diseÑo y construcciÓn de un modelo de antena para …
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA
FACULTAD DE INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA EN TELECOMUNICACIONES
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN MODELO DE ANTENA
PARA RECIBIR INFORMACIÓN DE SATÉLITES
METEOROLÓGICOS DE ÓRBITA POLAR EN FORMATO HRPT,
EN 1.7GHZ
Tesis presentada por el Bachiller:
DAVID AGUIRRE SALCEDO
Para optar el Título Profesional de:
Ingeniero en Telecomunicaciones
Arequipa - Perú
2017
Dedicatoria:
A Dios por darme la vida y permitirme terminar este proyecto. A mi padre por su
motivación y apoyo en todo momento.
Agradecimientos:
A la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa, CIENCIACTIVA y CONCYTEC
por el financiamiento de la tesis. Agradecer también a la Universidad Católica San Pablo
de Arequipa por brindar los equipos de medición.
4
RESUMEN
En el presente proyecto se ha seleccionado dos tipos de antena: parabólica con alimentador
del tipo parche y parabólica con alimentador del tipo helicoidal. Estos tipos de antenas
presentan características que se ajustan a los exigidos por la literatura para su
implementación en un sistema de recepción de información satelital meteorológico. Al
determinar las ventajas y desventajas entre ambas se ha decidido la selección de la antena
parabólica con alimentador tipo patch debido a algunas ventajas con respecto a la antena
helicoidal. Como parte secuencial en los objetivos de esta tesis se ha procedido
primeramente en el diseño en software ANSYS HFSS con IE (Integral Equation), el cual
es usado para simular antenas utilizando técnicas de integración de superficies por el
método de momentos. Técnica de simulación recomendada para realizar simulaciones de
antenas de superficies parabólicas. Seguidamente, basado en los resultados obtenidos se
ha procedido a la construcción y caracterización, para así validar los resultados. Los
resultados muestran que al utilizar una antena parabólica con alimentador tipo patch se
requiere un diámetro menor que al tener un alimentador tipo helicoidal en modo back-fire;
además, el alimentador patch propuesto muestra una mejor pureza de polarización circular
([email protected]) comparada con la antena helicoidal. La principal contribución de la
Tesis es la construcción de una antena, que pueda a ser utilizada dentro de un sistema de
recepción satelital meteorológico de órbita polar en formato HRPT, en 1.7GHz. Como
parte final se ha realizado el montaje y cimentación de la antena lista para ser utilizada en
un sistema de recepción satelital.
5
Palabras clave:
Polarización circular, antena parabólica, satélites meteorológicos, doble capa, HRPT,
NOAA.
6
ABSTRACT
In the present Thesis two types of antenna have been selected: parabolic patch feeder and
parabolic back-fire helix antenna. This types of antennas have characteristics that conform
to those required by the literature for their implementation in a system of reception of
satellite meteorological information. In determining the advantages and disadvantages
between both antennas has decided the selection of parabolic antenna with patch feeder
due to some advantages with respect to the helical antenna. As a sequential part in the
objectives of this thesis, we first proceeded in the ANSYS HFSS software design with IE
(Integral Equation), which is used to simulate antennas using surface integration
techniques by the Moments Method (MoM). Recommended simulation technique for
performing antenna simulations of parabolic surfaces. Then, based on the results obtained,
we proceeded to the construction and characterization, in order to validate the results. The
results show that when using a parabolic antenna with patch feeder, a smaller diameter is
required than having a helix feeder in back-fire mode; In addition, the proposed patch
feeder shows a better circular polarization ([email protected]), compared to the helical
antenna. The main contribution of the Thesis is the construction of an antenna, which can
be used within a polar orbit weather reception system in HRPT (High Rate Picture
Transmission) format, at 1.7GHz. As final part, the assembly and foundation of the
antenna ready for use in a satellite reception system has been carried out.
7
ÍNDICE GENERAL
Dedicatoria
Agradecimientos
Resumen.......................................................................................................................... 4
Palabras clave.................................................................................................................. 5
Abstract............................................................................................................................ 6
Índice general.................................................................................................................. 7
Lista de figuras.............................................................................................................. 12
Lista de tablas................................................................................................................ 16
Lista de abreviaturas...................................................................................................... 17
1. CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
1.1. Del contenido del problema y su relevancia.......................................... 18
1.2. Definición del problema........................................................................ 19
1.3. Antecedentes, justificación y propósito de la investigación.................. 20
1.4. Entidades beneficiarias.......................................................................... 21
1.5. Viabilidad del trabajo............................................................................ 22
1.5.1. Teórico....................................................................................... 22
1.5.2. Humano..................................................................................... 22
1.5.3. Temporal.................................................................................... 22
1.5.4. Financiero.................................................................................. 22
1.6. Delimitación.......................................................................................... 23
1.7. Objetivos................................................................................................ 24
1.7.1. Objetivo general........................................................................ 24
1.7.2. Objetivos específicos................................................................. 24
1.8. Hipótesis................................................................................................ 25
1.9. Variables................................................................................................ 26
1.9.1. Variables independientes........................................................... 26
1.9.2. Variables dependientes.............................................................. 26
1.10. Metodología de la investigación............................................................ 27
8
1.10.1. Según el objetivo....................................................................... 28
1.10.2. Según el tipo de datos empleados.............................................. 28
1.10.3. Según el grado de manipulación de variables........................... 28
1.11. Técnicas de investigación aplicada....................................................... 28
1.11.1. Técnica documental.................................................................. 28
1.11.2. Técnica de campo...................................................................... 28
2. CAPÍTULO 2
MARCO CONCEPTUAL Y ESTADO DEL ARTE
2.1. Satélites Meteorológicos....................................................................... 29
2.1.1. Órbita Geoestacionaria.............................................................. 29
2.1.2. Órbita Polar............................................................................... 30
2.1.3. Sensor AVHRR/3: Advanced
Very High Resolution Radiometer............................................ 32
2.1.4. Formato HRPT.......................................................................... 35
2.2. Definición de antena.............................................................................. 36
2.3. Ganancia de una antena......................................................................... 36
2.4. Directividad........................................................................................... 37
2.5. Eficiencia............................................................................................... 38
2.6. Polarización........................................................................................... 39
2.6.1. Polarización lineal..................................................................... 39
2.6.2. Polarización circular.................................................................. 39
2.6.3. Polarización elíptica.................................................................. 40
2.6.4. Relación axial........................................................................... 40
2.7. Ancho de banda..................................................................................... 41
2.8. Pérdida por retorno................................................................................ 41
2.9. Relación de onda estacionaria (VSWR)................................................ 42
2.10. Parámetros S.......................................................................................... 43
2.11. Ancho de haz a mitad de la potencia (HPBW)...................................... 45
2.12. Impedancia............................................................................................ 45
2.13. Reflector parabólico.............................................................................. 46
9
2.14. Antena helicoidal................................................................................... 47
2.14.1. Parámetros característicos de una antena helicoidal................. 48
2.14.2. Modos de antena helicoidal....................................................... 48
2.14.2.1. Modo normal........................................................... 49
2.14.2.2. Modo axial............................................................... 49
2.14.3. Procedimiento de diseño antena helicoidal en modo axial........ 50
2.15. Antena patch.......................................................................................... 52
2.15.1. Parámetros característicos de una antena patch......................... 52
2.15.2. Polarización circular en antenas del tipo patch......................... 53
2.15.3. Procedimiento de diseño de una antena patch rectangular........ 54
2.16. Medición de antenas.............................................................................. 55
2.16.1. Sistema de medición de antenas................................................ 56
2.16.2. Campos de medida.................................................................... 56
2.16.2.1. Región reactiva de campo cercano............................. 56
2.16.2.2. Región de radiación de Fresnel.................................. 56
2.16.2.3. Región de radiación de campo lejano......................... 56
2.16.3. Estructura de un sistema de medición de antenas..................... 58
2.16.4. Cámara anecoica........................................................................ 60
2.16.4.1. Componentes de una cámara anecoica.................... 60
2.16.4.2. Material absorbente................................................. 61
2.16.4.3. Cámara anecoica MVG SG-64................................ 61
2.16.4.4. Funcionamiento del sistema de medición................ 63
2.17. Requerimientos de diseño...................................................................... 65
2.17.1. Requerimiento de ganancia....................................................... 65
2.17.2. Frecuencia de resonancia........................................................... 65
2.17.3. Polarización requerida............................................................... 65
2.17.4. Ancho de banda......................................................................... 65
2.17.5. Impedancia................................................................................ 65
2.17.6. Resumen de requerimientos...................................................... 65
2.18. Procedimiento general de diseño de antenas......................................... 66
2.19. Diseños actuales de antenas de recepción satelital................................ 66
10
3. CAPÍTULO 3
INGENIERÍA DEL PROYECTO
3.1. Análisis matemático de la antena helicoidal......................................... 69
3.2. Calculo de ganancia requerida de la antena.......................................... 70
3.3. Simulación............................................................................................. 71
3.3.1. Simulación alimentador helicoidal axial directivo.................... 72
3.3.2. Simulación alimentador helicoidal back-fire............................. 77
3.3.3. Simulación parabólica con alimentador helicoidal saliente...... 81
3.3.4. Simulación parabólica con alimentador helicoidal invertido.... 83
3.3.5. Simulación parabólica con alimentador helicoidal back-fire.... 86
3.4. Construcción.......................................................................................... 88
3.5. Caracterización...................................................................................... 93
3.6. Medidas del soporte de la antena helicoidal.......................................... 95
3.7. Análisis matemático de la antena patch................................................. 99
3.8. Simulación............................................................................................. 99
3.8.1. Simulación antena patch circular con sustrato Duroid 5880... 100
3.8.2. Simulación antena patch rectangular doble capa con sustrato
en aire...................................................................................... 102
3.8.2.1. Análisis del alimentador............................................ 103
3.8.3. Simulación parabólica 1.2m de diámetro, con alimentador tipo
patch rectangular doble capa con sustrato de aire................... 109
3.9. Construcción........................................................................................ 112
3.10. Caracterización.................................................................................... 115
3.11. Medidas de la antena patch.................................................................. 119
3.12. Comparación de resultados.................................................................. 122
3.12.1. Parámetros físicos.................................................................... 123
3.12.2. Parámetro eléctrico: Ganancia................................................. 123
3.12.3. Parámetros eléctricos: Patrón de radiación.............................. 123
3.12.4. Parámetros eléctricos: Relación axial...................................... 124
3.12.5. Parámetros eléctricos: Coeficiente de reflexión...................... 125
3.12.6. Parámetros eléctricos: Ancho de banda................................... 125
11
3.12.7. Parámetros eléctricos: Impedancia.......................................... 126
3.13. Montaje y cimentación de la antena.................................................... 126
3.14. Especificaciones técnicas de la antena................................................ 128
3.15. Consideraciones adicionales................................................................ 133
3.16. Análisis de costos................................................................................ 134
3.17. Parámetros eléctricos obtenidos.......................................................... 136
3.18. Conclusiones........................................................................................ 137
3.19. Recomendaciones................................................................................ 140
3.20. Líneas futuras de investigación........................................................... 141
BIBLIOGRAFÍA
ANEXOS
12
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1. Comparación de órbita polar y geoestacionaria.......................................... 30
Figura 2.2. Órbita polar de un satélite........................................................................... 31
Figura 2.3. Seguimiento terrestre de órbita polar.......................................................... 31
Figura 2.4. Imagen RGB de la superficie Peruana tomada del
NOAA 18 en HRPT. Fecha de captura: 25/11/2016.................................. 33
Figura 2.5. Imagen RGB de la Tierra, capturada del GOES-R.
Fecha de captura: 22/07/2017...................................................................... 34
Figura 2.6. Representación gráfica de la directividad de una antena............................ 37
Figura 2.7. Gráfica de coeficiente de reflexión |S11|...................................................... 44
Figura 2.8. Patrón de radiación 2D en escala lineal de U(ɵ)=cos2(ɵ)cos2(3ɵ).............. 45
Figura 2.9. Reflector parabólico y principales parámetros............................................ 46
Figura 2.10. Antena helicoidal...................................................................................... 48
Figura 2.11. Patrón de radicación de una antena helicoidal en modo normal............... 49
Figura 2.12. Patrón de radiación 3D de una antena helicoidal en modo axial.............. 50
Figura 2.13. Antena parabólica con alimentador helicoidal.......................................... 51
Figura 2.14. Geometría típica de antenas patch............................................................ 52
Figura 2.15. Alimentaciones de antenas tipo patch....................................................... 53
Figura 2.16. Antena microstrip mediante alimentación por acoplamiento híbrido....... 53
Figura 2.17. Antenas patch con perturbaciones y puntos de alimentación modificados.54
Figura 2.18. Vista de planta y frontal de una antena patch rectangular........................ 54
Figura 2.19. Regiones de campo de una antena............................................................ 57
Figura 2.20. Distancias de las regiones de campo de una antena.................................. 57
Figura 2.21: Estructura general de un sistema de medición de
antenas definida por el estándar IEEE 149-1979..................................... 58
Figura 2.22: Ángulos de medición de una estructura general
de un sistema de medición de antenas...................................................... 59
Figura 2.23. Espumas de poliuretano............................................................................ 61
Figura 2.24. Esquema del sistema completo de medición
en cámara anecoica SG-64....................................................................... 62
Figura 2.25. Sensores de medición de campo en una cámara anecoica........................ 63
Figura 2.26. Cámara anecoica SG-64............................................................................ 64
Figura 3.1. Diseño de antena helicoidal en modo axial directiva a 1.7GHz................. 72
13
Figura 3.2. Coeficiente de reflexión: [email protected],
alimentador helicoidal directivo................................................................. 74
Figura 3.3. VSWR [email protected] de la antena helicoidal directiva............ 74
Figura 3.4. Ganancia antena helicoidal; (a) Ganancia total; (b) Ganancia en RHCP... 75
Figura 3.5. Relación Axial (dB) antena helicoidal, 1.7GHz, Theta 0 deg..................... 76
Figura 3.6. Impedancia (ohm) real e imaginaria de la antena helicoidal...................... 76
Figura 3.7. Diseño alimentador helicoidal Back-fire en 1.7GHz.................................. 77
Figura 3.8. Coeficiente de Reflexión antena helicoidal en 1.7GHz,
con 2.5, 2.7, .2.9, 3.1, 3.5 vueltas.............................................................. 78
Figura 3.9. Patrón de radiación 3D de alimentador helicoidal back-fire en 1.7GHz.... 79
Figura 3.10. Impedancia (ohm) real e imaginaria de la antena helicoidal back-fire..... 80
Figura 3.11. Relación Axial a 1.7GHz antena helicoidal back-fire............................... 80
Figura 3.12. Diseño antena parabólica con alimentador helicoidal saliente. Parábola
1.2m diámetro............................................................................................ 81
Figura 3.13. Ganancia total de la antena parabólica con alimentador
helicoidal saliente, 1.7GHz....................................................................... 82
Figura 3.14. Relación Axial a 1.7GHz reflector parabólico con alimentador
helicoidal saliente, 1.7GHz....................................................................... 82
Figura 3.15. Diseño reflector parabólico 1.2m con alimentador helicoidal invertido... 83
Figura 3.16. Patrón de radiación polar de la antena parabólica con alimentador
helicoidal invertido en una frecuencia de 1.7GHz, Phi=0deg.................. 85
Figura 3.17. Ancho de haz a mitad de la potencia (HPBW) a 1.7Ghz.......................... 85
Figura 3.18. Relación Axial a 1.7GHz helicoidal invertido con reflector parabólico... 86
Figura 3.19. Antena parabólica de foco primario con un alimentador helicoidal del tipo
back-fire..................................................................................................... 86
Figura 3.20. Ganancia total de la antena parabólica con alimentador helicoidal
back-fire, 1.65m......................................................................................... 87
Figura 3.21. Relación Axial a 1.7GHz antena helicoidal back-fire con
reflector parabólico, 1.65m........................................................................ 87
Figura 3.22. Relación Axial a 1.7GHz antena helicoidal back-fire con y
sin reflector parabólico.............................................................................. 88
Figura 3.23. Plato parabólico 120cm diámetro............................................................. 89
Figura 3.24. Alambre de cobre doblado 2.5 vueltas...................................................... 90
Figura 3.25. Plano a tierra 6 cm diámetro..................................................................... 91
Figura 3.26. Plano a tierra y soporte de antena............................................................. 91
14
Figura 3.27. Soporte de acrílico para la hélice. ............................................................ 92
Figura 3.28. Antena helicoidal back-fire construido. ................................................... 92
Figura 3.29. Medición de coeficiente de reflexión |S11|................................................ 93
Figura 3.30. Ancho de banda de la Antena helicoidal, BW=37MHz........................... 93
Figura 3.31. Medición de la Impedancia de la Antena Helicoidal................................ 94
Figura 3.32. Antena parabólica con alimentador helicoidal en medición (izquierda),
patrón radiación 3D (derecha).................................................................. 94
Figura 3.33. Medidas plano a tierra de la antena helicoidal, vista de planta................. 95
Figura 3.34. Medidas plano a tierra de la antena helicoidal, vista frontal..................... 95
Figura 3.35. Medidas soporte de la antena helicoidal, vista de planta.......................... 96
Figura 3.36 Medidas soporte de la antena helicoidal, vista frontal............................... 96
Figura 3.37. Medidas soporte de la antena helicoidal, vista 3D.................................... 97
Figura 3.38. Medidas soporte de acrílico (parte 1), vista frontal.................................. 97
Figura 3.39. Medidas soporte de acrílico (parte 2), vista frontal.................................. 98
Figura 3.40. Patch circular con perturbaciones........................................................... 100
Figura 3.41. Coeficiente de Reflexión |S11| de la antena patch circular
con perturbaciones................................................................................... 101
Figura 3.42. Relación axial de la antena patch circular con perturbaciones,
1.7GHz, Phi 0 deg................................................................................... 102
Figura 3.43. Antena Patch cuadrada doble capa con perturbaciones.......................... 103
Figura 3.44. Coeficiente de Reflexión S11 de la antena patch doble capa................... 104
Figura 3.45. Patrón de radiación de antena patch simulado en 1.7GHz...................... 104
Figura 3.46. Relación Axial a 1.7GHz antena patch doble capa
con perturbaciones, sin reflector parabólico............................................ 105
Figura 3.47. VSWR de 1.4, antena patch doble capa con perturbaciones................... 106
Figura 3.48. Impedancia real e imaginaria simulada de la antena patch en 1.7GHz... 106
Figura 3.49. Impedancia Real e imaginaria con una separación entre la primera
y segunda capa de 4.5mm (línea negra y verde). Impedancia Real
e imaginaria con una separación entre la primera y segunda capa de
3.3mm (línea roja y azul)......................................................................... 107
Figura 3.50. Desplazamiento del vector de campo eléctrico en: phase=0deg,
phase=90deg, phase=180deg, phase=270deg, en 1.7GHz..................... 108
Figura 3.51. Diseño antena parabólica 1.2m con alimentador patch en 1.7GHz........ 109
Figura 3.52. Patrón de radiación 3D antena patch doble capa en 1.7GHz.................. 110
15
Figura 3.53. Patrón de radiación rectangular antena parabólica patch, en 1.7GHz.... 110
Figura 3.54. Parametrización de la AR de la antena parabólica
con alimentador patch.............................................................................. 111
Figura 3.55. Relación axial antena parabólica con alimentador patch en 455mm...... 112
Figura 3.56. Placas de aluminio y bronce terminados................................................. 113
Figura 3.57. Pernos y conector SMA.......................................................................... 114
Figura 3.58. Soportes entre capas de la patch............................................................. 114
Figura 3.59. Alimentador patch doble capa construido.............................................. 115
Figura 3.60. Coeficiente de reflexión medido y simulado.......................................... 116
Figura 3.61. Ancho de banda aproximado medido de la antena patch....................... 116
Figura 3.62. Análisis de impedancia medida mediante carta smith............................ 117
Figura 3.63. Montaje de la antena para medición de ganancia................................... 117
Figura 3.64. Medición de ganancia de antena parabólica patch.................................. 118
Figura 3.65. Patrón de radiación 3D medido. ............................................................. 119
Figura 3.66. Medidas capa 1 de la antena patch.......................................................... 120
Figura 3.67. Medidas plano a tierra de la antena patch............................................... 120
Figura 3.68. Medidas capa 2 de la antena patch.......................................................... 121
Figura 3.69. Antena patch, vista frontal...................................................................... 121
Figura 3.70. Antena patch completa, vista planta....................................................... 122
Figura 3.71. Patrón de radiación de alimentador helicoidal con
D=1.65m (línea roja), alimentador helicoidal con
D=1.2m(línea verde) y alimentador tipo patch con D=1.2m(línea azul).124
Figura 3.72. Comparación de la relación axial alimentador tipo patch y
tipo helicoidal en 1.7GHz........................................................................ 125
Figura 3.73. Vista posterior de la antena parabólica montada.................................... 127
Figura 3.74. Antena montada con rotor de giro en Azimutal y Elevación.................. 128
Figura 3.75. Antena montada (izquierda), patrón de radiación polar (derecha).......... 128
Figura 3.76. Diagrama de conexiones del rotor Yaesu G-5500.................................. 131
Figura 3.77. Controlador externo ERC-M SMD......................................................... 132
16
LISTA DE TABLAS
Tabla 2.1. Bandas espectrales del sensor AVHRR/3.................................................... 32
Tabla 2.2. Comparativa entre el formato APT y el Formato HRPT.............................. 35
Tabla 2.3. Valores de la VSWR y potencia reflejada.................................................... 43
Tabla 2.4. Parámetros característicos de una antena helicoidal.................................... 48
Tabla 2.5. Principales requerimientos de la antena para el formato HRPT.................. 66
Tabla 3.1. Resultado matemático de antena helicoidal axial directiva.......................... 70
Tabla 3.2. Dimensiones físicas de antena helicoidal axial directiva............................. 73
Tabla 3.3. Dimensiones físicas de alimentador helicoidal back-fire............................. 77
Tabla 3.4. Dimensiones físicas de la antena parabólica con alimentador helicoidal.... 84
Tabla 3.5. Dimensiones físicas del reflector parabólico................................................ 88
Tabla 3.6. Materiales de construcción de antena helicoidal back-fire.......................... 89
Tabla 3.7. Valores obtenidos de una patch rectangular a partir de la frecuencia
de resonancia, sustrato (aire) y grosor de sustrato........................................ 99
Tabla 3.8. Medidas requeridas antena patch con sustrato RT duroid 5880................. 100
Tabla 3.9. AR obtenida con distintas posiciones del alimentador patch doble capa... 111
Tabla 3.10. Dimensiones reflector 120m diámetro..................................................... 112
Tabla 3.11. Materiales para construcción antena patch band doble capa.................... 113
Tabla 3.12. Medidas de soportes entre capas antena patch......................................... 114
Tabla 3.13. Requerimientos de reflector de alimentadores helicoidal y
patch para obtener 24dB de ganancia....................................................... 123
Tabla 3.14. Cuadro comparativo del coeficiente de reflexión de alimentador
helicoidal y patch, en 1.7GHz................................................................... 125
Tabla 3.15. Cuadro comparativo del BW del alimentador helicoidal,
patch en 1.7GHz....................................................................................... 125
Tabla 3.16. Cuadro comparativo del coeficiente de reflexión de alimentador
helicoidal y patch, en 1.7GHz.................................................................. 126
Tabla 3.17. Parámetros físicos y eléctricos, antena patch........................................... 129
Tabla 3.18. Especificaciones técnicas del rotor YAESU G-5500............................... 129
Tabla 3.19. Análisis de costos de construcción de la antena....................................... 135
Tabla 3.20. Parámetros característicos medidos de la antena parabólica con
alimentador tipo patch.............................................................................. 136
17
LISTA DE ABREVIATURAS
AM: Amplitud Modulada
APT: Automatic Picture Transmission
AR: Axial Ratio
AVHRR: Advanced Very High Resolution Radiometer
BW: Beamwidth
CP: Circular Polarized
ESA: Agencia Espacial Europea
FM: Frecuencia Modulada
FNBW: First Null Beamwidth
GOES: Global Operational Environmental Satellite
HRPT: High Rate Picture Transmission
LEO: Low Earth Orbit
LHCP: Left Hand Circular Polarization
LNA: Low Noise Amplifier
LRPT: Low Rate Picture Transmission
MVG: Microwave Vision Group
NASA: National Aeronautics and Space Administration
NOAA: National Oceanic and Atmospheric Administration
PLA: Polylactic Acid
POES: Polar Operational Environmental Satellites
QPSK: Quadrature Phase Shift Keying
RHCP: Right Hand Circular Polarization
SDR: Software Radio Defined
SENAMHI: Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología
VNA: Vector Network Analyzer
VSWR: Voltage Standing Wave Ratio
Introducción
18
1. CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN
1.1. Del contenido de problema y su relevancia
Información satelital meteorológica está constantemente disponible para ser
recibida y procesada. Para ello es necesario un sistema dedicado que pueda realizar dicha
función, el cual permitirá obtener información meteorológica en tiempo real. En la
presente investigación se diseña un modelo de antena que cumpla con todos los requisitos
para ser parte del sistema. Esta investigación es particularmente relevante debido a que
con las nuevas investigaciones en el diseño de antenas se puede diseñar una antena con
iguales prestaciones y bajo coste de fabricación.
Introducción
19
1.2. Definición del problema
La problemática específica encontrada es la necesidad de diseñar un modelo de
antena que cumpla los requisitos exigidos para poder ser implementado en un sistema de
recepción satelital meteorológica en formato HRPT.
Introducción
20
1.3. Antecedentes, justificación y propósito de la investigación
Los antecedentes previos a esta investigación se dan en el existente sistema
analógico de recepción de información meteorológica en formato APT (Automatic Picture
Transmisión) instalado en el Instituto Astronómico y Aeroespacial de la Universidad
Nacional de San Agustín de Arequipa, en Characato. Este sistema nos brinda información
en baja resolución, que si bien nos brinda información suficiente para determinar algunos
aspectos meteorológicos, no permite realizar un procesado de la información a detalle
debido al limitante de resolución. El sistema existente recibe información analógica en
137MHz.
Justificamos esta investigación debido a que se necesita información meteorológica de
mayor resolución a la existente en el Observatorio de la Universidad. Para lo que se
necesita un nuevo diseño de antena, el cual es el propósito de esta investigación.
El propósito de esta investigación es diseñar la antena para un nuevo sistema HRTP (High
Rate Picture Transmission) de alta resolución.
Introducción
21
1.4. Entidades beneficiarias
Universidad Nacional de San Agustín: Laboratorio destinado a teledetección
satelital.
Instituto Astronómico y Aeroespacial Pedro Paulet. UNSA-IAAPP.
SENAMHI (Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología). Estación terrena
satelital.
IMARPE (instituto del Mar del Perú)
IGP (Instituto geofísico del Perú)
Centros de Investigación Satelital.
Las Entidades mencionadas se ven beneficiadas ya sea por el uso de la información
y/o instalación de un sistema que contenga la antena propuesta.
Introducción
22
1.5. Viabilidad del trabajo de investigación
1.5.1. Teórico
El presente tema de investigación cuenta con el acceso de la información
suficiente para lograr los objetivos del proyecto.
1.5.2. Humano
Es claro que no es ningún inconveniente de recursos humanos para la realización
de esta investigación.
1.5.3. Temporal
El presente trabajo de investigación se realiza en un periodo de 1 año para la
ejecución de todos los procesos de investigación tales como: búsqueda de información,
simulación, medición y construcción. Tiempo viable para que el entregable de esta
investigación sea usado satisfactoriamente.
1.5.4. Financiero
Como se verá en el capítulo 3, la antena propuesta permite reducir notablemente
los costos, a los que se tendría que asumir en caso de adquirir una antena. Esto sin arriesgar
los requisitos exigidos por la literatura.
Para el desarrollo de esta investigación se ha utilizado recursos financieros otorgados por
la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa, mediante un concurso público de
financiamiento de Tesis para Optar el Título Profesional. El monto otorgado por la
Universidad fue de S/. 12,000.00 doce mil soles.
Introducción
23
1.6. Delimitación
La presenta investigación se limita al diseño de una antena que podrá ser parte del
sistema de recepción satelital en formato HRPT.
En simulación, esta investigación se limita a la obtención de datos optimizados de antenas
del tipo patch y helicoidal, más no se analizan otros tipos de antenas o arreglo de antenas.
En construcción, la presente investigación se limita a utilizar técnicas de construcción
existentes dentro del área en el cual se realiza esta investigación. Vale mencionar que se
proponen métodos de construcción sofisticados que brindan mayor exactitud y robustez
a la antena.
En caracterización o medición, La presente investigación se limita utilizar un analizador
de redes vectoriales y un sistema de medición de antenas: cámara anecoica. Cabe
mencionar que la utilización de un sistema de medición de cámara anecoica es suficiente
para validar experimentalmente una antena.
En localización, la presente investigación se instalará en la ciudad de Arequipa, en el
instituto Astronómico y Aeroespacial Pedro Paulet, de la Universidad Nacional de san
Agustín de Arequipa. Pero que por su aplicabilidad se puede instalar en otros lugares.
Introducción
24
1.7. Objetivos
1.7.1. Objetivo general
Diseñar un modelo de antena de recepción de información satelital que pueda
recibir imágenes en formato HRPT (High Rate Picture Transmission), en 1.7GHz. Que
cumpla con los requisitos necesarios para poder ser implementada en una estación
meteorológica de recepción de información satelital.
1.7.2. Objetivos específicos
1.7.2.1. Adjuntar toda la información científica referida al diseño y construcción de
antenas, para recibir información de satélites meteorológicos de órbita polar.
1.7.2.2. Seleccionar y/o proponer dos modelos de antenas que puedan cumplir estándares
de construcción y que tengan características óptimas para su posterior
funcionamiento.
1.7.2.3. Realizar la simulación de los modelos de antenas seleccionados para proceder
con su optimización en el computador.
1.7.2.4. Proceder a construir un modelo de antena que cumpla con tales propósitos.
1.7.2.5. Caracterizar la antena para validar sus especificaciones.
1.7.2.6. Documentar y generar informes finales del proyecto.
Introducción
25
1.8. Hipótesis
Es posible diseñar y construir un modelo de antena de recepción de información
satelital que pueda recibir información en formato HRPT (High Rate Picture
Transmission), en 1.7GHz.
Introducción
26
1.9. Variables
1.9.1. Variable independiente: Diseño de antena. Esta variable permite la
obtención de las variables dependientes requeridas para el cumplimiento de los
objetivos.
1.9.2. Variable dependiente: Ganancia, coeficiente de reflexión, VSWR,
Impedancia, polarización. Estas variables permiten analizar los valores requeridos
para el cumplimiento de los requisitos que deben cumplir las antenas.
Introducción
27
1.10. Metodología de la investigación
Procedimiento. Se pretende alcanzar los objetivos de la investigación mediante la
búsqueda de nuevas investigaciones en el diseño de antenas de aplicaciones satelitales
para realizar su simulación, construcción y caracterización. Primeramente se procederá
con la búsqueda de nuevos modelos de antenas para el tipo de aplicación propuesto.
Se prevé adjuntar la información relevante en el diseño de antenas que se puedan
establecer en enlaces Satélite-Terrestres. En esta fase de la investigación se tendrá claro
los avances en diseño de antenas, tipos, características, etc. Seguidamente se seleccionará
dos modelos de antenas para satélites meteorológicos en la banda L, en 1.7GHz. Para un
correcto diseño de antenas se tomará en cuenta el procedimiento de diseño de antenas
general: Simulación ANSYS HFSS (software especializado), optimización (ANSYS
HFSS), construcción y caracterización con equipos certificados en mediciones de radio
frecuencia (analizador de redes vectoriales, Anritsu MS2027C y Cámara Anecoica MVG
Microwave Vision Group, modelo SG-64). Finalmente se detallarán conclusiones,
recomendaciones, lecciones aprendidas y líneas futuras de investigación.
La presente metodología de investigación parte de los objetivos propuestos en el
desarrollo de la investigación.
Introducción
28
Los métodos de investigación utilizados son detallados a continuación:
1.10.1 Según el objeto
Investigación aplicada, pues la presente investigación aplica las técnicas ya
existentes que nos van a permitir llegar al cumplimiento de los objetivos.
1.10.2 Según el tipo de datos empleados
Cuantitativa, pues en la investigación nos basamos en procedimientos teóricos
y experimentales ya existentes.
1.10.3 Según el grado de manipulación de variables
Investigación experimental, debido a que nos basamos en la manipulación de
las variables de control detallados. Se tendrá como base todas las variables de control que
nos permitan establecer todos los requisitos mínimos que debe cumplir la antena.
1.11. Técnica de investigación aplicada
1.11.1. Técnica documental
Se tendrá acceso a las principales bases de datos e información bibliográfica
referidas a nuevos modelos de antenas y sus aplicaciones. Esta técnica nos permitirá
analizar contenido altamente relevante y actualizada en el diseño de antenas.
1.11.2. Técnica de campo
El procedimiento de campo a seguir será el que se usa con mayor generalidad
en el diseño de antenas. La simulación se realizará en software especializado en el diseño
de antenas, software validado en antenas, que permite minimizar errores en los resultados.
En la parte de construcción se utilizarán materiales y equipos de la precisión suficiente
para que puedan ser validados por los equipos de medición. En la parte de la
caracterización de la antena se utilizaran todas las recomendaciones que brinda la Unión
Internacional en Telecomunicaciones en medición de antenas, además de utilizar equipos
homologados altamente especializados en circuitos de radio frecuencia (VNA y Cámara
anecoica).
Introducción
29
2. CAPÍTULO 2
MARCO CONCEPTUAL
2.1. Satélites Meteorológicos
En este apartado revisaremos algunos aspectos sobre los satélites meteorológicos.
Estos satélites pueden “ver” gracias a los radiómetros instalados en los mismos. Los
satélites se utilizan para supervisar el clima de la Tierra, proporcionando datos
actualizados permanentes de condiciones meteorológicas que afectan a la Tierra.
Actualmente estos satélites podríamos agruparlos según su órbita [8]:
2.1.1. Órbita Geoestacionaria
Estos satélites están aproximadamente 36.000Km sobre la Tierra, Figura 2.1.
Podríamos mencionar la serie de los satélites GOES (Global Operational Environmental
Satellite) de la Agencia Norteamericana; los METEOSAT, de la Agencia Espacial
Europea (ESA), Además de otros. Estos satélites generalmente requieren antenas de muy
altas ganancias para compensar las pérdidas dadas por la distancia. Es decir, se requieren
reflectores parabólicos de un diámetro considerable. Un aspecto a tomar en cuenta seria
que no requieren de un sistema de seguimiento hacia el satélite ya que poseen una órbita
fija con respecto a la Tierra.
En la figura 2.1 observamos una comparación entre las distancias geoestacionarias y de
órbita polar.
Introducción
30
Figura 2.1. Comparación de órbita polar y geoestacionaria. FUENTE: [21]
2.1.2. Órbita Polar:
Que como su nombre lo indica: orbitan la Tierra de polo a polo. Estos satélites se
ubican a 800Km de distancia de la Tierra [8]. Figura 2.1. Actualmente existen varias
constelaciones de satélites meteorológicos en esta órbita: NOAA (National Oceanic and
Atmospheric Administration), los METEOR de la Agencia Espacial Rusa. Al no tener una
distancia de separación hacia la Tierra, las ganancias requeridas son menores a los de los
geoestacionarios.
Cada órbita satelital posee aplicaciones específicas para las cuales fueron diseñadas. Por
ejemplo: generalmente los satélites geoestacionarios se utilizan cuando se requiere cubrir
grandes superficies terrestres y que se necesite que estén constantemente disponibles, a
diferencia de los de órbita polar. En el caso de los de órbita polar se pueden utilizar cuando
se requiere cubrir áreas específicas determinadas. Estas áreas no están siempre
disponibles, debido al movimiento del satélite. Un ejemplo se podría mencionar es que los
satélites de órbita polar (NOAA), pasan pocas veces sobre un área específica de la Tierra.
Introducción
31
Figura 2.2. Órbita polar de un satélite. FUENTE: [8]
En la figura 2.2 se observa el recorrido que realiza un satélite de órbita polar sobre la
Tierra, con unas sombras de predicción. En la figura 2.3 se observa el recorrido que realiza
un satélite de órbita polar. Estos tipos de satélites pasan alrededor de 15 minutos sobre un
área específica de la Tierra. Es por eso que se tiene que realizar un seguimiento constante
del satélite.
Figura 2.3. Seguimiento terrestre de órbita polar. FUENTE: [8]
Introducción
32
2.1.3. Sensor AVHRR/3 (Advanced Very High Resolution Radiometer)
Una característica importante a detallar los satélites NOAA (NOAA 15, NOAA
18, NOAA19), es el sensor AVHRR/3 (Advanced Very High Resolution Radiometer) que
posee cinco canales espectrales mostrados en la tabla 2.1 [8].
Canal Micras Descripción
1 0.58 – 0.68 Luz visible, nubes diurnas, cartografía de la superficie
2 0.725 – 1.10 Desalineación de superficies cubiertas por agua
3A 1.58 – 1.64 Detección de nieve y hielo
3B 3.55 – 3.93 Temperaturas del océano e incendios forestales
mayores
4 10.5 – 11.5 Mapeo de la superficie del mar y nubes de día o de
noche
5 11.5 – 12.5 Mapeo de la superficie e del océano, muy similares a
las aplicaciones del canal 4.
Tabla 2.1. Bandas espectrales del sensor AVHRR/3. FUENTE: [8]
Gracias a este Sensor Radiométrico se puede detectar la luz visible, nubes, temperatura de
océano, incendios forestales, etc. Es así que la información obtenida brinda información
meteorológica.
En la figura se observa una imagen obtenida con el sensor AVHRR/3 en HRPT (High
Rate Picture Transmission) del NOAA 18, en 1.707GHz. Esta imagen RGB fue obtenida
por el IMARPE (Instituto del Mar del Perú) con su sistema de recepción HRPT.
Introducción
33
Figura 2.4. Imagen RGB de la superficie Peruana tomada del NOAA 18 en HRPT.
Fecha de captura: 25/11/2016. Fuente: [33]
En la figura 2.5 se muestra una imagen obtenida del reciente satélite lanzado (GOES-R),
Este satélite es el primero de una nueva generación de satélites de la Agencia
Norteamericana, fue lanzado el 19 de Noviembre del 2016 y hace pocos meses recién
adecuó su órbita de posicionamiento geoestacionario. La imagen fue obtenida por USA-
SATCOM, radioaficionado que captura información meteorológica de varios satélites, de
órbita polar, geoestacionaria, además de otros.
Introducción
34
Figura 2.5. Imagen RGB de la Tierra, capturada del GOES-R. Fecha de captura:
22/07/2017. Fuente: [34]
Debido a la órbita geoestacionaria, la ganancia requerida por la antena es mayor a 24dB,
la frecuencia de operación del satélite es en la misma banda que el formato HPRT. La
anterior generación de satélites geoestacionarios de la Agencia Norteamericana emitían
señal en polarización lineal, en esta última generación la información se transmite en
polarización circular [8].
Introducción
35
2.1.4. Formato HRPT
Los satélites meteorológicos emiten información en VHF, banda L y banda X. El
formato APT da un tamaño de pixel de 4Km y por lo tanto un área de 16 km2 por pixel,
por otro lado, el formato HRPT nos brinda un tamaño de pixel de 1.1km. Un aumento de
13 veces la resolución espacial. Este tipo de información meteorológica permite que la
información recibida sea mucho mayor comparada con el formato APT. Este tipo de
sistemas necesitan de más componentes en la estación terrena (rotor, LNA,
downconverter, receptor en banda L). En la tabla 2.2. Se presentan las diferencias entre
los formatos APT y HRPT [9].
Diferencia entre formato APT y HRPT APT HRPT
Frecuencia de
transmisión
137.62MHz
137.1MHz
137.9125MHz
1698MHz
1707MHz
1702.5MHz
Polarización RHCP RHCP y LHCP
Modulación de la
portadora de RF
Analógica AM/FM Digital QPSK
BW de la emisión 34KHz 3.5MHz
Líneas por trama 120 líneas/minuto (2
líneas /segundo)
6 líneas/segundo (360
líneas/minuto)
Palabras digitales por
línea
2080 palabras /línea 11.090 palabras/línea
Velocidad de datos 41.6kbps 665.4kbps
Tamaño de pixel 4 Km 1.1 Km
Km2/pixel Superficie de 16
Km2/pixel
Superficie de 1.21
Km2/pixel Tabla 2.2. Comparativa entre el formato APT y el Formato HRPT.
FUENTE: [8] [9].
Introducción
36
2.2. Definición de antena
Para definir una antena mencionamos lo que el Instituto de Ingenieros Eléctrico y
electrónico específico: Una antena es aquella parte de un sistema transmisor o receptor
específicamente diseñada para radiar o recibir ondas electromagnéticas [1]. Es así que las
antenas son parte esencial en gran cantidad de sistemas, como: sistemas satelitales, radar,
celulares, entre otros. También podríamos mencionar que una antena hace las veces de un
acoplador de la línea de transmisión con el espacio libre y viceversa. Convirtiendo así la
energía eléctrica que viaja por una línea de transmisión en ondas electromagnéticas que
se emiten al espacio (en el caso de una antena en transmisión), y de manera viceversa
convierte las ondas electromagnéticas en el espacio en energía eléctrica hacia la línea de
transmisión (antena en recepción). Es así que un buen diseño de una antena permite
minimizar distintos tipos de perdidas, como perdidas por acoplamiento, transmisión,
recepción, desadaptación, etc.
2.3. Ganancia de una antena
Podríamos mencionar que este es uno de los parámetros más importantes en el
funcionamiento de una antena. Entonces, la ganancia de una antena (en una dirección
dada) se define como: la relación de intensidad en una dirección dada, y la intensidad de
la radiación que se obtendría si la potencia a la entrada es irradiada por una antena
isotrópica (físicamente una antena isotrópica no existe, pero se define como una antena
puntual que irradia energía uniforme en todas las direcciones) [2].
Por ejemplo una antena con una ganancia de 3dB significa que la potencia que recibe
desde la antena sería 3dB más alto que si fuera recibido por una antena isotrópica con las
mismas características. La ganancia puede ser expresada mediante la ecuación 2.1 [2].
Gain = 𝟒𝝅𝑰𝒏𝒕𝒆𝒏𝒔𝒊𝒅𝒂𝒅 𝒅𝒆 𝒓𝒂𝒅𝒊𝒂𝒄𝒊ó𝒏
𝑷𝒐𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 𝒅𝒆 𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂=
𝑼(𝜽,𝝋)
𝑷𝒊𝒏 (2.1)
Introducción
37
2.4. Directividad
Es una medida de la direccionalidad y es definida como la relación existente entre
la intensidad de radiación en cada dirección a una distancia dada y la intensidad de
radiación que radiaría a esa misma distancia y con una misma potencia una antena
isotrópica [2], Por ejemplo: las antenas de celular como suelen recibir la señal en todas las
direcciones necesitan una directividad muy baja, en cambio, las antenas satelitales tienen
una directividad alta porque reciben señales de lugares fijos. La directividad con la
intensidad de radiación máxima puede ser expresada mediante la ecuación 2.2 [2].
Directividadmax= R0=𝑼𝒎𝒂𝒙
𝑼𝟎=
𝟒𝝅𝑼𝒎𝒂𝒙
𝑷𝒓𝒂𝒅 (2.2)
Donde: Umax es la intensidad de radiación máxima (W/unidad de ángulo sólido), U0 es la
intensidad de radiación de una fuente isotrópica (W/unidad de ángulo sólido) y Prad es la
potencia total radiada (Watts).
Una manera gráfica de expresar la directividad es representada en la figura 2.6, donde “D”
es la representación de la directividad.
Figura 2.6. Representación gráfica de la directividad de una antena. Fuente: [2]
Introducción
38
2.5. Eficiencia
Es definida como la relación entre la potencia radiada y la potencia entregada a la
antena [2], ecuación 2.3 [2].
ea = 𝑷𝒓𝒂𝒅
𝑷𝒊𝒏 (2.3)
Las pérdidas asociadas dentro de una antena son normalmente pérdidas de conducción
(debido a la conductividad finita del metal que forma la antena) y las pérdidas dieléctricas
(debido a la conductividad de un material dieléctrico cerca de una antena).
Ejemplos de dieléctricos incluyen vidrio, plástico, teflón, etc. Los fuertes campos
eléctricos cerca de una antena pierden energía al calentar el dieléctrico debido a la
conductividad del mismo [3].
La eficiencia puede ser también definida a partir de la relación entre la ganancia y la
directividad [2], Donde G es la ganancia de la antena y D la directividad. Está dada por la
ecuación 2.4 [2].
𝒆𝒂 =𝑮
𝑫 (2.4)
La eficiencia puede ser alta para antenas parabólicas, antenas del tipo bocina, o dipolos de
media longitud de onda con ningún material con pérdidas alrededor de ellos. Antenas de
telefonía, o antenas WiFi, por lo general tienen una eficiencia del 20%-70% (-7dB-1.5dB
aproximadamente).
Las antenas de radio vehiculares pueden tener eficiencias de 1% (-20dB) en las
frecuencias de radio AM [3]. Estas bajas eficiencias son debidas a que las antenas son
mucho más pequeñas que un medio de longitud de onda a la frecuencia operativa, el enlace
de radio se mantiene porque la antena de radiodifusión por AM utiliza una muy alta
potencia de transmisión.
Introducción
39
2.6. Polarización
La polarización corresponde a la polarización de los campos irradiados por ésta,
evaluados en un campo lejano y se refiere a la orientación del campo eléctrico radiado
respecto al plano de tierra [2]. Existen tipos de polarización: Polarización lineal, circular
y elíptica.
2.6.1. Polarización lineal
Si el vector del campo eléctrico en un punto dado del espacio está siempre
orientado a lo largo de la misma recta en cada instante de tiempo, podemos decir que la
onda electromagnética esta polarizada linealmente en ese punto. Podríamos mencionar
algunas características [2]:
- Solo una componente en una dirección
- Dos componentes lineales ortogonales que están en fase de tiempo o 180°
(o múltiplos de 180°) fuera de fase.
2.6.2. Polarización circular
El vector de campo eléctrico en un punto dado en el espacio traza un círculo como
una función del tiempo. Las condiciones necesarias y suficientes para lograr esto son [2]:
- El campo debe tener dos componentes lineales y ortogonales
- Los dos componentes deben tener la misma magnitud
- Los dos componentes deben tener una diferencia de tiempo y fase múltiplos
impares de 90°
Dependiendo de la dirección del desplazamiento de fase, se puede tener polarización
circular derecha (RHCP) y polarización circular izquierda (LHCP).
Introducción
40
2.6.3. Polarización elíptica
Una onda electromagnética es polarizada elípticamente si el vector de campo traza
una elipse. Las condiciones necesarias y suficientes para lograr esto son [2]:
- El campo debe tener dos componentes lineales ortogonales
- Las dos componentes pueden tener la misma o diferente magnitud
- Si las dos componentes no son de la misma magnitud, la diferencia tiempo-fase
entre los dos componentes no debe ser 0° o múltiplos de 180° (entonces tendríamos
polarización lineal)
Si las dos componentes son de la misma magnitud, la diferencia de tiempo-fase entre los
dos componentes no debe ser múltiplo de 90° (entonces tendríamos polarización circular.
2.6.4. Relación axial
Es la relación de los componentes ortogonales de un campo eléctrico. Debido a los
tipos de polarización esta relación axial toma valores de 1 a infinito. Los valores que toma
en las distintas polarizaciones son [2]:
- Polarización circular: 1( ó 0dB)
- Polarización elíptica: mayor que 1 (mayor que 0dB)
- Polarización lineal: infinito, debido a que los componentes ortogonales del campo
es cero.
Los valores mencionados son valores teóricos, las relaciones axiales en una antena tienden
a degradarse lejos del haz principal de una antena. Generalmente en una hoja de datos de
una antena con polarización circular se especifica: Relación axial menor a 3dB ± 30° del
haz principal. Éste límite en la polarización se delimitará con una línea discontinua en la
realización de gráficos de relación axial.
La polarización circular presenta importantes ventajas con respecto a antenas de
polarización lineal, este tipo de polarización son especialmente importantes en
comunicaciones satelitales donde es necesario reducir el efecto de “Rotación de Faraday”,
el cual es un efecto dado en la ionósfera [4] y que causa una pérdida de alrededor 3dB [5]
de la señal si se utilizara antenas de polarización lineal, las antenas CP son inmunes a este
Introducción
41
problema. Una ventaja que tiene la polarización circular en comunicaciones satelitales es
que no necesita una orientación estricta entre la transmisión con las antenas receptoras, lo
que difiere de antenas de polarización lineal que están sujetos a pérdidas de desigualdad
por polarización si se produce una pérdida de desalineación de polarización arbitraria [5].
2.7. Ancho de banda
Se define como el intervalo de frecuencias dentro del cual el funcionamiento de la
antena es “satisfactorio” [2] éste parámetro es determinante a la hora de decidir sobre una
antena, típicamente el ancho de banda es citado en términos de VSWR (Voltaje Standing
Wave Ratio), por ejemplo, una antena puede ser descrita por el fabricante como:
VSWR<1.5 de 100 a 400MHz, esto implicaría que la antena presenta un comportamiento
satisfactorio dentro de ese intervalo. Existe también otro criterio que se puede utilizar para
caracterizar el ancho de banda. Esta puede ser la polarización durante un cierto intervalo,
por ejemplo, una antena puede ser descrita como que tiene polarización circular con una
relación axial de < 3dB, desde 1.4 a 1.6GHz. Este ancho de banda de polarización limita
el rango sobre el cual está funcionando la antena. [2] [6].
El ancho de banda puede desprenderse de una gráfica de coeficiente de reflexión donde
se evalúan los valores a los que la antena presenta buena adaptación.
2.8. Pérdida por retorno
En inglés llamado: Return Loss. Es el parámetro que relaciona la potencia
incidente y la reflejada en función de la frecuencia en un punto de alimentación de la
antena [7]. Es la relación en decibelios, entre la potencia directa y la potencia reflejada en
un punto determinado del mismo. Este dado por la ecuación 2.5 [2].
𝑹𝑳 = 𝟏𝟎𝐥𝐨𝐠𝟏𝟎 (𝑷𝒊𝒏
𝑷𝒓𝒆𝒇𝒍) 𝐝𝐁 (2.5)
Dónde Pin y Prefl son potencia incidente y potencia reflejada respectivamente. Nótese que
el RL generalmente es una cantidad positiva, dado que Prefl<Pin. Dicho de otra
manera, RL es la diferencia en dB de la potencia enviada a la antena y la potencia
Introducción
42
reflejada. Un valor positivo de RL es dado en situaciones donde se analiza
dispositivos pasivos, un RL negativo sería posible cuando se analizan dispositivos
activos en los que la potencia reflejada tiene que ser mayor a la incidente [7].
Expresando la potencia en términos de voltaje en una línea de transmisión o guía
de onda, RL está dado por la ecuación 2.6 [7].
𝑹𝑳 = 𝟏𝟎𝐥𝐨𝐠𝟏𝟎 |𝟏
𝝆𝟐| 𝐝𝐁 (2.6)
Donde RL puede ser dado con la ecuación 2.7.
= −𝟐𝟎𝐥𝐨𝐠𝟏𝟎|𝝆| 𝐝𝐁 (2.7)
Donde 𝜌 es coeficiente de reflexión complejo a la entrada de la antena. Así, el RL es el
negativo del coeficiente de reflexión expresado en dB. Al ser expresado el coeficiente de
reflexión como: 𝝆 =𝑺𝑾𝑹−𝟏
𝑺𝑾𝑹+𝟏 [2] [7], éste toma valores de 0< 𝝆 <1. RL también puede
ser expresado en términos de VSWR [11] [18]. Ecuación 2.8 [7].
𝑹𝑳 = 𝟏𝟎𝐥𝐨𝐠𝟏𝟎 |𝑽𝑺𝑾𝑹+𝟏
𝑽𝑺𝑾𝑹−𝟏| 𝐝𝐁 (2.8)
2.9. Relación de onda estacionaria (VSWR)
Se define como la relación entre el voltaje más alto en cualquier punto de la línea
de transmisión y el voltaje más bajo [2]. Puesto que el voltaje no varía en un sistema ideal,
su VSWR seria 1 (1:1). Esto implica que se tiene un acoplamiento perfecto entre todos los
elementos del sistema de antena.
El VSWR es una medida que describe numéricamente lo bien que se adapta la antena a la
línea. El VSWR es una función del coeficiente de reflexión o S11, que se define con la
ecuación 2.9 [7].
VSWR = 𝟏 +|𝑺𝟏𝟏|
𝟏−|𝑺𝟏𝟏| (2.9)
La VSWR siempre es un número real y positivo, cuanto menor sea el VSWR, mayor es la
potencia suministrada a la antena, en la tabla 2.3 se puede observar algunos valores de la
Introducción
43
VSWR y la potencia reflejada. En cada caso, es interesante observar el comportamiento
no lineal de los resultados.
En la tabla 2.3 se muestra valores de pérdida por retorno y su relación con la VSWR:
VSWR Coeficiente de
Reflexión
Potencia
Reflejada (%)
Potencia
Reflejada (dB)
1.0 0.000 0.00 -infinito
1.5 0.200 4.0 -14.0
2.0 0.333 11.1 -9.55
2.5 0.429 18.4 -7.36
3.0 0.500 25.0 -6.00
3.5 0.556 30.9 -5.10
4.0 0.600 36.0 -4.44
5.0 0.667 44.0 -3.52
6.0 0.714 51.0 -2.92
7.0 0.750 56.3 -2.50
8.0 0.778 60.5 -2.18
9.0 0.800 64.0 -1.94
10.0 0.818 66.9 -1.74
15.0 0.875 76.6 -1.16
20.0 0.905 81.9 -0.87
50.0 0.961 92.3 -0.35
Tabla 2.3. Valores de VSWR y potencia reflejada. FUENTE: [3]
2.10. Parámetros S
Las antenas como muchos otros circuitos electrónicos pueden caracterizarse como
una red de dos puertos, los parámetros S se basan en los niveles de potencia que se
perciben en los terminales de la red de puertos.
Los principales parámetros S:
S11, que mide la cantidad de potencia que es reflejada en comparación con la cantidad de
potencia que se está aplicando al puerto 1. El parámetro S11 es también conocida como
el “coeficiente de reflexión de puerto de entrada, |Γ|”.
S12, que mide la potencia recibida en el puerto 1 en comparación con la enviada por el
puerto 2. También llamado coeficiente de transmisión inversa.
Introducción
44
S21, que mide la potencia recibida en el puerto 2 en comparación con la enviada por el
puerto 1. También llamado coeficiente de transmisión directa.
S22, mide la potencia reflejada en el puerto 2 en comparación con la cantidad de potencia
que se envía del puerto 2. También llamado coeficiente de reflexión del puerto de salida.
Los parámetros S son importantes al medir la adaptación de una antena, durante el
desarrollo de la tesis utilizaremos el parámetro S11 para determinar el coeficiente de
reflexión |S11|.
En la figura 2.7 se visualiza el coeficiente de reflexión |S11|. Donde nos muestra que la
antena tiene un |S11| de -38.4dB@1698MHz.
Figura 2.7. Gráfica de coeficiente de reflexión |S11|.
FUENTE: Elaboración propia
1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
|S11
| (d
B)
Frequency (MHz)
Coeficiente de Reflexión |S11|(dB)
Introducción
45
2.11. Ancho de haz a mitad de la potencia (HPBW)
Es la separación angular en la que la magnitud del diagrama de radiación
disminuye en 50%(-3dB) desde la cima del lóbulo principal. En la figura 2.8. Observamos
el ancho de haz a mitad de la potencia en escala lineal (HPBW) y el ancho de haz en el
primer cero (FNBW).
Figura 2.8. Patrón de radiación 2D en escala lineal de
U(ɵ)=cos2(ɵ)cos2(3ɵ). FUENTE: [2]
2.12. Impedancia
Se define como la relación entre la tensión y corriente en sus terminales, la cual
presenta una parte real Ra(𝜔) y una parte imaginaria Xa(𝜔), ambas dependientes de la
frecuencia [2], está dada por la ecuación 2.10 [2].
𝒁𝒂 = 𝑹𝒂(𝝎) + 𝒋𝑿𝒂(𝝎) (2.10)
Introducción
46
Cuando la impedancia de entrada de la antena coincide con la del sistema de transmisión
(o recepción), se produce máxima transferencia de potencia y la antena radia de forma
efectiva.
2.13. Reflector parabólico
“Las antenas de reflector parabólico proporcionan ganancias y directividades
altas, y son muy usadas en los enlaces de comunicaciones por radio y satélite. Una antena
parabólica consiste en dos partes principales: un reflector parabólico y el elemento
activo, llamado mecanismo de alimentación. En esencia, el mecanismo de alimentación
encierra la antena primaria, que normalmente es un dipolo o una red de dipolos; la
antena irradia ondas electromagnéticas hacia el reflector. El reflector es un dispositivo
pasivo, que tan sólo refleja la energía que le llega del mecanismo de alimentación. La
reflexión produce una emisión muy concentrada y muy direccional, en la que todas las
ondas individuales están enfasados entre sí y, por consiguiente, un frente de onda
enfasado” [6]. En la figura 2.9. Observamos los principales parámetros requeridos en una
superficie parabólica. Donde F es foco. P, es profundidad de la parábola. D, es el diámetro
del reflector.
Figura 2.9. Reflector parabólico y principales parámetros. FUENTE: Elaboración propia
Foco
F
D
P
Introducción
47
Un parámetro muy usado e importante es la relación entre la distancia focal y el diámetro
de la parábola F/D, llamado relación de abertura. Un aspecto a tener en cuenta es que no
es necesario que el plato tenga una superficie maciza para reflejar o recibir señales con
eficiencia, siempre que el ancho de las aberturas sea menor que 0.1 por la longitud de onda
[6]. La utilización de malla como un reflector reduciría considerablemente la masa del
reflector.
La ganancia máxima posible de la antena se puede expresar en términos de área física de
la apertura [2] [3]. Ecuación 2.11 [2].
𝑮𝒎𝒂𝒙 = 𝟒𝝅
𝝀𝟐=
(𝝅𝑫)𝟐
𝝀𝟐 (2.11)
La ganancia real en términos de apertura efectiva que se relaciona con el área física es la
eficiencia. Este término a menudo está en el orden de 0.6 a 0.7. [3]. Ecuación 2.12 [2].
𝑮𝒎𝒂𝒙 = 𝜺𝟒𝝅
𝝀𝟐= 𝜺
(𝝅𝑫)𝟐
𝝀𝟐 (2.12)
En una superficie parabólica se debe considerar distintas eficiencias, ecuación 2.13.
Donde 𝜀 es la eficiencia, y es dado mediante la fórmula siguiente [2] [6]:
𝜺 = 𝜺𝒓𝜺𝑨𝑻𝜺𝒔𝜺𝒐 (2.13)
Donde 𝜀𝑟 es la eficiencia a la radiación, 𝜀𝐴𝑇 es la eficiencia de apertura cónica, 𝜀𝑠 es la
eficiencia por desbordamiento y 𝜀𝑜 se compone de efectos tales como: superficie de error,
polarización cruzada, apertura de boqueo. [2] [6].
2.14. Antena helicoidal
Una antena helicoidal es una antena que es muy usada en aplicaciones en las que
se requieren polarización circular [5]. Básicamente consta de un alambre en forma de una
rosca de tornillo. Figura 2.10.
Introducción
48
Figura 2.10. Antena helicoidal FUENTE: [2]
2.14.1. Parámetros característicos de una antena helicoidal
Los parámetros de una antena helicoidal son definidos en la tabla 2.4.
Diámetro de la hélice D
Circunferencia de la hélice C
Espacio entre espiras S
Angulo de inclinación 𝛼
Número de espiras N
Longitud axial de la hélice NS
Diámetro del conductor d
Longitud de una espira √(𝝅𝑫)𝟐 + 𝑺𝟐
Tabla 2.4. Parámetros característicos de una antena helicoidal. FUENTE: [2]
Esta antena puede operar en 3 diferentes modos [5], detallaremos dos de los principales
modos: modo axial y modo normal.
2.14.2. Modos de antena helicoidal
Por la geometría de la antena, una antena helicoidal puede tener dos modos de
radiación [2]: modo normal y modo axial. Para que una antena helicoidal presente
polarización circular es necesario que presente un modo axial [2].
Introducción
49
2.14.2.1. Modo normal
Ocurre cuando el diámetro de la hélice es relativamente pequeño comparado
con la longitud de onda, este tipo de antenas es muy usado en aplicaciones terrestres en la
que se necesita un patrón de radiación omnidireccional. Figura 2.11.
Figura 2.11. Patrón de radicación de una antena helicoidal en modo normal.
FUENTE: Elaboración propia
2.14.2.2. Modo axial
Se produce cuando la circunferencia de la hélice es del orden de una longitud
de onda, la antena tiene un patrón de radiación directivo que depende de la cantidad de
vueltas de la hélice. Estas antenas tienen especial aplicación donde se quiere obtener altas
ganancias y polarización circular, nosotros nos centraremos en este modo de antenas
helicoidales. Figura 2.12.
Introducción
50
Figura 2.12. Patrón de radiación 3D de una antena helicoidal en modo axial.
FUENTE: Elaboración propia
2.14.3. Procedimiento de diseño de antena helicoidal en modo axial
Este tipo de antena presenta su intensidad máxima de radicación alrededor del eje
de la hélice como es mostrado en la figura 2.12.
Para lograr una polarización circular principalmente en el lóbulo mayor la circunferencia
debe cumplir la siguiente relación [2]. Ecuación 2.14 [2].
𝟑
𝟒𝝀 < 𝑪 < 𝝀
𝟒
𝟑 (2.14)
Con un 𝑪 𝝀⁄ =1, y con un espaciamiento aproximado de: 𝑺 ≅ 𝝀 𝟒⁄ . El ángulo de
inclinación usualmente es: 𝟏𝟐° ≤ 𝜶 ≤ 𝟏𝟒°.
La aproximación de la impedancia de entrada puramente resistiva está dado por la
ecuación 2.15 [2].
𝑹 ≅ 𝟏𝟒𝟎𝑪
𝝀 (2.15)
La impedancia de una antena helicoidal de conductor uniforme presenta valores entre
100ohm y 200ohm, lo cual son valores muy altos, para lo cual existen métodos de
adaptación de impedancias de una antena helicoidal [19] [20].
Introducción
51
El ancho de haz a mitad de la potencia está dado por la ecuación 2.16 [2].
𝑯𝑷𝑩𝑾(𝒅𝒆𝒈𝒓𝒆𝒆𝒔) ≅𝟓𝟐𝝀
𝟑𝟐⁄
𝑪√𝑵𝑺 (2.16)
La Relación Axial está dado por la ecuación 2.17 [2].
𝑨𝑹 =𝟐𝑵+𝟏
𝟐𝑵 (2.17)
Debido a la ganancia requerida (24dB) ésta antena necesitaría gran cantidad de espiras, lo
que la haría impráctico, la antena sería muy ineficiente y tendría muchas pérdidas [21].
Lo que se hizo en este caso fue implementarla en un plato parabólico de foco primario el
cual nos podría brindar la ganancia requerida.
Figura 2.13. Antena parabólica con alimentador helicoidal.
FUENTE: Elaboración propia
El tipo de antena propuesto es una antena parabólica de foco primario con un alimentador
helicoidal en modo back-fire. Figura 2.13. El modo back-fire en antenas helicoidales será
tocado en los apartados siguientes.
Introducción
52
2.15. Antena Patch
Una antena microstrip, es aquella antena que posee una alimentación mediante una
línea microstrip, esta antena es una estructura compuesta por uno o más elementos de
superficie metálica sobre un sustrato dieléctrico y un plano de tierra en la cara opuesta de
dicho dieléctrico [2] [5].
2.15.1. Parámetros característicos de una antena patch
Geometrías: Se pueden diseñar innumerables modelos de antenas, las más conocidas
son mostradas en la figura 2.14.
(a) Patch circular (b) Patch rectangular
Figura 2.14. Geometría típica de antenas patch. FUENTE: Elaboración propia
Las antenas de las figuras 2.14a y 2.14b. Son usadas generalmente cuando se requiere
utilizar polarización lineal.
Métodos de alimentación: La alimentación es sumamente importante al realizar el
diseño de la antena. Existen cuatro principales formas de alimentación: Alimentación
mediante línea microstrip, sonda coaxial, acoplamiento por apertura y acoplamiento por
proximidad [2].
Introducción
53
(a) Alimentación mediante línea microstrip (b) Alimentación mediante sonda
Coaxial
Figura 2.15. Alimentaciones de antenas tipo patch. FUENTE: Elaboración propia
En la figura 2.15a y 2.15b observamos los tipos de alimentación más usados. Para el
desarrollo de esta tesis utilizaremos alimentación mediante sonda coaxial.
2.15.2. Polarización circular en antenas tipo patch
Existen también métodos para obtener polarización circular como el
acoplamiento híbrido en la alimentación, figura 2.16. La polarización circular se da al
excitar las alimentaciones utilizando las alimentaciones ortogonalmente situadas en cuatro
bordes de un parche cuadrado y con una diferencia de fase apropiada. Dicha técnica de
alimentación múltiple puede proporcionar una buena pureza de polarización y un amplio
ancho de banda a expensas del gran tamaño y complejidad de la red de alimentación [5].
Figura 2.16. Antena microstrip mediante alimentación por acoplamiento híbrido.
FUENTE: [5]
Introducción
54
Otros métodos utilizados para lograr la polarización circular son mostrados en la figura
2.17 [5]. Donde se varía la geometría de la patch y la posición de alimentación.
Figura 2.17. Antenas patch con perturbaciones y puntos de alimentación
modificados. FUENTE: Elaboración propia
2.15.3. Procedimiento de diseño de una antena patch rectangular
Una antena del tipo patch rectangular se puede diseñar a partir de la frecuencia
a la cual debe resonar, la permitividad del sustrato con la cual se va a trabajar y la altura
del sustrato. Básicamente en una antena rectangular se siguen las formulas detalladas a
continuación, todas las formulas se basan en [2] y las dimensiones son mostradas en la
imagen 2.18 [2].
Figura 2.18. Vista de planta y frontal de una antena patch rectangular.
FUENTE: [2]
Punto de alimentación Punto de alimentación
Introducción
55
(2.18)
(2.19)
(2.20)
(2.21)
(2.22)
Donde:
fr: frecuencia de resonancia
v0: Velocidad de la luz en el espacio libre
W: Ancho de la patch
L: Largo de la patch
ereff: Constante dieléctrica efectiva
er: Constante dieléctrica del sustrato.
Las presentes fórmulas son para diseñar antenas patch rectangulares. Un método
para lograr polarización circular es que la patch sea cuadrada y presente “cortes” opuestos
en las esquinas, estos cortes generan un desfase de 90 grados y es así como una antena
patch se polariza de forma circular
2.16. Medición de Antenas
Para caracterizar o medir una antena se requiere de equipos específicos que
realicen dicha función. En el desarrollo de la tesis se utilizó un sistema de medición de
Introducción
56
antenas de MVG (Microwave Vision Group) modelo SG-64. Primeramente detallaremos
el funcionamiento básico de una cámara anecoica y luego detallaremos el sistema de
medición SG-64.
2.16.1. Sistema de Medición de Antenas
Un sistema de medición de antenas no sólo está conformado por la
instrumentación que permite llevar a cabo la medición, sino también lo compone el
espacio físico especialmente diseñado para la misma. En conjunto forman lo que se
denomina Campo de Medida (Antena-Range) [30].
2.16.2. Campos de medida
El patrón de radiación de una antena presenta regiones de campo, las regiones
de campo tienen gran importancia debido a que son regiones en las que la antena presenta
valores reactivos y resistivos. Estos son usualmente son divididos en tres regiones [30]:
2.16.2.1. Región reactiva de campo cercano
En esta región los campos electromagnéticos poseen componentes puramente
reactivos por lo que realizar mediciones de antenas en este campo no nos brindará los
resultados reales. Adicionalmente existen técnicas matemáticas que convierten valores de
campo cercano a campo lejano mediante un procedimiento matemático.
2.16.2.2. Región de radiación de Fresnel (región límite entre el campo
cercano y lejano)
Esta región del campo es el límite entre el campo cercano y lejano, en esta
región del campo la radiación es todavía dependiente de r, donde r es el radio de las
distancias de los campos.
2.16.2.3. Región de radiación de campo lejano (zona de Fraunhofer)
En esta región del campo el patrón de radiación es independiente de r, se dice
que los campos reactivos son mínimos y se puede realizar una medición de campos
electromagnéticos de forma correcta.
Introducción
57
En la figura 2.19. Se observa las tres regiones de campo de una antena donde 𝑹𝟏 =
𝟎. 𝟔𝟐√𝑫𝟑
𝝀 y 𝑹𝟐 = 𝟐
𝑫𝟐
𝝀 , estas fórmulas indican claramente que las regiones dependen de
las dimensiones de las antenas y su longitud de onda, sabiendo también que las
dimensiones de la antena son dependientes de su longitud de onda. A mayor longitud de
onda las dimensiones de las antenas se reducen.
Figura 2.19. Regiones de campo de una antena. Fuente: [2]
Figura 2.20. Distancias de las regiones de campo de una antena. Fuente: [2]
Introducción
58
2.16.3. Estructura de un sistema de medición de antenas
El estándar IEEE 149-1979 [1] establece que la instrumentación requerida para
un campo de medida de antenas puede dividirse en cinco subsistemas.
Antena de referencia y sistema transmisor.
Sistema receptor.
Sistema de posicionamiento.
Sistema de almacenamiento de datos.
Sistema de procesamiento de datos.
Figura 2.21: Estructura general de un sistema de medición de antenas definida por el
estándar IEEE 149-1979. Fuente: [30]
En la figura 2.21. Se observa un sistema completo de medición de antenas recomendado
por la IEEE. Se visualiza un sistema posicionador de antena, este sistema permite cambiar
Introducción
59
la posición relativa entre la antena de referencia y la antena de prueba, el cambio de
posición de la antena de prueba permitirá determinar de qué manera la antena concentra
la energía radiada en el espacio que lo rodea. En la figura 2.22 se puede observar
claramente que las variables de control de movimiento de la antena de prueba se pueden
dar en 𝜙, 𝜃. También llamados movimiento en azimuth y elevación. Nótese que el radio
(r) permanece constante. En la figura se observa también que se ha considerado la región
de radiación de campo lejano. La antena de referencia es alimentada por un generador de
señal, esta antena es una antena particular la cual se conoce el patrón de radiación
(usualmente se usa una antena dipolo). Es así como se realizan cálculos de mediciones de
campo de la antena de prueba [30].
Figura 2.22: Ángulos de medición de una estructura general de un sistema de medición
de antenas. Fuente: [30]
Otro aspecto importante a considerar es el campo de medida de una antena. Existen dos
configuraciones básicas de medición de campo:
Campo de espacio libre: en este caso se minimizan los efectos reflectivos
causados por los alrededores. En este caso se evita que los rayos reflejados incidan
en la zona de medida [30].
Introducción
60
Campos de reflexión: en este caso se producen reflexiones debido a que el
entorno contiene superficies reflectoras. Es en este campo donde las cámaras
anecoicas son analizadas [30].
2.16.4. Cámara anecoica
Las cámaras anecoicas son un recinto que absorbe la energía electromagnética
que incide sobre sus paredes y consta de dos partes fundamentales: La Jaula de Faraday y
los materiales absorbentes de ondas electromagnéticas. La Jaula de Faraday es una
estructura que apantalla los campos incidentes exteriores, posibilitando que los materiales
absorbentes se encarguen de absorber la energía que rebota en las paredes de la cámara
para poder realizar la medida con mayor precisión, generando así las características de
propagación del espacio libre [30]. Una ventaja de utilizar cámaras anecoicas es que las
mediciones de las antenas pueden llevarse a cabo en condiciones específicas controladas
[30].
Las cámaras pueden ser anecoicas, semianecoicas y parcialmente cubiertas. En las
cámaras anecoicas se necesita que no exista ningún tipo de reflejo en la zona de silencio
(región que generalmente es 1/3 del ancho de la cámara y es donde se ubica el dispositivo
a medir) [30]. En las semianecoicas se desea simular un espacio abierto sobre un plano de
tierra metálico. En las cámaras parcialmente cubiertas el absorbente se usa para reducir
las resonancias de la cámara. Esta última categoría no es puramente una cámara anecoica,
pero son puramente utilizadas por estándares militares y de aeronáutica para medir la
compatibilidad electromagnética de aparatos electrónicos [30].
2.16.4.1. Componentes de una cámara anecoica
Las paredes internas se encuentran revestidas con paredes absorbentes cuya
forma y tamaño dependen del propósito de la cámara y de la frecuencia de operación. En
el campo de las microondas se utilizan absorbentes de forma piramidal compuestos por
un compuesto generalmente poliuretano que absorben los campos electromagnéticos.
Introducción
61
2.16.4.2. Material Absorbente
Cuya función principal es absorber energía electromagnética y transformarla a
otro tipo de energía, principalmente se transforma en calor. Estas espumas de poliuretano
son de forma piramidal para lograr obtener una transición suave entre el aire y el
poliuretano dopado. Este material es usado principalmente a frecuencias de microondas.
En la figura 2.23 se muestra las espumas de poliuretano utilizadas en cámaras anecoicas.
Figura 2.23. Espumas de poliuretano. Fuente: [30]
2.16.4.3. Cámara anecoica MVG SG-64
Este sistema de medición de antenas es fabricado por MVG (Microwave Vision
Group), que brinda soluciones de medición de antenas de mediano tamaño, el fabricante
especifica que se pueden medir antenas de hasta 2.73m. Y las bandas de frecuencia son
de 400MHz hasta 6GHz [31].
Introducción
62
Capacidades de medición: Ganancia, directividad, ancho de haz, discriminación por
polarización cruzada, niveles de lóbulos laterales, 1D, 2D, 3D modelos de radiación,
patrón de radiación en cualquier polarización (lineal o circular), eficiencia de la antena
[31].
Figura 2.24. Esquema del sistema completo de medición en cámara anecoica
SG-64. Fuente: [31]
En la figura 2.24, se observa el diagrama de componentes del sistema de medición.
Donde los componentes numerados son [31]:
1. Arco de medición donde se ubican los sensores de medición de campo.
2. Mástil, que realiza la función de giro del dispositivo de prueba.
Introducción
63
3. Goniómetro, que es usado para calibrar el sistema, generalmente este dispositivo
es dependiente la antena de prueba (tamaño, altura, etc.).
4. Antena, que es el dispositivo a medir.
5. Paneles absorbentes, estos absorbentes son especificados a la frecuencia de
funcionamiento del sistema. Recuérdese que el sistema de medición realiza
mediciones desde los 400MHz, a frecuencias inferiores a estas los paneles
absorbentes tendrían que ser de mayor tamaño.
Los componentes detallados a la izquierda de la figura son externos a la cámara interna,
estos equipos permiten el funcionamiento, procesado y la obtención de la data.
2.16.4.4. Funcionamiento del sistema de medición
Como se mencionó en la parte de sistemas de medición de antenas,
anteriormente se tenía que realizar mediciones considerando grandes distancias de
separación, además se tenía que utilizar antenas de prueba y antenas de referencia. Esto
es integrado en este sistema donde los sensores detallados en 1, realizan las mediciones
de campo cercano de la antena. Estos sensores poseen la particularidad de poseer doble
polarización y generar una polarización cruzada figura 2.25.
Figura 2.25. Sensores de medición de campo en una cámara anecoica. Fuente: [31]
Introducción
64
Estas mediciones se hacen a campo cercano, y como se mencionó en párrafos anteriores:
realizar mediciones a campo cercano de una antena involucra realizar mediciones de
campos reactivos. Este sistema automático realiza transformadas matemáticas mediante
software del campo cercano a campo lejano, y es así como realiza mediciones correctas
en dimensiones reducidas y cerradas.
El mástil realiza giros en azimuth de la antena, además posee un giro de posición lateral
para posicionamiento de la antena. Luego de poner la antena sobre el mástil se debe
considerar el diámetro de la antena, esto es debido a que el fabricante utiliza
aproximaciones según las dimensiones de la antena para realizar las conversiones de
campo cercano a campo lejano. Seguidamente se establecen los parámetros de medición
mediante el software del fabricante. Un aspecto importante a considerar es que se deben
poner los datos recomendados por el fabricante para una correcta medición. Luego de
realizar la medición se obtiene la data de medición de la antena.
Figura 2.26. Cámara anecoica SG-64. Fuente: [31]
Introducción
65
2.17. Requerimientos de diseño
2.17.1. Ganancia
Para determinar la ganancia que deberá tener la antena se parte del cálculo de
costo del enlace Satélite-terrestre, el cual da como resultado que la ganancia debe ser de
al menos 23dB. La NASA recomienda que se utilicen al menos 24dB [8]. Debido a la alta
ganancia requerida se ha optado por dar la solución de utilización de un plato reflector.
2.17.2. Frecuencia de resonancia
La señal emitida del satélite es emitida en la banda L (1-2GHz), en 1.7 GHz [8].
Actualmente los Satélites Meteorológicos Norteamericanos de órbita polar, NOAA 15,
NOAA 18 y NOAA 19, emiten en 1702.5 MHz, 1707MHz y 1698MHz respectivamente.
2.17.3. Polarización requerida
Se requiere antenas de polarización circular derecha (RHCP) [8].
2.17.4. Ancho de banda
El ancho de banda requerido para que la señal sea recibida íntegramente tiene
que ser mayor a 4MHz [8].
2.17.5. Impedancia
Se requiere que la antena tiene que tener una impedancia de 50 ohm [8], esta
impedancia tiene que estar adaptada con el sistema de recepción en conjunto
(decodificador, amplificador de bajo ruido, cables y conectores). Cabe recalcar un aspecto
sobre el decodificador. Actualmente se está trabajando con receptores SDR (Software
Radio Defined) para recibir este tipo de información. Estos receptores poseen 75 ohm de
impedancia, debido a que algunos están destinados para la recepción de televisión.
2.17.6. Resumen de requerimientos
Adicionalmente se muestra un cuadro resumen de los principales requerimientos
para el diseño de la antena, tabla 2.5. Obtenidos de [8].
Introducción
66
GANANCIA 24dB
ANCHO DE BANDA > 20MHz
POLARIZACIÓN RHCP
IMPEDANCIA 50 ohm
FRECUENCIA DE
OPERACIÓN
1690-1710MHz
SEGUIMIENTO Sistema de seguimiento mediante rotor
(este requerimiento no será estudiado
en esta tesis)
Tabla 2.5. Principales requerimientos de la antena para el formato HRPT. FUENTE:
Elaboración propia
2.18. Procedimiento general de diseño de antenas
Un correcto diseño de antenas presenta partes secuenciales que deben ser
cumplidos para obtener un correcto diseño.
Primeramente se realiza un análisis matemático de la antena, este análisis nos ayudara a
obtener medidas aproximadas de las antenas. Segundo, se realiza la simulación en
software especializado en antenas, un análisis en software nos permite obtener los
distintos comportamientos que va a tener la antena antes de realizar la construcción.
Tercero, se realiza la construcción de la antena teniendo en cuenta las dimensiones
obtenidas. Cuarto, se procede a caracterizar la antena con equipos especializados en
medición de antenas. En nuestro caso utilizaremos un Analizador de Redes Vectoriales y
Cámara anecoica. Esto último valida los parámetros eléctricos que tiene la antena
diseñada.
2.19. Diseños actuales de antenas de recepción satelital
Para la recepción de información satelital meteorológica se han implementado
diversos diseños de antenas a estaciones terrenas de satélites meteorológicos de la serie
de los POES(Polar Operational Environmental Satellites), es así como se muestra en [10]
donde se construyó un modelo de antena double cross para la recepción de imágenes
satelitales en formato APT (Automatic Picture Transmission), el cual dentro de sus
conclusiones muestra que la antena tiene mayor facilidad de construcción frente a una
Introducción
67
cuadrifilar helicoidal, presenta también mayor ganancia para ángulos bajos del satélite con
respecto al horizonte, lo que se traduce en una mayor observación de la tierra llegando a
obtener mejor recepción.
También se han desarrollado la ya mencionada antena cuadrifilar helicoidal para
recepción de imágenes de satélites meteorológicos de órbita polar, también el formato
APT [11], en el que se menciona buenos comportamientos en la recepción. Se han
construido también antenas receptoras en el formato HRPT para la banda de 1700 MHz
[12], donde se nos presenta una antena helicoidal que recibe imágenes de satélites
meteorológicos y presenta facilidad en la construcción y un buen comportamiento en la
recepción por sus parámetros característicos. Por otro lado existen array de antenas de
banda ancha que permite recibir y transmitir señales al mismo tiempo, esta tecnología es
conocida como STAR, la cual utiliza antenas de tipo horn, y un monocono sobrepuesto en
las antenas horn.
El array de antenas horn es utilizado en la recepción mientras que el monocono es utilizado
para la transmisión, cumpliendo así la transmisión simultánea, como es detallado en [13],
y que claramente es aplicable para el diseño de antenas en estaciones terrenas de uso
meteorológico. Por otra parte, existe otro tipo de antenas conocidas como reflectarray
alimentado con bocinas horn, ésta técnica es diseñada uniendo sustratos y circuitos
impresos y luego alimentarlas con bocinas horn, estas antenas combinan las características
principales de los arreglos planos y los platos parabólicos. Por ejemplo, este tipo de
antenas puede producir un haz de 30 dBi de ganancia a 20 GHz en polarización H y un
haz de 33 dBi en polarización vertical, mientras que, las bocinas piramidales pueden
producir 15 dB de ganancia, como el articulo presentado en [14], y que claramente son
antenas implementables en estaciones terrenas de satélites de órbita baja (LEO),
añadiendo un sistema de seguimiento y apuntamiento al satélite.
De la misma manera podríamos detallar las ventajas de antenas del tipo reflectarray: tienen
peso y volumen reducidos, bajo nivel de pérdidas, robustez mecánica, facilidad de
fabricación, integración y compatibilidad con dispositivos activos. Las desventajas que
presentan son que tienen reducido ancho de banda, control de fase, el volumen y
limitaciones de potencia [15], pero que son suficientes a los propósitos de este proyecto.
Introducción
68
Ésta puede ser una alternativa tecnológica de construcción de una antena de alta ganancia
y bajo coste.
Otro tipo de arrays de antenas de bajo perfil para sistemas de recepción satelitales, y para
sistemas móviles satelitales, utiliza la tecnología microstrip, es posible simular la
recepción de múltiples transpondedores, la antena posee una ganancia promedio de 30dBi,
para polarización vertical y horizontal.
Otro tipo de antena de navegación receptora satelital, es la multiantena compactas de doble
banda con polarización dual que es robusta y precisa ante la propagación de múltiples
caminos e interferencias entre bandas. Junto con el requisito de compacticidad la
eficiencia de radiación del array es limitada por un fuerte acoplamiento mutuo entre los
elementos. Para atenuar este acoplamiento es posible utilizar técnicas de desacople y redes
de alimentación y de este modo se realza la eficiencia de radiación del array [16].
Como se entenderá existe una diversidad de antenas que según requisitos cumplidos
pueden ser implementadas para nuestros propósitos, nosotros nos enfocaremos en el
diseño de una antena parabólica de foco primario con un alimentador helicoidal del tipo
back-fire [17] que presenta una característica muy particular y que se ha propuesto
implementar en un reflector parabólico como se verá en capítulos siguientes. Otro tipo de
antena en este proyecto es una antena del tipo parche circular con perturbaciones [18], la
particularidad de esta antena es la utilización de un reflector muy próximo que general
una alta pureza de polarización.
Ingeniería del Proyecto
69
3. CAPÍTULO 3
INGENIERÍA DEL PROYECTO
En este capítulo se realizará toda la parte experimental para el diseño de antenas.
Se analizarán los resultados matemáticos de las ecuaciones matemáticas dadas en el marco
teórico, basándonos estos resultados y un diseño CAD de la antena, se procederá a simular
la antena para detallaremos los diversos comportamientos que presentan las antenas. Al
obtener las dimensiones necesarias para cumplir con los requerimientos se procederá a la
construcción y posterior caracterización o medición. Adicionalmente, realizaremos
comparación de parámetros físicos y eléctricos de las antenas. Finalmente se especificará
las características técnicas de la antena.
3.1. Análisis matemático de la antena helicoidal
Luego de conocer la formulación en el diseño de antenas helicoidales se procede a
diseñar y obtener los cálculos de la antena en un modo axial y con una frecuencia de
resonancia de 1.7GHz. En la tabla 3.1. Se detallan los resultados obtenidos para una antena
helicoidal en modo axial en 1.7GHz. Estos valores nos permitirán aproximar las
dimensiones que deberá tener nuestro alimentador del reflector parabólico.
Los datos obtenidos son optimizados para una antena helicoidal de ganancia media. En
apartados siguientes se analizará el valor óptimo de la helicoidal sumada a un reflector
parabólico.
Ingeniería del Proyecto
70
Parámetro Fórmula Resultado
Longitud de onda 𝜆 = 0.1764𝑚
Espacio entre espiras
Radio del plato reflector
Diámetro de las espiras
Circunferencia de la hélice
Longitud de cada espira 𝐿 = √𝑆2 + 𝐶2 L = 0.18m
Tabla 3.1. Resultado matemático de antena helicoidal axial directiva.
FUENTE: Elaboración propia
3.2. Calculo de ganancia requerida de la antena
Parámetros del enlace [6]:
Potencia Isotrópica Radiada equivalente (PIRE) [27][28]= 40,13 𝑑𝐵𝑚
Potencia de Transmisión del satélite [27][28]= 6,35 𝑊 ≈ 38,03 𝑑𝐵𝑚
Polarización de la antena del satélite = 𝑅𝐻𝐶𝑃
Piso de ruido[27][28] = −110 𝑑𝐵𝑚
Cálculos del enlace
Perdidas del enlace por Espacio Libre [6]:
𝐿𝑏𝑓 (𝑑𝐵) = 20 log10 (𝑑) + 20 log10 (𝑓) + 32,44
Dónde:
𝑑 = 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝑘𝑚), 𝑓 = 𝐹𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝑀𝐻𝑧)
Entonces las pérdidas por espacio libre serán:
𝐿𝑏𝑓 (𝑑𝐵) = 20 log10(2.000) + 20 log10(1.700) + 32,44
𝐿𝑏𝑓 (𝑑𝐵) = 163,06 𝑑𝐵
Las pérdidas de enlace en el vacío serán de 163,06 dB
Ingeniería del Proyecto
71
Relación Señal/Ruido [6]
𝑆𝑁𝑅 = 𝑃𝐼𝑅𝐸 + 𝐿𝑏𝑓
𝑆𝑁𝑅 = 40,13 𝑑𝐵𝑚 − 163,06 𝑑𝐵
𝑆𝑁𝑅 = −122,93 𝑑𝐵
Nivel de señal decodificable [6]
𝑆𝑁𝑅 − 𝑃𝑖𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑅𝑢𝑖𝑑𝑜 = −122,93 𝑑𝐵 + 110 𝑑𝐵𝑚
𝑆𝑁𝑅 − 𝑃𝑖𝑠𝑜 𝑑𝑒 𝑅𝑢𝑖𝑑𝑜 = −12,93 𝑑𝐵
Para que una señal sea codificable se requiere que el nivel de la señal sea por lo menos de 10 dB,
entonces:
−12,93 𝑑𝐵 − 10 𝑑𝐵 = −22,93 𝑑𝐵
Por lo tanto: la antena tiene que tener una ganancia aproximada mayor a 23dB.
3.3. Simulación
Para la simulación se la antena parabólica con alimentador helicoidal del tipo back-
fire se ha utilizado ANSYS HFSS con HFSS-IE, IE (Integral Equation) es utilizado para
simular antenas utilizando técnicas de integración de superficies, por el método de
momentos. Para la simulación del alimentador helicoidal no es necesario utilizar HFSS-
IE, pero al colocarlo en una superficie parabólica es necesario utilizar esta técnica de
simulación.
Es interesante notar la interacción electromagnética de campos de una antena helicoidal y
una antena helicoidal sumada con un reflector parabólico, interacción que se analizó
durante el desarrollo de la tesis.
En un inicio de buscó el desarrollo de una helicoidal que cumpla con la ganancia
requerida, el cual es de 24dB. Esta propuesta se declaró impráctico debido a la gran
cantidad de espiras que debería tener la antena (alrededor de 90), que como se detalla en
[21], que debido a una mayor cantidad de espiras, la eficiencia de la antena disminuye
sustancialmente.
Ingeniería del Proyecto
72
Seguidamente se realizó la simulación de un alimentador helicoidal con 10dB de ganancia.
El cual presenta un patrón de radiación directivo, pero que al implementarlo en un reflector
parabólico la ganancia no es la óptima, como se verá más adelante.
También se analizó el efecto causado en ganancia de un alimentador helicoidal alimentado
en dirección normal saliente al foco de la parábola, Figura 3.12, y normal entrante al foco
de la parábola, Figura 3.15.
Resultados interesantes se muestran al reducir el diámetro del tamaño de la tierra hasta el
modo de radiación back-fire [17], el patrón de radiación se reduce en la dirección saliente
e incrementa en sentido opuesto a la dirección. Este efecto fue aprovechado al insertarlo
en un reflector parabólico, donde los resultados mostraron un incremento en la ganancia.
Finalmente se utilizó las herramientas Parametric y Optimetrics en el simulador(ANSYS
HFSS) el cual nos mostró otros detalles importantes como el efecto causado en la
variación del tamaño de la tierra, la posición, el diámetro, el número de espiras, y demás
aspectos físicos de diseño.
3.3.1. Simulación alimentador helicoidal axial directivo
Como se comentó líneas atrás, en un inicio se propuso este modelo de antena
que presenta un comportamiento directivo cuando no está acoplado a un plato reflector.
La geometría de esta antena es mostrada en la Figura 3.1.
Figura 3.1. Diseño de antena helicoidal en modo axial directiva a 1.7GHz.
FUENTE: Elaboración propia
Ingeniería del Proyecto
73
Se detallarán los parámetros más importantes obtenidos en simulación como:
Coeficiente de reflexión (dB). Figura 3.2.
VSWR (Relación de Onda Estacionaria). Figura 3.3.
Ganancia (dB) total. Figura 3.4 (a).
Ganancia en polarización circular. Figura 3.4 (b).
Relación axial figura 3.5.
Impedancia real e imaginaria figura 3.6.
Estos resultados son obtenidos de las dimensiones detalladas en la tabla 3.2. Donde las
medidas obtenidas responden a una antena helicoidal en modo axial de alta ganancia.
Diámetro de la hélice D=5.617cm
Circunferencia de la hélice C=17.643cm
Espacio entre espiras S=3.09cm
Número de espiras N=5.5
Diámetro del conductor Dconductor=0.25cm
Diámetro de la tierra dtierra=18cm
Tabla 3.2. Dimensiones físicas de antena helicoidal axial directiva. FUENTE:
Elaboración propia
En la figura 3.2. Observamos que el coeficiente de reflexión de la antena helicoidal
directiva en modo axial presenta buen comportamiento ([email protected]), lo que sugiere
una potencia reflejada menor al 4%.
Ingeniería del Proyecto
74
Figura 3.2. Coeficiente de reflexión simulado [email protected] de la antena Helicoidal
directiva. FUENTE: Elaboración propia
El valor obtenido de la VSWR (1.43) nos sugiere bajas perdidas por reflexión. Figura 3.3.
Figura 3.3. VSWR [email protected] de la antena helicoidal directiva. FUENTE:
Elaboración propia
Coeficiente de Reflexión
(dB)
Ingeniería del Proyecto
75
(a) (b)
Figura 3.4. (a) Ganancia total (10.4dB); (b) Ganancia en RHCP (10dB). FUENTE:
Elaboración propia
La ganancia obtenida (10dB) con relación a la cantidad de espiras de la antena
(N=5.5), nos muestra una alta ganancia. Figura 3.4. En el caso de la ganancia en
polarización circular derecha obtenido (10dB), podríamos mencionar que mientras el
valor en ganancia de polarización circular se acerca a la ganancia total, la antena
presentará mayor polarización circular.
Una manera de determinar si la antena presenta una polarización circular es mediante la
Relación Axial, aspecto mencionado en 2.5.4. En la figura 3.5. Se muestra la gráfica de
Relación Axial en theta=0: la relación axial obtenida es de 5.6dB, lo cual nos sugiere que
la antena presenta polarización elíptica, más no circular. La polarización circular en una
antena se da en un valor de Relación Axial menor a 3dB, en valores mayores y
aproximados a 3dB, la polarización torna a ser elíptica.
Ingeniería del Proyecto
76
Figura 3.5. Relación Axial (dB) antena helicoidal, 1.7GHz, Theta 0 deg. FUENTE:
Elaboración propia
La impedancia ideal de una antena generalmente es en 50ohm o 75ohm, en la parte
real y que no presente parte imaginaria. En el caso de la antena en cuestión, y según
nuestros requerimientos (50ohm) la impedancia obtenida es Z=68.3-11.29i (Figura 3.6),
lo cual nos sugiere que tenemos que utilizar técnicas de adaptación de impedancias [19]
[20]. Técnicas que se verán en apartados siguientes.
Figura 3.6. Impedancia (ohm) real e imaginaria de la antena helicoidal. FUENTE:
Elaboración propia
Ingeniería del Proyecto
77
3.3.2. Simulación alimentador helicoidal back-fire
En este apartado se analizó una antena helicoidal del tipo back-fire. Figura 3.7.
Las dimensiones físicas obtenidas del alimentador son mostradas en la tabla 3.3. Este tipo
de antenas se mostraron en [17], donde su principal característica es que al reducir las
dimensiones de la tierra de la antena, el patrón de radiación presenta un incremento de
ganancia en sentido contrario. Y lo que sugirió simularlo con un reflector parabólico, el
cual se verá en apartados siguientes.
Diámetro de la hélice D=7.9cm
Circunferencia de la hélice C=24.9cm
Espacio entre espiras S=5.54cm
Número de espiras N=2.5
Diámetro del conductor Dconductor=0.25cm
Diámetro de la tierra dtierra=6cm
Tabla 3.3. Dimensiones físicas de alimentador helicoidal back-fire. FUENTE:
Elaboración propia
Figura 3.7. Diseño alimentador helicoidal Back-fire en 1.7GHz. FUENTE: Elaboración
propia
Ingeniería del Proyecto
78
Primeramente analizaremos el coeficiente de reflexión S11, Los valores obtenidos son
mostrados es la figura 3.8. Estos valores son obtenidos de parametrizar el número de
vueltas de la hélice (2.5, 2.7, .2.9, 3.1, 3.5), la intención es hacer notar el comportamiento
de la antena en distintos valores de vueltas en la hélice.
Notamos claramente que al variar el número de vueltas de la hélice el coeficiente de
reflexión presenta variación.
Figura 3.8. Coeficiente de Reflexión antena helicoidal en 1.7GHz, con 2.5, 2.7,
.2.9, 3.1, 3.5 vueltas. FUENTE: Elaboración propia
El patrón de radiación 3D de la antena se presenta en la figura 3.9. En la figura se
nota claramente que se han generado zonas de radiación opuesta y laterales.
1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
Ref
lect
ion
Coe
ffic
ient
|S 11
| (d
B)
Frequency (GHz)
2.5 Turns
2.7 Turns
2.9 Turns
3.1 Turns
3.5 Turns
1.71GHz 1.85GHz
Ingeniería del Proyecto
79
Figura 3.9. Patrón de radiación 3D de alimentador helicoidal a 1.7GHz.
FUENTE: Elaboración propia
Es interesante notar que la ganancia obtenida presenta dos lóbulos característicos
(delante y detrás), debido a este comportamiento del patrón de radiación es que es llamado
back-fire, este comportamiento es dado por la dimensión reducida del plano de tierra de
la antena.
Como se mencionó en apartados anteriores una antena helicoidal presenta una impedancia
muy alta, para lo cual se tiene que realizar técnicas de adaptación de impedancias, en
nuestro caso agregamos una placa de metal de 30mm, 10mm, 1mm (largo x ancho x
altura), en la figura 3.7 se muestra la placa agregada al conductor, esta técnica de
adaptación fue propuesta en [20]. En la figura 3.10. Notamos la impedancia obtenida
Z=51+1.5j.
La AR es mostrada en la figura 3.11. Donde observamos que la antena presenta
polarización circular en aproximadamente theta= -20deg a 10deg. Este resultado si bien
es aceptable, al momento de realizar la construcción y posterior caracterización puede
tender a deteriorarse.
Ingeniería del Proyecto
80
Figura 3.10. Impedancia (ohm) real e imaginaria de la antena helicoidal back-fire.
FUENTE: Elaboración propia
Figura 3.11. Relación Axial a 1.7GHz antena helicoidal back-fire. FUENTE:
Elaboración propia
1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4-40
-20
0
20
40
60
80
100
120
Impe
danc
e (O
hm)
Frequency (GHz)
Real
Imaginary
Z=51+1.5j
-100 -50 0 50 1000
10
20
30
40
50
Axi
al R
atio
(dB
)
Theta (deg)
AR Freq=1.7GHz Phi=0deg
2.3dB@Theta(0deg)
Ingeniería del Proyecto
81
3.3.3. Simulación parabólica con alimentador helicoidal saliente
En este apartado se analizó la ganancia obtenida en una antena parabólica con
alimentador helicoidal saliente. Y presenta las mismas dimensiones mostradas en la tabla
3.3. La figura es mostrada en la figura 3.12. En este apartado analizaremos como es el
comportamiento de la ganancia y la AR.
Figura 3.12. Diseño antena parabólica con alimentador helicoidal saliente. Parábola
1.2m diámetro. FUENTE: Elaboración propia
Debemos tener en cuenta que el patrón de radiación del alimentador helicoidal es
directivo debido a la cantidad de espiras y el tamaño del diámetro de su tierra. Al agregarle
el reflector parabólico, la ganancia si bien se incrementa no presenta un gran incremento
con respecto a otros resultados.
En la figura 3.13. Se muestra la ganancia total 3D obtenida, es claro mencionar que la
ganancia se reduce considerablemente, por lo tanto podríamos mencionar que una
posición saliente del alimentador helicoidal no es muy favorable.
Ingeniería del Proyecto
82
Figura 3.13. Ganancia total de la antena parabólica con alimentador helicoidal saliente
1.7GHz. FUENTE: Elaboración propia
En la figura 3.14. Observamos la AR obtenida, lo cual observamos una degradación
notable de la AR
Figura 3.14. Relación Axial a 1.7GHz reflector parabólico con alimentador
helicoidal saliente. FUENTE: Elaboración propia
-100 -50 0 50 100
0
10
20
30
40
50
1.1dB@theta(13.3deg)
Axia
l R
atio
(dB
)
Theta (deg)
AR Freq=1.7GHz Phi=0deg
0.7dB@theta(-15.6deg)
Ingeniería del Proyecto
83
3.3.4. Simulación parabólica con alimentador helicoidal invertido
Un método para incrementar la ganancia a las antenas es agregarle una superficie
reflectora (plato parabólico) que ayude a concentrar las ondas electromagnéticas debido a
su superficie cóncava. En este apartado analizaremos la ganancia de la antena helicoidal
en un plato reflector de 1.2m cuando el alimentador helicoidal está invertido. Figura 3.15.
El presente se diseñó con 2.5 vueltas y dimensiones variadas, debido a que se parametrizó
y se logró la mayor ganancia con estas medidas. Otro fenómeno que se tiene que tomar en
cuenta es la degradación de la polarización debido al plato reflector. La reflexión perfecta
solo es alcanzable en un plano ideal, infinito y conductor [2]. Dado que la superficie del
plato tiene curvatura parabólica y tamaño finito, la Relación Axial se degrada, esta
degradación se le conoce como: CROSS POLARIZATION LOSSES (pérdidas por
polarización cruzada) [2] [22]. Este fenómeno es dado en todos los casos en los que se
agrega un reflector parabólico.
Figura 3.15. Diseño reflector parabólico 1.2m con alimentador helicoidal invertido.
FUENTE: Elaboración propia
Se detallarán los parámetros más importantes obtenidos en simulación como:
Ganancia (dB) total, patrón de radiación polar. Figura 3.16 y 3.17.
Relación Axial figura 3.18.
Ingeniería del Proyecto
84
Las dimensiones físicas de la antena parabólica con el alimentador se presentan en la tabla
3.4.
Diámetro de la hélice D=7.9cm
Circunferencia de la hélice C=24.9cm
Espacio entre espiras S=5.54cm
Número de espiras N=2.5
Diámetro del conductor Dconductor=0.25cm
Diámetro de la tierra dtierra=12.8cm
Diámetro de la parábola Dplato=120cm
Distancia focal F=45cm
Profundidad del paraboloide P=20cm
Tabla 3.4. Dimensiones físicas de la antena parabólica con alimentador helicoidal.
FUENTE: Elaboración propia
En la figura 3.16. Observamos el patrón de radiación obtenido de la antena parabólica, el
cual presenta 20dB de ganancia en 1.7GHz, Phi=0deg. Si bien la ganancia es alta, debemos
recordar que necesitamos 24dB. Una solución sería incrementar el diámetro del plato
parabólico, que si bien es cierto es la mejor manera, debemos recordar que la presente
antena va a ser implementado en un rotor con un sistema de rastreo hacia el satélite. Para
lo cual un incremento considerado de la masa que cargue el rotor sería un inconveniente
para su funcionamiento.
En apartados siguientes analizaremos la variación de la ganancia con diferentes
alimentadores (helicoidal en modo Back-Fire y Patch). Algo importante a tener en cuenta:
En una antena mientras más directiva sea, los lóbulos laterales disminuirán. Altas
directividades implican un menor HPBW (Ancho de Haz a Mitad de la Potencia).
En la figura 3.17. Observamos también el patrón de radiación en un plano rectangular
donde el patrón decrece en 3dB (la mitad de la potencia) en -6.6 grados y 8.14 grados, por
lo tanto el HPBW es 8.14-(-6.6)=14.7 grados.
Ingeniería del Proyecto
85
Figura 3.16. Patrón de radiación polar de la antena parabólica con alimentador helicoidal
invertido en una frecuencia de 1.7GHz, Phi=0deg. FUENTE: Elaboración propia
Figura 3.17. Ancho de haz a mitad de la potencia (HPBW) a 1.7Ghz. FUENTE:
Elaboración propia
-30
-20
-10
0
10
200
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
-30
-20
-10
0
10
20
Simulated Gain (Phi=0deg)dB
-150 -100 -50 0 50 100 150-30
-20
-10
0
10
20
Gan
anci
a (d
B)
Theta (deg)
Simulated Gain (Phi=0deg)
19.7dB
-6.6 8.13
Ingeniería del Proyecto
86
En la figura 3.18. Obtenemos 9.8dB de relación axial, valor que hace referencia a una
polarización elíptica. El valor obtenido inicialmente de AR (5.6dB), se incrementa al
agregarle el reflector parabólico (9.8dB), fenómeno que genera una degradación de la AR
conocida como perdidas por polarización cruzada [2] [22].
Figura 3.18. Relación Axial a 1.7GHz helicoidal invertido con reflector parabólico.
FUENTE: Elaboración propia
3.3.5. Simulación parabólica con alimentador helicoidal back-fire
La antena es mostrada en la figura 3.19. El diámetro del reflector parabólico es
de 165cm.
Figura 3.19. Antena parabólica de foco primario con un alimentador helicoidal del tipo
back-fire. FUENTE: Elaboración propia
-100 -50 0 50 100
0
10
20
30
40
50
A
xial
Rat
io (
dB)
Theta (deg)
AR Freq=1.7GHz Phi=0deg
9.8dB@theta(0deg)
Ingeniería del Proyecto
87
La ganancia obtenida es de 24.3dB como se muestra en la figura 3.20. Esta ganancia es
superior a los mostrados en casos anteriores. En este caso recurrimos a un reflector de
1.65m debido a que la disponibilidad en el mercado de este tipo de reflectores es escasa,
este tipo de reflectores es vendido para recepción satelital en la banda C.
Figura 3.20 Ganancia total de la antena parabólica con alimentador helicoidal back-fire.
FUENTE: Elaboración propia
La relación axial es mostrada en la figura 3.21.
Figura 3.21. Relación Axial a 1.7GHz antena helicoidal back-fire con reflector
parabólico. FUENTE: Elaboración propia
-100 -50 0 50 1000
10
20
30
40
50
Axi
al R
atio
(dB
)
Theta (deg)
AR Freq=1.7GHz Phi=0deg
4.5dB@theta(0deg)
Ingeniería del Proyecto
88
Como se mencionó, la AR sufre una degradación debido al reflector parabólico, en la
figura 3.22. Observamos la comparativa de la AR con y sin reflector.
Figura 3.22. Relación Axial a 1.7GHz antena helicoidal back-fire con y sin reflector
parabólico. FUENTE: Elaboración propia
3.4. Construcción
Para la construcción de la antena se ha adquirido un reflector parabólico de foco
primario, con las dimensiones físicas mostradas en la tabla 3.5. Debido al considerable
diámetro de un reflector parabólico de 1.65m se optó por construirlo con el reflector de
1.2m. Cabe señalar que esto se ha realizado para fines de caracterización, entiéndase que
los resultados en simulación no cumplieron con la ganancia requerida con este diámetro
de reflector.
Reflector Parabólico
Diámetro D=120cm
Profundidad P=20cm
Longitud Focal F=45cm
Tabla 3.5. Dimensiones físicas del reflector parabólico metálico. FUENTE: Elaboración
propia
-100 -50 0 50 1000
10
20
30
40
50
Axi
al R
atio
(dB
)
Theta(deg)
AR Freq 1.7GHz Phi 0deg with reflector
AR Freq 1.7GHz Phi 0deg only feeder
4.5dB@Theta(0deg)
2.3dB@Theta(0deg)
Ingeniería del Proyecto
89
En la figura 3.23. Observamos la imagen del reflector. La particularidad de este reflector
es su baja masa debido a que está hecho de fibra de vidrio de alta resistencia.
Figura 3.23. Plato parabólico 120cm diámetro. FUENTE: Elaboración propia
Comercialmente se puede adquirir reflectores parabólicos, se recomienda que sean
mayores a 1.65m con relación F/D aproximada de 0.4 si va a ser usado con este tipo de
alimentador. En la tabla 3.6 se detalla los materiales básicos a utilizar:
Alambre de cobre Longitud: 70cm
Diámetro: 3mm
Soporte: basado en acrílico
Placa Aluminio Espesor: 2mm
Dimensiones: 7cmx7cm
Conector Tipo N hembra para Placa 1 conector
Material: Amphenol
Materiales de construcción y montaje 4 pernos de 1 cm de longitud, 2.5 mm de
grosor.
Pegamento: Pegar superficies de PVC y
Acrílico
Pasta de soldar.
Equipos: Vernier, Pistola de soldar, Torno,
Alicate de corte, Maquina roladora.
Soporte para plato reflector Geometría y dimensiones: variable
Tabla 3.6. Materiales de construcción de antena helicoidal back-fire. FUENTE:
Elaboración propia
Ingeniería del Proyecto
90
Procedimiento: El procedimiento realizado para la construcción no es el mejor
procedimiento debido a que existen limitaciones en la construcción, estas limitaciones en
construcción, reducen la eficiencia de la antena.
Doblado del alambre de cobre: Se sugiere realizar el doblado con una máquina
roladora para un doblado uniforme. En 4 cm realizar un doblado para la parte de la
conexión. Un buen acabado se logra doblando el alambre con un cilindro guiado con el
mismo diámetro requerido, el alambre terminado es mostrado en la figura 3.24.
Figura 3.24. Alambre de cobre doblado 2.5 vueltas. FUENTE: Elaboración propia
Tierra de la antena: Para obtener una circunferencia uniforme en el plano a tierra se
recomienda realizarla con una máquina torneadora. El resultado final se muestra en la
figura 3.25.
Ingeniería del Proyecto
91
Figura 3.25. Plano a tierra 6 cm diámetro. FUENTE: Elaboración propia
Soporte de antena: Para la construcción del soporte se requiere una estructura
diseñada diseñada e impresa en 3D, cabe resaltar que se pueden realizar otros modelos de
soportes. En la figura 3.26. se muestra el soporte terminado impreso en PLA.
Figura 3.26. Plano a tierra y soporte de antena. FUENTE: Elaboración propia
Soporte de hélice: debido a que la hélice de la antena puede sufrir deformación, se ha
decidido el agregado de soportes hechos con acrílico.
Construcción de soporte de la hélice: Para la construcción del soporte se ha
decidido utilizar acrílico de 3mm de espesor. El método de cortado fue realizado con
Láser. En la figura 3.27 se muestra el soporte terminado.
Ingeniería del Proyecto
92
Figura 3.27. Soporte de acrílico para la hélice. FUENTE: Elaboración propia
El alimentador terminado se muestra en la figura 3.28.
Figura 3.28. Alimentador helicoidal back-fire. FUENTE: Elaboración propia
Ingeniería del Proyecto
93
3.5. Caracterización
Para realizar las mediciones de la antena se utilizó el Analizador de Redes
Vectoriales (VNA) Anritsu MS2027C. En la gráfica siguiente Figura 3.29, observamos el
parámetro S11= -28.89@1701MHz.
Figura 3.29. Coeficiente de Reflexión S11. FUENTE: Elaboración propia
El ancho de banda que se obtiene en la medición es mostrado en la figura 3.30. Donde se
observa que obtenemos 37MHz.
Figura 3.30. Ancho de banda de la Antena Helicoidal, BW=37MHz. FUENTE:
Elaboración propia
Ingeniería del Proyecto
94
Luego de agregar la placa de adaptación a la antena helicoidal los resultados de la
medición son mostrados en la figura 3.31. Donde obtenemos Z=47.5-1.5i, este valor es
obtenido a 1699MHz.
Figura 3.31. Medición de la Impedancia de la Antena Helicoidal. FUENTE: Elaboración
propia
Para la medición de la Ganancia de la antena se ha utilizado la Cámara Anecóica MVG
(Microwave Vision Group) modelo SG-64. En la figura 3.32. Observamos la antena en
medición (izquierda) y patrón de radiación 3D (derecha).
Figura 3.32. Antena parabólica con alimentador helicoidal en medición (izquierda),
patrón radiación 3D (derecha). FUENTE: Elaboración propia
Ingeniería del Proyecto
95
3.6. Medidas del soporte de la antena helicoidal
Medidas de plano a tierra de Aluminio.
Vista Planta:
60
.00
mm
16.5
0 m
m
26
.00
mm
3 mm
Figura 3.33. Medidas plano a tierra de la antena helicoidal, vista de planta. FUENTE:
Elaboración propia
Vista Frontal:
60 mm
2mm
Figura 3.34. Medidas plano a tierra de la antena helicoidal, vista frontal. FUENTE:
Elaboración propia
Ingeniería del Proyecto
96
Medida de soporte para la antena Helicoidal Back-Fire.
Vista Planta:
43.33
mm
45.00 mm
31.0
0 m
m
42
.00 m
m
24.00 mm
24.00
mm
Figura 3.35. Medidas soporte de la antena helicoidal, vista de planta. FUENTE:
Elaboración propia
Vista Frontal:
127.28 mm
5mm
Figura 3.36 Medidas soporte de la antena helicoidal, vista frontal. FUENTE:
Elaboración propia
Ingeniería del Proyecto
97
Vista 3D soporte antena helicoidal:
Figura 3.37. Medidas soporte de la antena helicoidal, vista 3D. FUENTE: Elaboración
propia
Medidas de soporte en Acrílico.
Figura 3.38. Medidas soporte de acrílico (parte 1), vista frontal. FUENTE: Elaboración
propia
60
.40 m
m60.4
0 m
m
84.97 mm
160.0
0 m
m
Ingeniería del Proyecto
98
Figura 3.39. Medidas soporte de acrílico (parte 2), vista frontal. FUENTE: Elaboración
propia
Para una correcta solidez y robustez de la antena helicoidal se ha propuesto este diseño de
soportes, los cuales pueden ser elaborados con material acrílico de 2mm de espesor. Los
cortes se deben realizar con láser a partir de este diseño CAD. Para la unión de soportes
se puede utilizar pegamento de alta resistencia, el doblado del alambre simplemente es
guiado por los agujeros específicamente ubicados en el soporte. Cabe señalar que este
soporte es un modelo propuesto, se pueden diseñar otros soportes que puedan incrementar
la eficiencia de la antena.
60.4
0 m
m
16
0.0
0 m
m
16
0.0
0 m
m
41.66 mm
Ingeniería del Proyecto
99
3.7. Análisis matemático de la antena patch
Luego de conocer la formulación en el diseño de antenas patch se procede a diseñar
y obtener los cálculos de la antena con una frecuencia de resonancia de 1.7GHz. En la
tabla 3.7. Se detallan los resultados obtenidos basados en la formulación matemática. Los
presentes resultados son para diseñar antenas patch rectangulares.
Dato Valor
Frecuencia 1.7GHz
h 0.5cm
𝝐𝒓 1.00065
W 88.16mm
L 81.14mm
𝝐𝒓𝒆𝒇𝒇 1.0004477
∆𝑳 3.5x10−3m
Tabla 3.7. Valores obtenidos de una patch rectangular a partir de la frecuencia de
resonancia de 1.7GHz. FUENTE: Elaboración propia
Los valores obtenidos nos sirven para tener una referencia aproximada de las medidas que
debe de tener la patch, este tipo de diseño no se usa para antenas con polarización circular.
El diseñar un alimentador patch cuadrado generalmente es usado para aplicaciones de
polarización circular.
3.8. Simulación
Para la simulación de la antena tipo parche se ha seguido la misma técnica de
simulación que se usó en la helicoidal (HFSS-IE).
Ingeniería del Proyecto
100
3.8.1. Simulación de Antena Patch circular con sustrato Duroid 5880
Figura 3.33. Este fue un primer diseño de un alimentador tipo parche, las
medidas son mostradas en la tabla 3.8. Este sustrato se caracteriza por sus bajas perdidas
y alta uniformidad de permisividad en su construcción, el grosor escogido del sustrato
escogido permite incrementar el ancho de banda de la antena. Cabe mencionar que el
grosor del sustrato adquirido (3.175mm) es el mayor grosor en el catálogo del fabricante
Rogers Corp.
Sustrato RT duroid 5880
Dimensiones del sustrato 80mm x 80mm (largo y ancho)
Altura del sustrato H=3.175mm
Diámetro del parche 66.54mm
Grosor de pin de alimentación 1mm
Medidas de rectángulo de
perturbación
7.8mm x 3.9mm
Tabla 3.8. Medidas requeridas antena patch con sustrato RT duroid 5880. FUENTE:
Elaboración propia
En la figura 3.40. Se muestra el diseño de la antena patch.
Figura 3.40. Patch circular con perturbaciones. FUENTE: Elaboración propia
Ingeniería del Proyecto
101
El coeficiente de reflexión S11 es mostrado en la figura 3.41. Donde observamos una muy
buena respuesta (-38.4dB). Si bien la antena presenta una buena adaptación, la pureza en
polarización circular no se encuentra dentro del límite permitido, como se ve en la Figura
3.42. El diseño mostrado claramente se puede mejorar para lograr una mejor polarización,
Existen técnicas como las mostradas en apartados anteriores, donde se puede elaborar una
red de acoplamiento.
Figura 3.41. Coeficiente de Reflexión S11 de la antena patch circular con
perturbaciones. FUENTE: Elaboración propia
1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
5
|S11
| (d
B)
Frequency (MHz)
Coeficiente de Reflexión |S11|(dB)
Ingeniería del Proyecto
102
Figura 3.42. Relación axial de la antena patch circular con perturbaciones, 1.7GHz, Phi
0 deg. FUENTE: Elaboración propia
La relación axial obtenida nos muestra una baja pureza de polarización circular. Figura
3.42.
Debido a su baja pureza de polarización se ha procedido a diseñar un modelo obtenido
basado en resultados obtenidos en [5] [23] [24]. Donde se brindan aportes sobre la
incorporación de una segunda capa.
3.8.2. Simulación antena patch rectangular doble capa con sustrato aire
El modelo propuesto es mostrado en la figura 3.43. Donde se muestra una vista de
planta y perfil, izquierda y derecha respectivamente. Este modelo es basado en [5].
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 2000
5
10
15
20
25
30
Axi
al R
atio
(dB
)
Theta (deg)
AR Freq 1.7GHz Phi 0deg
5.3dB@Theta 0deg
Ingeniería del Proyecto
103
Figura 3.43. Antena Patch cuadrada doble capa con perturbaciones. FUENTE:
Elaboración propia
3.8.2.1. Análisis del alimentador
El coeficiente de reflexión S11 es mostrado en la figura 3.44. Donde observamos
un coeficiente de reflexión de [email protected]. El modelo de antena propuesto es una
antena que presenta doble capa con perturbaciones opuestas en la primera capa que
permiten polarizar circularmente la antena. En la antena propuesta la primera capa y tierra
se comportan como una antena patch tradicional, las perturbaciones añadidas permiten
cambios de flujo de corrientes opuestas pretendiendo lograr polarización circular.
Además, ésta primera capa induce un campo electromagnético por acoplamiento de
proximidad a la segunda capa, ya que la segunda capa no tiene contacto directo con la
estructura, esta inducción de campo permite generar una corriente de inducción en la
segunda capa. Los resultados muestran que esta inducción de corriente en la segunda capa
permite una alta pureza de polarización circular. La separación entre capas es aire
(permitividad er=1).
Ingeniería del Proyecto
104
Figura 3.44. Coeficiente de Reflexión S11 de la antena patch doble capa. FUENTE:
Elaboración propia
La ganancia es mostrada en la figura 3.45. Donde visualizamos una ganancia en
simulación de 8.4dB.
Figura 3.45. Patrón de radiación de antena patch simulado en 1.7GHz. FUENTE:
Elaboración propia
1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0-20
-15
-10
-5
0
5
|S11
| (d
B)
Frequency (MHz)
Coeficiente de Reflexión S11 (dB)
Ingeniería del Proyecto
105
Esta uniformidad en el patrón de radiación de la antena patch nos da buenas expectativas
para colocarlo en un reflector parabólico.
La AR se muestra en la figura 3.46. En el cual presenciamos alta pureza en polarización
circular, con un valor de AR de en Theta (0deg) y a 1.7GHz. Un aspecto a tener en cuenta
sobre la polarización se da en el momento de implementarla en el reflector parabólico. La
antena tiene que ser diseñada con polarización LHCP el cual al invertirla y ponerla en el
reflector nos brindará la polarización deseada RHCP.
Figura 3.46. Relación Axial a 1.7GHz antena patch doble capa con perturbaciones, sin
reflector parabólico. FUENTE: Elaboración propia
El valor de la VSWR es mostrada en la figura 3.47. Donde obtenemos un valor de
-150 -100 -50 0 50 100 1500
10
20
Axia
l R
atio
(dB
)
Theta (deg)
AR Freq=1.7GHz Phi=0deg
0.7dB@Theta(0deg)
Ingeniería del Proyecto
106
Figura 3.47. VSWR de 1.4, antena patch doble capa con perturbaciones. FUENTE:
Elaboración propia
El análisis de impedancia es mostrada en la figura 3.48.
Figura 3.48. Impedancia real e imaginaria simulada de la antena patch en 1.7GHz.
FUENTE: Elaboración propia
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.50
10
20
SWR
Frequency (GHz)
SWR
1.5 2.0 2.5-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
Imput
Imped
ance
(oh
m)
Frequency (GHz)
real Impedance
Imaginary Impedance
Z=74+6j
Ingeniería del Proyecto
107
El valor obtenido de la impedancia obtenida presenta un desacoplamiento en la antena no
despreciable. Para lo cual se ha realizado una parametrización tomando entre variables la
distancia de separación entre las capas. Los resultados muestran un mejor acoplamiento
de la antena con solo reducir el espacio del plano a tierra y la primera capa en 1.2mm.
Figura 3.49. La simulación también sugiere una degradación en polarización circular.
Figura 3.49. Impedancia Real e imaginaria con una separación entre la primera y
segunda capa de 4.5mm (línea negra y verde). Impedancia Real e imaginaria con una
separación entre la primera y segunda capa de 3.3mm (línea roja y azul) FUENTE:
Elaboración propia
Análisis del vector del campo eléctrico inducido
La segunda capa de la antena patch al ser inducido por la corriente generada en la primera
capa permite generar una corriente inducida en la segunda capa. En la figura 3.50. Se
muestra el movimiento circular del vector de campo eléctrico en phase=0deg,
phase=90deg, phase=180deg, phase=270deg.
1.0 1.5 2.0-200
0
200
400
600
Z=55+5j
Z=74+6j
Impu
t Im
peda
nce
(Ohm
)
Frequency (GHz)
Real Impedance
Real Impedance 2
Imaginary Impedance 2
Imaginary Impedance
1.7
Ingeniería del Proyecto
108
Figura 3.50. Desplazamiento del vector de campo eléctrico en:
phase=0deg, phase=90deg, phase=180deg, phase=270deg, en
1.7GHz. FUENTE: Elaboración propia
Ingeniería del Proyecto
109
3.8.3. Simulación parabólica 1.2m diámetro, con alimentador tipo patch
rectangular doble capa con sustrato de aire
El diseño es mostrado en la figura 3.51. A diferencia del alimentador helicoidal
esta antena presenta una mejor pureza de polarización y se logra la ganancia requerida con
solo 1.2m de reflector parabólico. Debemos considerar las ya mencionadas perdidas por
polarización cruzada [2] [22]. Para ver los efectos causados por despolarización cruzada
se ha tomado como un parámetro de control la distancia del alimentador al reflector
parabólico. No se ha analizado una dirección saliente del alimentador, claramente con el
patrón de radiación obtenido del alimentador se deduce que los mejores resultados se dan
con un alimentador invertido.
Figura 3.51. Diseño antena parabólica 1.2m con alimentador patch en 1.7GHz.
FUENTE: Elaboración propia
En la figura 3.52 observamos la ganancia obtenida (24dB) con un reflector de 1.2m. La
reducción del diámetro del reflector es favorable para los propósitos de este proyecto, ya
que se requeriría un menor esfuerzo del rotor y sería más práctico manejar dimensiones
menores.
Ingeniería del Proyecto
110
Figura 3.52. Patrón de radiación 3D antena patch doble capa en 1.7GHz. FUENTE:
Elaboración propia
El patrón de radiación rectangular es mostrado en la figura 3.53.
Figura 3.53. Patrón de radiación rectangular antena parabólica patch, en 1.7GHz.
FUENTE: Elaboración propia
-150 -100 -50 0 50 100 150-30
-20
-10
0
10
20
30
Gai
n (d
B)
Theta (deg)
Simulated Gain Phi (0deg)
24dB
Ingeniería del Proyecto
111
Debido a los efectos de polarización cruzada, se ha procedido a simular con distintas
posiciones del alimentador al centro de la parábola, tabla 3.9. Se observa una buena pureza
de polarización en 455cm.
Posición del alimentador AR obtenida, Theta (0deg), 1.7GHz
450cm 2.7dB
455cm 0.8dB
460cm 8.3dB
465cm 2.7dB
470cm 4.3dB
Tabla 3.9. AR obtenida con distintas posiciones del alimentador patch doble capa.
FUENTE: Elaboración propia
En la figura 3.54. Se muestra los valores de AR obtenidos con posiciones de la tabla 3.8.
Figura 3.54. Parametrización de la AR de la antena parabólica con alimentador patch.
FUENTE: Elaboración propia
-50 0 500
10
20
30
40
50
60
70
Axi
al R
atio
(dB
)
Theta (deg)
470mm
465mm
455mm
460mm
450mm
AR Freq=1.7GHz Phi (0deg)
3dB
Ingeniería del Proyecto
112
El resultado óptimo de la AR que se da en 455mm. Figura 3.55.
Figura 3.55. Relación axial antena parabólica con alimentador patch en 455mm.
FUENTE: Elaboración propia
3.9. Construcción
Las dimensiones del reflector requerido se muestran en la tabla 3.10. El conseguir
este tipo de reflectores puede tener cierta dificultad, se recomienda adquirirlo con algún
fabricante especializado [25]. También se puede mandar a fabricar en fibra de vidrio con
las medidas detalladas.
Reflector Parabólico
Diámetro D=120cm
Profundidad P=20cm
Longitud Focal F=45cm
Tabla 3.10. Dimensiones reflector 120m diámetro. FUENTE: Elaboración propia.
-100 -50 0 50 1000
10
20
30
Axi
al R
atio
(dB
)
Theta (deg)
AR Freq= 1.7GHz Phi (0deg)
0.8dB@Theta (0deg)
Ingeniería del Proyecto
113
Construcción del alimentador patch
Los materiales requeridos se detallan en la tabla 3.11.
Materiales Requeridos
Plancha de bronce de 1/2 mm 10cm x 10cm, mínimo
Plancha de aluminio de 2mm 25cm x 25cm, mínimo
Soportes 4 soportes cilíndricos, según diseño
Pernos no conductivos(PVC) con
tuercas
2 pernos de 1”, 2 pernos de 1/2”
Conector SMA hembra a chasis 1 conector
Tabla 3.11. Materiales para construcción antena patch doble capa. FUENTE:
Elaboración propia
Para un mejor acabado se recomienda realizar todos los cortes basados en el archivo CAD
propuesto y realizarlos en una máquina CNC láser, la imagen 3.56. Detalla el aluminio y
bronce terminados listos para armado y montaje.
Figura 3.56. Placas de aluminio y bronce terminados. FUENTE: Elaboración propia
Ingeniería del Proyecto
114
Pernos y conector: Las medidas están detalladas en la tabla 3.12. La imagen de las piezas
se muestra en la figura 3.57.
Figura 3.57. Pernos y conector SMA. FUENTE: Elaboración propia
Soportes de capas de la patch: Se requieren soportes cilíndricos con las medidas detalladas
en la tabla 3.12. La imagen se muestra en la figura 3.58.
Soportes
Cantidad Medidas
4 cilindros huecos Altura: 6.5mm
2 cilindros huecos Altura: 5mm
Tabla 3.12. Medidas de soportes entre capas antena patch. FUENTE: Elaboración propia
Figura 3.58. Soportes entre capas de la patch. FUENTE: Elaboración propia
Ingeniería del Proyecto
115
Una buena forma de adquirir los pernos, soportes y conector SMA con dieléctrico alargado
son las tiendas online; en el caso de que sea difícil adquirirlos.
La imagen terminada del alimentador patch se muestra en la figura 3.59.
Figura 3.59. Alimentador patch doble capa construido.
FUENTE: Elaboración propia
3.10. Caracterización
El coeficiente de reflexión simulado y medido se observa en la figura 3.60. Donde
obtenemos [email protected].
Ingeniería del Proyecto
116
Figura 3.60. S11 medido y simulado. FUENTE: Elaboración propia
El ancho de banda aproximado está acotado en la figura 3.61. Donde el ancho de banda
obtenido (60MHz) es suficiente para los propósitos requeridos.
Figura 3.61. Ancho de banda calculado. FUENTE: Elaboración propia
1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2
-22
-20
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
Ref
lect
ion C
oeffic
ient
|S11
| (d
B)
Frequency (GHz)
S11 Simulated
S11 Measured
1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2
-22
-20
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
Ref
lect
ion C
oeffic
ient
|S11
|(dB
)
Frequency (GHz)
S11 Measured
BW>60MHz
1.67GHz 1.73GHz
Ingeniería del Proyecto
117
La impedancia obtenida es mostrada en la figura 3.62. Donde obtenemos una impedancia
de: Z=51.8-1.9j.
Figura 3.62. Análisis de impedancia medida mediante carta smith. FUENTE:
Elaboración propia
Para la medición de la Ganancia de la antena se ha utilizado la Cámara Anecoica MVG
(Microwave Vision Group) modelo SG-64. En la figura 3.63. Observamos el montaje de
la antena en la cámara de medición.
Figura 3.63. Montaje de la antena para medición de ganancia. FUENTE: Elaboración
propia
Ingeniería del Proyecto
118
En la figura 3.64. Observamos la ganancia obtenida en un patrón de radiación polar. La
ganancia obtenida es de 23.4dB, esta ganancia es válida para los propósitos de esta tesis.
Figura 3.64. Medición de ganancia de antena parabólica patch. FUENTE: Elaboración
propia
El patrón de radiación 3D obtenido en medición es mostrado en la figura 3.65. Claramente
existe una diferencia con el patrón de radiación obtenido con el alimentador helicoidal
mostrado anteriormente.
Ingeniería del Proyecto
119
Figura 3.65. Patrón de radiación 3D medido. FUENTE: Elaboración propia
El patrón 3D sugiere una alta directividad. Esto es favorable para los propósitos de la tesis
debido a que no nos interesa la radiación lateral.
3.11. Medidas de la antena patch
Las presentes medidas son obtenidas a partir de los resultados obtenidos en
simulación. Estas medidas hay sido optimizadas para que la antena patch resuene a
1.7GHz. Luego de la realización de los cortes (se recomienda cortes en láser CNC) y para
asegurar una correcta separación entre capas se recomienda utilizar soportes PVC no
conductivos de la misma altura. Estos soportes pueden ser encontrados en tiendas online.
Ingeniería del Proyecto
120
Medidas capa 1:
Figura 3.66. Medidas capa 1 de la antena patch. FUENTE: Elaboración propia
Medidas Plano Tierra:
Figura 3.67. Medidas plano a tierra de la antena patch. FUENTE: Elaboración propia
77.50 mm
77.5
0 m
m
45.2
5 m
m
84.1
5 m
m
46.67 mm
1.5mm radio
110.00 mm
110.0
0 m
m
84.1
5 m
m
46.67 mm
1.5mm radio
Ingeniería del Proyecto
121
Patch Segunda Capa:
Figura 3.68. Medidas capa 2 de la antena patch. FUENTE: Elaboración propia
Antena Patch completa vista frontal:
Figura 3.69. Antena patch, vista frontal. FUENTE: Elaboración propia
69.00 mm
69.0
0 m
m
84.1
5 m
m
1.5mm radio
4.5mm
5mm
Ingeniería del Proyecto
122
Antena Patch completa vista Superior:
Figura 3.70. Antena patch completa, vista planta. FUENTE: Elaboración propia
3.12. Comparación de resultados
Las especificaciones técnicas de las antenas incluyen parámetros eléctricos y
parámetros físicos. En este apartado se comparan resultados obtenidos entre ambas
antenas. Nótese que esta comparación se realiza con fines de seleccionar un mejor
elemento radiante al sistema de recepción. Cada antena presentan características
particulares.
110.0
0 m
m
20.50 mm
16.2
5 m
m
23.5
0 m
m
Ingeniería del Proyecto
123
3.12.1. Parámetros físicos
Según los requerimientos exigidos, comparamos el requerimiento del reflector
entra ambas antenas. Tabla 3.13.
Antena parabólica con
alimentador helicoidal
Antena parabólica con
alimentador tipo parche
Diámetro del
reflector
requerido
1.65 m Diámetro del
reflector
requerido
1.2 m
Relación F/P 0.4 Relación F/P 0.375
Tabla 3.13. Requerimientos de reflector de alimentadores helicoidal y patch para
obtener 24dB de ganancia. FUENTE: Elaboración propia
Físicamente ambos reflectores pueden implementarse con ambos alimentadores,
preferiblemente es recomendable utilizar reflectores de menor tamaño si es que la
ganancia obtenida cumple el requerimiento. Además un diámetro mayor exige mayor peso
que no sería muy recomendable para los objetivos de este proyecto.
3.12.2. Parámetro eléctrico: Ganancia
Ambas antenas propuestas cumplen con los requisitos de ganancia exigidos. La
diferencia radica principalmente en el requerimiento físico de cada antena.
3.12.3. Parámetro eléctrico: Patrón de radiación
Básicamente no se necesita un patrón de radiación complejo que requiera un
patrón de radiación omnidireccional o radiación lateral específica. La figura 3.71 nos
muestra el patrón de radiación polar obtenido con una antena parabólica de alimentador
tipo patch (línea azul), con 1.2m de diámetro de reflector, antena parabólica de
alimentador tipo helicoidal back-fire (línea roja), con 1.65m de diámetro de reflector. Y
una antena parabólica de alimentador tipo helicoidal back-fire (línea verde), con 1.2m de
diámetro de reflector.
Ingeniería del Proyecto
124
Figura 3.71. Patrón de radiación de alimentador helicoidal con D=1.65m (línea roja),
alimentador helicoidal con D=1.2m (línea verde) y alimentador tipo patch con D=1.2m.
FUENTE: Elaboración propia
Esta comparación nos da referencia de la ganancia lograda con el alimentador tipo
patch comparado con la del tipo helicoidal. Un aspecto importante es la radiación en
lóbulos laterales; en el caso de las antenas parabólicas tipo helicoidal back-fire presentan
una incrementada radiación en lóbulos laterales. Esta radiación disminuye la directividad
de la antena, particularmente no es determinante para nuestros propósitos.
3.12.4. Parámetro eléctrico: Relación axial
Debido a que la polarización requerida, que tiene que ser circular derecha, se
realizó la comparación entre los dos diseños propuestos. En la figura 3.72. Se muestra que
la antena tipo patch presenta polarización circular en Theta -10° a 10°. En el caso de la
antena con alimentador helicoidal en Theta 0°, presenta una relación axial de 4.5dB, se
desprende que presenta polarización elíptica.
Ingeniería del Proyecto
125
Figura 3.72. Comparación de la relación axial alimentador tipo patch y tipo helicoidal en
1.7GHz. FUENTE: Elaboración propia
3.12.5. Parámetro eléctrico: Coeficiente de reflexión
El resultado del coeficiente de reflexión entre ambas antenas se muestra en la
tabla 3.14.
Antena parabólica con alimentador
helicoidal
Antena parabólica con alimentador
tipo parche
|S11|@1.7GHz |S11| = -28dB |S11|@1.7GHz |S11| = -14.6dB
Tabla 3.14. Cuadro comparativo del coeficiente de reflexión de alimentador helicoidal y
patch, en 1.7GHz. FUENTE: Elaboración propia
3.12.6. Parámetro eléctrico: Ancho de banda
Para los propósitos de esta tesis no es necesario que la antena tenga un ancho de
banda considerable.
Antena parabólica con alimentador
helicoidal
Antena parabólica con alimentador
tipo parche
Ancho de banda BW = 37MHz Ancho de banda BW = 60MHz
Tabla 3.15. Cuadro comparativo del BW del alimentador helicoidal y patch, en 1.7GHz.
FUENTE: Elaboración propia
-50 0 500
10
20
30
40
50
60
4.5dB@Theta(0deg)
0.7dB@Theta(0deg)
Axi
al R
atio
(dB
)
Theta (deg)
AR Freq 1.7GHz Phi 0deg with patch feeder
AR Freq 1.7GHz Phi 0deg with helical feeder
3dB
Ingeniería del Proyecto
126
3.12.7. Parámetro eléctrico: impedancia
La comparativa de impedancias se muestra en la tabla 3.16.
Antena parabólica con
alimentador helicoidal con
placa de adaptación
Antena parabólica con
alimentador helicoidal
Antena parabólica con
alimentador tipo parche
Simulado Z=51+1.5j Simulado Z=68.3-
11.29j
Simulado Z=74+6j
Medido Z=47.5-1.5j Medido Z=51.8-1.9j
Tabla 3.16. Cuadro comparativo del coeficiente de reflexión de alimentador helicoidal y
patch, en 1.7GHz. FUENTE: Elaboración propia
Los resultados muestran una correcta adaptación de las antenas, en el caso de la antena
parabólica con alimentador patch la impedancia de entrada muestra un correcto
acoplamiento en la entrada. La antena parabólica con alimentador helicoidal presenta un
mejor acoplamiento al agregarle la placa de adaptación.
Nótese que esta comparación se realiza con fines de seleccionar un mejor elemento
radiante al sistema de recepción. Cada antena presentan características particulares.
3.13. Montaje y cimentación de la antena
Consideraciones: Debido a que la antena es un elemento a instalarse en exteriores,
debe cumplir con algunos otros requisitos de instalación y cimentación.
Consideraciones físicas:
En el alimentador: Se recomienda el uso de radome que cubra en totalidad la antena
parabólica; este material, a estas dimensiones, presenta un costo elevado. También se
recomienda tener en cuenta lo siguiente como alternativa: adquirir material radome
cilíndrico que cubra la totalidad de la antena patch, en estas dimensiones el radome
presenta un costo elevado.
De la altura de la antena: No hay restricción de una altura mínima a nivel de piso, pero
se recomienda que la altura junto con el mástil no exceda 6 metros.
Ingeniería del Proyecto
127
Del soporte: El rotor YAESU G-5500 presenta facilidad para el montaje, puede ser
instalado en torres triangulares y mástil cilíndrico, se optó por el montaje con mástil
cilíndrico metálico sólido de 2 metros de altura.
De las consideraciones de masa de la antena: El rotor soporta una carga vertical de 200
Kg [26], para evitar elevados esfuerzos del rotor en movimiento se recomienda el uso de
cargas opuestas que balancee la cantidad de peso de la antena en un sentido. Tener en
cuenta que la estructura no interfiera en la totalidad de giro del rotor.
En la figura 3.73 se observa vista posterior de la antena, un lugar apropiado para instalar
la caja de componentes de amplificación, filtrado y recepción podría ser instalado en el
mástil cerca al rotor.
Figura 3.73. Vista posterior de la antena parabólica. FUENTE: Elaboración propia
Ingeniería del Proyecto
128
En la figura 3.74 se muestra el montaje final de la antena propuesta.
Figura 3.74. Antena montada con rotor de giro en Azimutal y Elevación. FUENTE:
Elaboración propia
3.14. Especificaciones técnicas de la antena
Figura 3.75. Antena montada (izquierda), patrón de radiación polar (derecha). FUENTE:
Elaboración propia
-30
-20
-10
0
10
20
300
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
-30
-20
-10
0
10
20
30
Gai
n (
dB
)
Gain simulated
24.1dBPhi=0 deg
Ingeniería del Proyecto
129
Tabla 3.17. Parámetros físicos y eléctricos, antena patch. FUENTE: Elaboración propia
Especificaciones Técnicas del Rotor Yaesu G-5500:
Parámetros Físicos de la Antena Parabólica
Diámetro del Reflector 1.2 metros
Tipo de Reflector y peso Reflector de foco
primario, peso 4Kg.
Material del Reflector Fibra de vidrio
Relación F/D 0.375
Posición del
alimentador
455 mm
Parámetros Eléctricos de la Antena
Parabólica
Ganancia 23.4dB
Coeficiente de Reflexión
|S11|@1.7GHz
-15dB
Relación Axial 2.3dB, Theta = 0
deg
Ancho de banda BW = 60MHz
Tipo de polarización RHCP
Rotor Yaesu G-5500
Voltaje de
alimentación
110 VAC, 220VAC, 50-60Hz
Voltaje de Rotor 24VAC
Tiempo de rotación
sin carga
Elevación(180°): 67 seg en 60Hz
Azimuth(360°): 58 seg en 60Hz
Rango de rotación Elevación: 180°
Azimuth 450°
Torque de rotación Elevación: 14Kg/m
Azimuth: 6Kg/m
Torque de frenado Elevación: 40Kg/m
Azimuth: 40Kg/m
Ingeniería del Proyecto
130
Tabla 3.18. Especificaciones técnicas del Rotor YAESU G-5500. FUENTE: [26]
Preparación y Conexión del Rotor y Controlador Externo: Previamente a la
instalación de la antena en el rotor debemos realizar todas las conexiones retalladas a
continuación y especificadas por el fabricante [26].
Carga vertical
máxima
Elevación: 30Kg o menos
Azimuth: 200Kg o menos
Peso del rotor y
controlador
9Kg y 3 Kg, respectivamente
Controlador
externo(ERC-M
SMD)[29]
Puede utilizar ERC-M para conectarse directamente
a las cajas de control que tienen un conector remoto
o a la mayoría de otros rotores (incluyendo sistemas
homebrew) mediante el uso de tarjetas de rotor.
Cualquier combinación de rotadores es válida.
Voltaje de alimentación: DC 12V-14V, 10mA
Temperatura de funcionamiento: 0-70°
Interfaz de doble eje para Azimut solamente, Azimut
y Elevación o Azimut DUAL.
Soporte completo para rotadores con superposición
de hasta +/- 180 °.
Calibración extendida cada 5 ° (EL) o 30 ° (AZ) para
compensar las no linealidades de la tensión de
retorno del rotador.
Parada de seguridad, si los rotadores no se mueven
en 8 s.
Puerto de comunicación: USB con chipset FTDI y
RS232.
ERC es compatible con un subconjunto de los
siguientes protocolos: Yaesu GS232A con extensión
para DUAL-Azimuth y Yaesu GS232B con
extensión para DUAL-Azimuth. [29]
Ingeniería del Proyecto
131
Figura 3.76. Diagrama de conexiones del rotor YAESU G-5500. FUENTE: [26]
Ingeniería del Proyecto
132
En la figura se detalla las conexiones que se deben realizar para la conexión manual del
rotor. Los cables de conexión no vienen con el rotor por lo que se recomienda tener en
cuenta la distancia de separación entre la antena y el controlador manual. Se recomienda
que para distancias mayores de 25m se use cables #18 AWG o #20 AWG.
El controlador externo propuesto es ERC-M SMD por el fabricante Easy-Rotor-Control
que brinda soluciones de bajo coste para el control automático del rotor.
Figura 3.77. Controlador externo ERC-M SMD. FUENTE: [29]
El controlador adquirido viene con todas las piezas ensambladas y con toda la
conectorización necesaria para la puesta en marcha del sistema. Todas las instrucciones
están detalladas por el fabricante. Lo que se recomienda en esta tesis es utilizar un
Software predictivo que realice correcciones del Efecto Doopler, además de actualizar
constantemente las coordenadas keplerianas para lograr un correcto seguimiento al
satélite. Ejemplo de SW: Orbitron, SatPC32. Además se puede adquirir accesorios
adicionales para el control como: display LCD, Caja protectora del controlador, control
mediante una Red Área Local (LAN).
Ingeniería del Proyecto
133
3.15. Consideraciones adicionales
De la alimentación del rotor: Se debe tener en cuenta protección para los cables
de conexión del rotor (8 en Azimutal y 8 en Elevación), estos cables deben tener la holgura
necesaria, tal que no interfieran en el correcto funcionamiento del rotor en movimiento.
La longitud recomendada por el fabricante es no mayor a 20 metros con cables #20 AWG
[26]. En nuestro caso realizamos el montaje con cables de 15 metros de longitud.
De la conexión de demás componentes: Un aspecto muy importante a tomar en
cuenta es el diseño del panel de accesorios (LNAs, Filtros, Decodificador, Convertidores
a baja frecuencia, etc.) y su ubicación. No es objetivo de esta tesis definir un diseño para
el funcionamiento de este sistema pero recomendamos que se tenga en cuenta lo siguiente:
Ubicación del panel de accesorios:
Se recomienda un panel hermético metálico lo más cercano a la antena, esto es
debido a que a 1.7GHz las pérdidas por cable coaxial son considerables, los cables
con bajas perdidas en 1.7GHz son muy costosos, en su defecto, incorporar un
convertidor a baja frecuencia a la salida de la antena sería una buena opción para
la utilización de cables coaxiales.
Panel de accesorios: Es recomendable que a la salida de la antena se coloque el
LNA, la NASA recomienda un LNA con ganancia mayor a [email protected] con
figura de ruido menor a [email protected] [8], un filtro pasa banda de banda estrecha
entre 1.670MHz y 1710MHz, si se opta por la compra del LNA y el filtro, se
recomienda tomar en cuenta los modelos siguientes: LNA: 1.7GHz PHEMT 1690-
1710MHz, 35dB ganancia, del fabricante TimeStep. Filtro bandpass: Lorch 5DF6-
1675/R50. Se recomienda la utilización de un decodificador SDR con frecuencia
de operación entre 24MHz y 1800MHz y ubicarlo a la salida del filtro. Existen
SDRs con frecuencia de operación hasta 1700MHz, la experiencia con estos SDRs
sostiene que su frecuencia real máxima de operación es inferior. El cable de mayor
longitud sea el de la salida del decodificador (cable de datos USB), la utilización
de núcleos de ferrita es recomendable para asegurar la durabilidad del
Ingeniería del Proyecto
134
decodificador, ya que se comportan como filtros de corrientes parásitas que pasan
por un conductor eléctrico.
Alimentación de accesorios: Se ha dedicado dos líneas de alimentación para el
LNA y demás dispositivos que requieran tensiones de funcionamiento. Es
necesario contar con fuentes de alimentación entre 5 y 12V DC.
3.16. Análisis de costos
Se presenta una tabla de gastos relacionados a la fabricación del alimentador y
fabricación del reflector parabólico con fibra de vidrio y adquisición de rotor. Tabla 3.19.
En el caso del reflector parabólico, el diámetro requerido y la relación F/D son medidas
comerciales y también se pueden optar por comprarlos, el aspecto a considerar más
importante es el diámetro con una F/D aproximada a los requerimientos obtenidos.
Existen soluciones de construcción de reflectores en fibra de vidrio y reflectores
enmallados, que también se pueden utilizar. Un aspecto importante a considerar es la masa
del reflector, esta masa no debe forzar el correcto funcionamiento del rotor. En el mercado
existen soluciones de rotores de una gran carga útil, que claramente encarecen el sistema.
Costos de fabricación del alimentador propuesto, más adquisición de
reflector parabólico, rotor y soportes.
Material Cantidad Total
Aluminio 2mm grosor 1m2 * S/. 50.00
Bronce 0.5mm grosor 1m2 * S/. 80.00
Servicio de corte
mediante láser CNC
Medida determinada por
el dador del servicio,
costo proporcional a la
longitud de línea de corte
S/. 100.00
Conector y pernos y
soportes de montaje
1 SMA chasis coaxial,
pernos PVC y soportes
S/. 20.00
Ingeniería del Proyecto
135
Gastos relacionados con
el ensamblaje, soldadura
y otros
n/d S/. 100.00
Reflector parabólico 1 reflector, 1.2 m
diámetro F/D=0.4, en
fibra de vidrio
S/. 1,500.00
Rotor YAESU G-5500 1 rotor Az/El S/. 4,200.00
Soportes de montaje de
antena
n/d S/. 300.00
TOTAL S/. 6,350.00
* medidas sobreestimadas dependientes de la disponibilidad y venta mínima del material, ver detalles de
construcción del alimentador patch.
Tabla 3.19. Análisis de costos de construcción de la antena. FUENTE: Elaboración
propia.
Existen diversos fabricantes de sistemas HRPT. Se ha solicitado una cotización del
fabricante WINRADIO con proveedor en el Perú MOR S.R.L. El costo de este sistema es
el más bajo del mercado: S/. 95,600.00 soles. Existen fabricantes como DARTCOM que
su sistema llega a costar S/. 340,000.00 soles. Basándose en la cotización (MOR S.R.L.),
en el costo de la antena (sólo reflector más alimentador) y rotor del fabricante WINRADIO
sería: S/. 31,600.00 soles.
La antena propuesta asciende a un costo de S/. 6,350.00.
Podríamos decir que la construcción de la presente antena reduce los costes, es por ello
que la realización de esta antena es monetariamente factible.
Ingeniería del Proyecto
136
3.17. Parámetros eléctricos obtenidos
Debido a que no se cuenta con un reflector de 1.65m necesario para la obtención
de la ganancia requerida, solo se detallan los valores finales obtenidos de la
caracterización de la antena tipo patch con un reflector de 1.2m. Tabla 3.20.
GANANCIA 23.4dB
ANCHO DE BANDA 60MHz
RELACIÓN AXIAL 2.3dB con Theta 0 deg
|S11| [email protected]
FRECUENCIA DE
OPERACIÓN
1.67GHz-1.73GHz
Tabla 3.20. Parámetros característicos medidos de la antena parabólica con alimentador
tipo patch. FUENTE: Elaboración propia
Conclusiones
137
3.18. Conclusiones
Al cumplimiento de los objetivos en la selección de dos modelos de antenas se
presentan diversas ventajas y desventajas tanto en simulación, construcción y
caracterización detalladas a continuación:
1. Se ha demostrado la hipótesis planteada.
2. Con base al Estado del Arte, se ha concluido que en las antenas del tipo patch se vienen
diseñando nuevos modelos de antenas que permiten mejores prestaciones, Es así que el
diseño de antena propuesto presenta mejores prestaciones que un alimentador helicoidal.
3. Al realizar la simulación de la antena parabólica helicoidal nos permitió determinar
que una alta ganancia del alimentador no siempre permite una ganancia óptima junto con
un reflector parabólico. La dirección de acoplamiento, la posición respecto al foco del
reflector de un alimentador helicoidal es determinante al determinar ganancia de la antena
y reducir pérdidas por polarización cruzada.
4. Un alimentador helicoidal back-fire permite lograr ganancias elevadas en una antena
parabólica si las comparamos con las demás posiciones del alimentador. Esto se cumple
con una geometría de tierra plana y las medidas estudiadas. Cabe señalar que una
geometría de tierra compleja podría permitir uniformidad al patrón de radiación del
alimentador y así poder incrementar la eficiencia de la antena.
5. Los resultados en simulación de la antena parabólica con alimentador tipo patch
muestran que las modificaciones (perturbaciones) hechas en una antena Microstrip tipo
patch permiten lograr una baja pureza en polarización circular. 5.3dB en Theta 0 deg, en
1.7GHz. Según los resultados obtenidos en la realización de esta tesis.
6. Una antena patch con doble capa, con perturbaciones en el elemento radiante y sustrato
tipo aire permite una alta pureza de polarización circular, aproximadamente de -40° a 70°
Conclusiones
138
con una AR menor a 3dB. Y una pureza máxima de polarización circular de 0.7dB en
Theta 0°.
7. En la construcción de las antenas, se detallan ciertas diferencias de complejidad en la
elaboración. En el caso del alimentador helicoidal se requieren varias etapas de
construcción que permitan la elaboración de la antena, tal es el caso de la fabricación de
soportes, elaboración de la placa de tierra, adaptador de impedancia. Además, los
resultados muestran que se requieren 1.65m de diámetro de reflector para llegar a la
ganancia requerida; se tendría que utilizar con rotores que puedan generar mayor fuerza
para mover la antena.
8. En el caso de la antena patch se presenta mayor simplicidad en la construcción debido
a que sólo se realizan cortes de material y la utilización de soportes es mínima. Esta ventaja
se ve reflejada en una mayor eficiencia de la antena. Adicionalmente se requiere un
reflector de menor diámetro comparado con el alimentador helicoidal.
9. En base a las caracterizaciones de las antenas es importante mencionar que un reflector
de gran tamaño dificulta el proceso de medición en cámara anecoica disponible, además
tener en cuenta que para garantizar las correctas mediciones de ganancia de antenas de
gran tamaño, es importante considerar distancia mínima de campo lejano y cercano.
Teniendo en cuenta siempre la hoja de datos del fabricante que brinda aproximaciones
dependientes del tamaño de las antenas.
10. En el caso de la antena helicoidal muestran lóbulos de radiación laterales que
claramente reducen la directividad de la antena. La ganancia medida de la antena con
alimentador helicoidal difiere en menos de 2dB con respecto a los resultados en
simulación. Esto es debido a que la complejidad del modelo no permitió construirla de la
mejor manera. La poca exactitud en las medidas de la misma reduce la eficiencia de la
antena. En el caso del alimentador patch muestra alta directividad en el patrón de
radiación. La ganancia obtenida en simulación y en medición difiere en 0.6dB, lo que
Conclusiones
139
sugiere que las pérdidas en construcción son reducidas, por lo tanto la antena es más
eficiente.
11. Partiendo de los resultados anteriores, se diseñó un modelo de antena que por sus
parámetros eléctricos obtenidos puede ser implementado en una estación terrena satelital
en formato HRPT.
Recomendaciones
140
3.19. Recomendaciones
1. En simulación: Debido a que este tipo de antenas requieren optimización y
parametrización para mejores resultados. Se recomienda elaborar la simulación asignando
variables y funciones dependientes. Esto permite analizar el comportamiento de los
parámetros de control. Por otro lado, nos brinda mayor eficiencia al reducir el tiempo de
cálculo computacional. Un aspecto importante es dedicar exclusivamente el equipo a
realizar los cálculos computacionales, y dimensionar correctamente las especificaciones
de hardware con la magnitud del proceso que se quiere realizar.
2. En construcción del alimentador helicoidal: Es recomendable reducir la cantidad
de materiales dieléctricos existentes (soportes), estos materiales reducen la eficiencia de
la antena. Debido a que esta antena requiere un reflector de diámetro considerablemente
mayor se recomienda la utilización de un contrapeso al momento de instalarlo en el rotor,
para así reducir el esfuerzo de giro del mismo.
3. En construcción del alimentador patch: Se recomienda realizar los cortes y
ensamblajes con tecnologías como CNC laser de alta precisión, este aspecto que ya fue
mencionado es apartados anteriores es muy importante, pues, al momento del ensamblaje
de la antena se necesita alta precisión en las medidas.
4. En medición de las antenas: Se recomienda que al medir la antena el cámara
anecoica se siga con todas las recomendaciones de montaje para medición ofrecidas por
el fabricante. En especial considerar el tamaño de la antena a medir. Un mal escalado del
tamaño de la antena podría generar errores de medición.
Líneas Futuras de Investigación
141
3.20. Líneas futuras de investigación
El presente entregable de la tesis es pieza clave para la realización de un sistema de
recepción satelital en formato HRPT (High Rate Picture Transmission). Esto permitirá
realizar investigaciones en diseño de sistemas de recepción satelital.
El modelo de antena permite realizar investigaciones en el diseño de antenas patch.
Aspectos no realizados en la tesis es el diseño de otras geometrías planas de dos o más
capas. Diseño de distintas geometrías que permitan lograr una polarización circular
omnidireccional de tal modo que no permita el uso de rotores.
El procesamiento de las imágenes obtenidas es de vital importancia, es por eso que una
línea de investigación necesaria es el tratamiento de la información.
Bibliografía
142
BIBLIOGRAFÍA
[1] IEEE Standard Definitions of Terms for Antennas, IEEE Std. 145-1983.
[2] C. A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and design. Jonh Wiley and Sons, Third Edition.
[3] Antenna–Theory, “http://www.antenna-theory.com/basics/efficiency.php”
[4] Brookner, E., W.M. Hall, and R.H. Westlake. Faraday loss for L-band radar and
communications systems. IEEE transactions on Aeroespace and Electronics Systems, 21(4): 459-
469, 1985.
[5] Steven Gao, Qi L. Fuguo Z. Circularly Polarized Antennas, 2nd edn, John Wiler & Sons, Inc.,
2014.
[6] W. Tomasi, “”Sistemas de comunicaciones electrónicas”, Prentice Hall, cuarta edición, pag.
383.
[7] Trevor Bird. Definition and Misuse of Return Loss. IEEE Antennas and Propagation
Magazine, Vol. 51.N° 2, April 2009.
[8] User´s Guide for Building and Operations Environmental Satellite Receiving Stations, NASA,
2009.
[9] S. Orellana A., A. Torres P. (2016). Sistema de comunicación satelital para la obtención de
imágenes satelitales en alta definición (HRPT) usando SDR (Tesis de Grado), Universidad
Católica de Loja, págs. 47-51, Ecuador.
[10] Alvarez Busani, Carlos Wilfredo. Diseño y construcción de una antena Double Cross para
recepción de imágenes procedentes de satélites de órbita polar. Tesis de Grado. Universidad
Politécnica de Cataluña. 2012. 188p.
[11] Vera Navides, Bruce. Diseño y construcción de una antena cuadrifilar helicoidal para
recepción de imágenes transmitidas por satélites de órbita polar. Tesis de Grado. Universidad
Politécnica de Cataluña. 2012. 79p.
[12] Jaime Gachupin Coalt and J.E. Flores-Mena. Design and construction of an antenna in the
band of 1700 MHz, for the reception of meteorological images taken by satellites. 15th
International Conference on Electronics, Comunications and Computers (CONIELECOMP).
2005.
[13] William, F. Moulder, Bradley t. Perry and Jeffrey s. Herd, Wideband Antenna Array for
Simultaneous Transmit and Receive (STAR) Applications, Lincoln Laboratory, Massachusetts
Institute of Technology Lexington, Massachusetts, USA. 2014.
Bibliografía
143
[14] Encinar, J. A.; M. Barba, Diseño Construcción Y Medida De Un Reflectarray Para Antena
Terminal En Banda Ka, Actas del XXIII Simposium Nacional de la Unión Científica Internacional
de Radio (URSI 2008). Madrid, 22-24 Septiembre 2008.
[15] E. Carrasco-Yépez, M. Arrebola-Baena y J.A. Encinar, (2013). Desarrollo, análisis y diseño
de antenas del tipo reflectarray.
[16] Maysam L.; S. Irteza; S. Caizzone (2015). Compact Dual-Band Dual-Polarized Antenna
Array for Robust Satellite Navigation Receivers. Thuringian Center of Innovation in Mobility, RF
and Microwave Research Laboratory, Technische Universität Ilmenau, Germany.
[17] Nakano, J. H.; H. Mimaki, Backfire radiation from a monofilar helix with a small ground
plane, IEEE transactions on Antennas and Propagation, Vol. 36. N° 10, October 1988, pp. 1359-
1364.
[18] Jhih-Ming; Jia-Fu Tsai and Jeen-Sheen Row, Wideband Circularly Polarized Slotted-Patch
Antenna with a Reflector, Proceedings of 2014, Kaohsiung, Taiwan, 2014.
[19] J. D. Kraus, A 50-Ohm Input Impedance for Helical Beam Antennas, IEEE transactions on
Antennas and Propagation, Vol. AP-25. N° 6, November 1977, page. 913.
[20] D. W. Liao, X. Y. Wang, B. Zhou and F. Wei. A novel Impedance Matching Method of Helix
Antenna. Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT), 2016 IEEE International
Conference on. Beijín. China. 2016.
[21] S. Orellana A., A. Torres P. (2016). Sistema de comunicación satelital para la obtención de
imágenes satelitales en alta definición (HRPT) usando SDR (Tesis de Grado), Universidad
Católica de Loja, págs. 47-51, Ecuador.
[22] Milligan, Thomas A. “Modern Antenna Design,” Wiley-IEEE Press; 2nd edition, July 11,
2005.
[23] S. Sevak Singh, Sheetal R. Bhujade. Design and Evaluation of High Gain Microstrip Patch
Antenna Using Double Layer with Air Gap. International Journal on Recent and Innovation
Trends in Computing and Communication, Volume: 3 Issue: 3. 2015.
[24] Khushnoo Naruka, Sudhir Kumar S. Design and Analysis of Double layer Microtrip Patch
Antenna. International Journal of Modern Communications Technologies & Research. ISSN:
2321-0850, Vol: 2, Issue-1. 2014.
[25] WiNRADiO HRPT System “Online Shop”, [en linea], recuperado de:
https://www.winradio.com/home/ax400d.htm. [Consulta del: 03/06/2017].
[26] Yaesu the Radio, G-5500 Operation Manual, “Instruction Manual G5500”, [en linea],
recuperado de: www.yaesu.co.uk/files/G-5500%20Operating%20Manual_a.pdf. [Consulta del:
03/06/2017].
Bibliografía
144
[27] Satélite meteorológico NOAA, Asociación Española de Radio Aficionados, Recuperado de:
http://www.ea.amsat.org/meteo/3/3.htm. [Consulta del: 24/07/2017].
[28] A. Nussbaum N. (2011). Diseño del transceptor individual de los elementos radiantes
constituyentes de una antena reconfigurable en comunicaciones por satélite y móviles (Tesis de
Grado), Universidad Politécnica de Madrid, págs. 50-56, España.
[29] EASY-ROTOR-CONTROL, ERC-M SMD “Online Shop”, [en línea], recuperado de:
http://schmidt-alba.de/eshop/product_info.php?products_id=30 [Consulta del: 16/08/2017].
[30] Luciano Giménez. (2008). Automatización de un Sistema de Medición de Antenas en Cámara
Anecoica (Tesis de Grado), Universidad Nacional de La Plata, Argentina.
[31] Ficha de Datos del Sistema de Medición de Antenas MVG SG-64, Recuperado de:
http://www.mvg-world.com/es/system/files/SG64_2014_bd.pdf. [Consulta del: 20/08/2017].
[32] V. Rodriguez Pereyra. Introducción a las Cámaras Anecoicas para Mediciones de Campo
Electromagnético, Simposio de Metrología. México 2004.
Anexos
145
Anexos
Exposición en congresos:
•8th International Symposium on Space Technology and Applications. Lima, Peru. 3-6
October, 2016. Design of a System Image Reception of Polar Orbiting Weather Satellites in
APT and LRPT Format, Using RTL-SDR.
Publicaciones:
•International Conference on Future Generation Communication Technologies (FGCT 2017).
Irish Computer Society, Dublin, Ireland. August 21-23, 2017. Title: Design of a Parabolic
Patch Antenna in band L, with Double Layer and Air Substrate, for Weather Satellite
Reception.
Simulaciones:
•Antenna patch Hybrid.hfss
•Parabolic Patch Antenna Hybrid.hfss
•Helix Antenna.hfss
•Parabolic Helix Antenna Hybrid.hfss