. (1989) “Metodología Científica” Editorial McGraw-Hill. [16] Sabino 1992. México. [17] [18]
OS D A Arias, Fidias. (1995) “El proyecto de investigación. RVGuía para su elaboración”. E S E R S HO de la investigación”. Caracas, Venezuela. Sabino, C. (2002).E “ElC proceso DER
[19] Tamayo y Tamayo, Mario. (2004). “Diccionario de Investigación Científica”. 1da edición, Editorial Limusa. México. [20] Arias Fidias (2006) “El proyecto de investigación: Introducción a la metodología científica”. 5ta edición. Caracas, Venezuela. [21] Gomez 2006.
[22]
Hernández Sampieri, Roberto. (2006), “Metodología de la Investigación”. Editorial McGraw-Hill Interamericana. México.
Páginas Web Consultadas Disponible en: [23] http://www.eie.fceia.edu.ar
Noviembre, 2010
[24] http://www.todoelsistemasolar.com
Noviembre, 2010
119
[25] http://www.comunicaciones.jimbo.com
Diciembre, 2010
[26] http://www.hispasat.com
Enero, 2010
[27] http://www.4nec2.com
Febrero, 2010
[28] http://www.eznec.com
Marzo, 2010 Febrero, 2010
E
S E R OS
H
EC R E D
S
DO A V R
[29] http://www.hyperline.com
120
H
EC R E D
E
S E R OS
ANEXOS
121
S
DO A V R
E
S E R OS
H
EC R E D
S
DO A V R
ANEXO 1 GUÍA DE PREGUNTAS PARA LA ENTREVISTA ESTRUCTURADA
122
1. ¿Qué geometría es la recomendada para una antena de recepción satelital? 2. ¿Qué ventajas posee este tipo de antena sobre otras antenas de recepción satelital? 3. ¿Qué materiales, de los producidos en el país, se pueden usar para el plato parabólico?
S
DO A V R
4. ¿Qué software computacional sugiere para realizar la simulación de la antena?
E
S E R OS
5. Además de los parámetros indicados en los textos, ¿qué otros factores deben
CH E R DEde la misma? características
considerarse para el adecuado funcionamiento de la antena ante las condiciones
6. ¿Qué método de análisis es el más conveniente para estudiar los parámetros obtenidos? 7. ¿Qué situaciones sugiere analizar durante la simulación para cubrir a totalidad los límites de funcionamiento de la antena? 8. ¿Qué objetivos debe cumplir la nueva experiencia que poseerá el programa del Laboratorio de Comunicaciones? 9. ¿Cuáles son las condiciones climáticas con las cuales trabajara la antena a construir?
123
E
S E R OS
H
EC R E D
S
DO A V R
ANEXO 2 PLANO DE DIMENSIONAMIENTO DE LA ANTENA
124
E
S E R OS
H
EC R E D
S
DO A V R
ANEXO 3
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN – PATRON DE RADIACIÓN DE CAMPO LEJANO
125
Figura A.1. Patrón de campo leja ano para 11,5 5 GHz
E
S E R OS
H
EC R E D
S
DO A V R
Figura A.2. Patrón de campo c lejano p para 11,6 GH Hz
Figurra A.3. Patrón n de campo lej ejano para 11 1,7 GHz
Figura A.4. Patrón de campo leja ano para 11,9 9 GHz
Figura A.5. Patrón de campo leja ano para 12,2 2 GHz
Fuente p propia
126
E
S E R OS
H
EC R E D
S
DO A V R
ANEXO 4 ACABADO FINAL DE CADA UNA DE LAS PARTES DE LA ANTENA
127
E
S E R OS
H
EC R E D
Figura A.6. Soporte de elevación pintado Fuente propia
Figura A.7. Base de elevación pintado Fuente propia
128
S
DO A V R
E
S E R OS
CH E R DE Figura A.8. Bases adicionales pintadas Fuente propia
Figura A.9. Soporte principal pintado Fuente propia
129
S
DO A V R
S
DO A V R
H
EC R E D
Figura A.10. Soporte del LNB Fuente propia
SE E R Figura A.11. Plato parabólico pintado OS Fuente propia
Figura A.12. Brazo del LNB pintado Fuente propia
130