Esta es la tercera edici!n del libro: "Propagaci!n y Antenas# que, en su segunda edici!n, tuvo el ttulo: "Teora de Antenas y Comunicaciones Va Satélite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
Ing. Horacio Daniel Vallejo $%, H%' #% # % %% ''%' : % % / H%' $% ; + H%' $%. - 1% . - B A : %, 2009. 80 . ; 28<20 '. 3% . - B A: A: %, 2017 - E. E. +% 80 ?+% I"BN 978-987-623-198978-987-623-198-5 5 1. E''%. 2. C'%' "%. I. $%, H%', H%', . II. # CDD 621.384 156 F'% '%%+%': 04/12/2009 - 23/10/2017
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Hace más de 100 años que el ser humano puede comunicarse utilizando ondas electromagnéticas y si bien la tecnología ha avanzado a pasos agigantados, SIEM - PRE es preciso emplear un elemento irradiante, tanto para transmitir como para recibir información. En este capítulo desarrollaremos en forma simplificada la teoría de antenas, describiendo incluso, a las parabólicas.
Definición de Antena Una antena podría denominarse como un “ARREGLO” que transforma una corriente eléctrica alternada en ondas electromagnéticas o viceversa. También podría definirse como un sistema de conductores que irradia o capta ondas electromagnéticas. En esta artículo veremos los aspectos principales que hacen al funcionamiento de las antenas y las guías de transmisión.
1. ANTENAS OMNIDIRECCIONALES 2. ANTENAS DIRECCIONALES Las antenas omnidireccionales son aquellas que irradian un campo en todo su contorno en la forma de una figura geométrica circular sin agujero central. Las antenas direccionales son aquellas las que es posible dirigirles el campo de irradiación hacia uno o más lugares, en forma instantánea, esto dependerá del concepto de cálculo y forma de construcción. Una antena vertical es, por naturaleza, generalmente omnidireccional y la antena horizontal tipo dos polos es por lo general direccional o directiva. Existen innumerables y variados tipos de antenas construidas por el hombre, tales como verticales, plano de tierra, cuadracúbicas, de alambre largo (long wire), yagis, quagis, dipolos plegados, doble Lazy, de período logarítmico colineales, doble zeppellin, parabólicas, rómbicas, etc. 3
Tr a t a re m o s solamente en forma inicial sobre la antena Yagi del tipo direccional (llamada así en honor a su inventor, un profesor japonés de apellido Yagi) y entre éstas la más primitiva y elemental, como es el dipolo, que muchos radioaficionados habrán fabricado. A este simple dipolo, construido por lo general con alambres, veremos más adelante que es posible agregarle más elementos (sintonizados o desintonizados), con los cuales se van formando antenas direccionales de buenos rangos de eficiencia en la relación recepción-transmisión de ondas electromagnéticas y que son la base de los contactos entre radioaficionados. En la figura 1 se muestra el típico dipolo de media onda en su forma básica, de uso ampliamente generalizado en las bandas de cuarenta y ochenta metros, con los cuales es posible efectuar excelentes contactos a pesar de tener ganancia unitaria, dipolo en la figura en forma horizontal. HERTZ fue quien ideó y fabricó la primera antena de radio por el año 1884 aproximadamente cuando hacía experimentos de
Figura 2
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Figura 1 comunicaciones; aumentó con ello en forma substancial los precarios conocimientos que se tenían de las antenas y sus propiedades. En la actualidad los “arreglos” usados para trasmisión y recepción de ondas electromagnéticas distan mucho de aquella precaria antena fabricada por Hertz, pero su teoría básica sigue siendo la misma de aquella época.
La Trasmisión de Ondas Electromagnéticas La figura 2 muestra el concepto de trasmisión de ondas efectuada por un trasmisor siguiendo por una línea de trasmisión hasta la antenas, que es la encar-
Figura 3
ambas difieren en los aspectos básicos de irradiación de las ondas.
Propiedades Generales de las Antenas Damos, a continuación, las definiciones de algunos conceptos básicos atinentes a la teoría de antenas:
gada de irradiar las ondas al espacio. Un campo electromagnético variable en el tiempo puede ser propagado a través del espacio vacío a la velocidad de la luz. La onda así propagada está constituida por CAMPOS ELECTRICOS (E) y CAMPOS MAGNETICOS (H) según se puede apreciar en la figura 3. La onda electromagnética plana puede ser representada en función de sus campos. Se dice que la onda está polarizada verticalmente cuando su campo eléctrico es vertical y que está polarizada horizontalmente cuando su campo eléctrico es horizontal.
NOTA: La onda originada en una fuente puntual en el espacio se expande en esferas crecientes, cuyo centro siempre es la fuente (tiene polarización mixta). El camino del rayo de energía desde la fuente productora hasta cualquier punto de la esfera es una línea recta y a una distancia grande el frente de onda no se percibe esférico, sino que aparentemente se percibe como una superficie plana. La onda electromagnética, viajando a través del espacio, es muy difícil de comprender sin recurrir a las Ecuaciones de Maxwell que conforman la herramienta básica para el análisis de la mayoría de los problemas de las ondas electromagnéticas. Para resumir podemos acotar que una antena montada en forma horizontal a la tierra está polarizada horizontalmente y cuando la antena está instalada en forma vertical se dice que está polarizada verticalmente. Más adelante veremos que las propiedades de
RESISTENCIA DE RADIACION ( Rr ): Es una resistencia ideal que agregada al circuito resonante equivalente a la antena, disipa la misma potencia calórica que la antena irradia realmente en el espacio. Esta alcanza un valor máximo cuando el conductor es resonante. ANGULO DE RADIACION ( r ): Es el ángulo sobre el horizonte con respecto al eje del lóbulo principal de radiación que va ligado directamente a la polarización de la antena (horizontal o vertical) como a la altura por sobre la superficie del suelo, frecuencia de funcionamiento, etc. ANTENA IMAGEN: Es una antena imaginaria o “imagen especular” de una antena real, donde las direcciones del flujo de corriente son diferentes (tal como mirados de frente a un espejo) donde además su polarización eléctrica instantánea es de signo opuesto. La diferencia de fase entre la antena real y antena imagen es de 180° cuando la antena está colocada en forma horizontal al plano de tierra, y para el caso del dipolo vertical la antena real y su imagen están en fase. IMPEDANCIA DE LA ANTENA: La impedancia de entrada de una antena podríamos definirla como la impedancia presentada por una antena en sus terminales o como la relación de la tensión-corriente en un par de terminales o como la relación de los componentes apropiados del campo eléctrico-magnético en un punto cualquiera. Luego podemos decir que si la 5
corriente y la tensión están en fase, la impedancia es puramente resistiva y la antena es resonante. Cuando la antena no es resonante (corriente y tensión fuera de fase) la antena posee reactancia y resistencia.
NOTA: El concepto anterior está referido para un dipolo alimentado al centro (figura 1). POLARIZACION DE LA ANTENA: Como fue explicado anteriormente las antenas pueden estar polarizadas vertical u horizontalmente, según sea el campo eléctrico de la antena (Campo eléctrico [E])
de la antena calculada entre su lóbulo principal y el lóbulo opuesto (y se relaciona para antenas direccionales o directivas)
(Q) DE LA ANTENA: El factor Q de la antena es la medida del factor de calidad o factor de mérito y se le expresa como selectividad de la antena. DIRECTIVIDAD DE LA ANTENA: Es la capacidad de una antena para concentrar el máximo valor de radiación en una dirección deseada seleccionando el objetivo donde se desea trasmitir o recepcionar en el caso inverso.
GANANCIA DE LA ANTENA: Se llama ganancia de Longitud de Onda ( la antena a la relación del poder entregado por la antena (que generalmente está relacionado con su directividad) y su unidad de ganancia se expresa en decibeLa onda electromagnética viaja en el espacio a una les (dB) velocidad cercana a los 300,000 kilómetros por segundo, según sea el medio en que lo hace, por lo que podemos calcular que una onda de radio demora aproDECIBEL: Decibel (dB) es la unidad de medida para las relaciones de poder entregado por una ante- ximadamente 1/7 de segundo para dar la vuelta al na y representa un cambio detectable en la fuerza de mundo, si sigue las líneas del círculo máximo. la señal, mirado como valor actual de tensión de dicha El concepto de la onda se desarrolla porque una señal. corriente eléctrica alterna fluye a través de un alambre (antena), así mueve campos eléctricos y magnéticos. EFICIENCIA DE LA ANTENA: Es la relación Esta onda tiene un largo específico llamado largo de entre la resistencia de radiación de la antena con onda que se representa por la letra griega (!) y es la respecto a la resistencia total del sistema trasmisor medida en que una emisión de onda, en una frecuenque incluye la resistencia de radiación, la resistencia cia dada con respecto al largo físico de la antena, la de los conductores, la de los dieléctricos, incluidas mantienen en resonancia. las bobinas si se usan en el sistema, así como la resistencia de la tieFigura 4 rra. ANCHO DE BANDA DE LA A NTE NA : Es la medida de su aptitud para funcionar en una gama especificada de frecuencias en buenas condiciones de resonancia. R E L A C I O N P E C H O - E S PA L D A (FRONT TO BACK): Es la relación de irradiación 6
Figura 5
La ecuación para calcular el largo de onda puede ser resumida como sigue: 300 ! (Lambda) = ––––––––––––––– ( metros) Frecuencia (MHz) Es preciso aclarar que la longitud física o geométrica de un elemento varía ligeramente con respecto a la longitud eléctrica del mismo fundamentalmente a causa del diámetro usado en el elemento para construir la antena, (por ejemplo antenas de alambre, tubo, etc.) y además por el efecto de cuerpos próximos al elemento irradiador o antena (figura 4). Cuando se aplica potencia de radiofrecuencia (RF) a una antena, esta potencia es irradiada en el espacio; la antena actúa como carga para el trasmisor de radio, y esta base de referencia puede compararse con un circuito eléctrico en lo referente a la relación corriente/tensión y su potencia disipada con una carga artificial. (Este concepto se explica como Resistencia de Radiación.)
La potencia necesaria para producir una corriente en un circuito está relacionada en forma directa con la corriente que debe fluir a lo largo del circuito y por ende de su resistencia y tensión aplicada. La unidad de potencia es el Watt que corresponde a la cantidad de potencia necesaria para producir una corriente de un ampere con una energía aplicada de un volt al circuito. Luego la potencia representa un consumo de energía por unidad de tiempo. Como en el circuito existe un flujo de electrones libres que chocan constantemente con los átomos de la materia (conductor); esto produce un desprendimiento de energía traducida en calor disipado por el circuito y se calcula por las siguientes fórmulas. P = I2 x R (EXPRESADA EN WATT) P = E x I (EXPRESADA EN WATT) P = E2/ R (EXPRESADA EN WATT)
Cálculo Simplificado de una Antena Resonante Dipolo de Media Onda
El largo de una antena resonante (es decir la medida física del largo de una antena sintonizada) no es exactamente el largo de la medida calculada con la fórmula del largo de onda (!) o largo eléctrico de la antena. Por diferentes motivos que explicaremos más adelante, el largo físico de la antena para poder resonar, generalmente es más corto que el largo eléctrico debido a los efectos de la relación largo/diámetro de la antena y el efecto de punta de la misma. NOTA: Por ser de interés incluiremos los concep - A este factor de corrección del largo físico lo denotos básicos de la Ley de Ohm por las similitudes que minaremos con la letra “k” que tendrá valores entre tiene con los conceptos de las antenas (figura 5). 0,9257 y 0,9772, esto depende de la relación largo/diámetro entre 10 hasta 4.000 veces según la banda de LEY DE OHM: La corriente (I) en ampere que cir- trasmisión a calcular. cula por un circuito es igual al cociente entre la Tensión El factor (k) deberá ser aplicado al largo eléctrico (E) en Volt aplicada al circuito y la Resistencia del para acortar físicamente la antena y hacerla así resoCircuito (R) expresada en Ohm. nante. 7
k . 150 L(a) = ––––––– (metros) f (MHz)
ciar el efecto de la cercanía de la misma), la radiación del campo magnético toma la forma mostrada en la parte superior. Si la antena es montada cerca de la tierra o de otro objeto conductor, el diagrama de irradiación dejará de ser concéntrico o regular. Esto es debiEjemplo: Calcular una antena dipolo para operar en la banda do principalmente a la influencia de las ondas reflejade cuarenta metros, y ajustarla a la frecuencia de das que se sumarán vectorialmente a las ondas generadas por la antena. 7,1MHz. Hacerla en alambre de cobre. Cuando estas ondas (real y reflejada) se suman 1.- Se debe determinar el factor K según tabla vectorialmente aumenta la fuerza del campo irradiado apropiada. En nuestro caso es k = 0,9513 s/g y viceversa. Este efecto tiene mucha importancia cuando el dipolo está montado cerca de la tierra aun(largo/diámetro). 2.- Se debe calcular el dipolo aplicando la fórmula que no afecta el diagrama de irradiación de una antevista (0,9513 x 150 / 7,1) = 20,098 metros. na vertical u horizontal, pero referida solamente a la 3.- Determinamos la medida de cada polo ( 20,098 radiación contenida en el plano horizontal. / 2 ) = 10,049 metros por lado. Es necesario aclarar que las representaciones grá4.- El cálculo fue efectuado para dipolo libre de ele - ficas de los diagramas de irradiación corresponde a mentos desintonizadores en su cercanía, destacamos una antena hipotética llamada “radiador isotrópico” (o que el ajuste final de la antena deberá hacerse cuan - antena ideal) y se han mostrado para establecer una do ya está instalada en su lugar de operación con base de cálculo para las antenas reales, las que en realidad no tienen la misma intensidad en todas las todos los elementos circundantes. direcciones por igual, presentando unas intensidades Ciertamente cada radioaficionado o el instalador máximas y mínimas que dependen del diseño o de la de antenas de TV tiene sus propias medidas para corcercanía de objetos que lo distorsionen. tar sus antenas dipolos y sus propias fórmulas, correPara comprender y estudiar las características de gidas por la experiencia práctica, y que son tan válidas irradiación de las antenas, representaremos sus diacomo este cálculo para aplicar la teoría y sus concep- gramas en forma plana, que son el resultado de cortar tos. El dipolo horizontal tiene una radiación bidireccional teórica; es decir, irradia en forma perpendicular a la línea del dipolo y con la misma intensidad para cada lado.
Diagrama de Radiación de una Antena Dipolo de Media Onda El campo irradiado por una antena omnidireccional tiene una forma circular. Para poder representar las características de irradiación de una antena (que son diagramas de irradiación tridimensionales) recurriremos a la representación plana con el motivo de comprender el concepto que encierra (figura 6). Si se suspende una antena dipolo en el espacio libre o a una altura suficiente de la tierra (para poder despre8
Figura 6
Figura 7 la figura geométrica para quedar como la vista del corte (diagrama superior).
Plano de Irradiación Como explicamos anteriormente, es muy difícil representar los diagramas de radiación en forma tridimensional, por lo que para su estudio y discusión presentamos un corte seccional plano, en el que tomamos como centro la antena o elemento irradiador representado en la figura 7. Las áreas encerradas entre líneas punteadas representan el diagrama plano (E) de una antena de media onda. Se puede observar que el campo irradia-
Figura 8
do es perpendicular a ésta y tiene una magnitud igual para cada lado de la antena (y tal como explicáramos, del radiador isotrópico o ideal). Luego, las antenas reales (que tienen siempre en sus cercanías elementos físicos que alteran su campo irradiado) pueden calcularse tomando como base la figura 7 que representa el campo eléctrico (E) de una antena media onda. En las antenas simples (como el dipolo de referencia) la ganancia suele ser modesta y no tiene una relación apreciable pecho-espalda (adelante-atrás) y su lóbulo es de tamaño igual para ambos lados, motivo por el cual se puede llamar bidireccional lo que está expresado en la figura superior. El sistema de coordenadas del gráfico (donde está representado el lóbulo principal de irradiación) está compuesto de círculos concéntricos que representan la graduación de la escala de decibeles (círculos que por comodidad han sido encuadrados dentro de un cuadrilátero). El eje central de partida del lóbulo (donde la irradiación es cero) representa la antena dipolo de media onda.
Representación por Sistema de Coordenadas Dada la importancia de las representaciones gráficas en el ramo de las antenas (ya que generalmente efectos de leyes físicas y fórmulas se representan de esa manera), estimamos de interés incluir un pequeño recordatorio de los sistemas de coordenadas, que será muy conveniente para entender otros conceptos. El sistema de coordenadas cartesianas determina la situación de un punto con respecto al plano, referidas sus distancias a dos rectas perpendiculares entre sí (en forma de cruz) llamadas “ejes de coordenadas”. En la representación gráfica de la figura 8 llamamos eje vertical al eje de las “Y” y eje horizontal al eje de las “X” 9
y la intersección entre ambos ejes se llama origen. Para situar un punto dentro de estos ejes, debe ser acompañado de dos variables (ejemplo punto 2,3) que significa que el punto está con un valor de X = 2 (eje de las absisas) y un valor de Y = 3 (eje de las ordenadas). Se ha convenido que desde su centro (origen) de valor = 0, los valores de X hacia la derecha sean los positivos (signo +) y hacia la izquierda sean los negativos (signo -), del mismo modo en el eje de las Y hacia arriba sean positivos (signo +) y hacia abajo sean negativos. Además del sistema de coordenadas cartesianas existe otro sistema, llamado de coordenadas polares, para definir la situación de un punto “O” de una línea en un plano (figura 9). Esta es una definición algebraica de la situación del punto, que queda determinado por su distancia al origen “O” y con el ángulo que forma con el eje llamado OX. En la figura, el punto se define por la longitud “OP”, conocida como radio vector y por el ángulo llamado ángulo vectorial.
Antenas de Uso General Sin duda, dentro de las propiedades de las antenas, la que tiene más efecto para trasmitir de un punto a otro, es el ángulo de radiación (afectado por la altura sobre el suelo) y la impedencia, que permite una buena adaptación a las líneas de trasmisión con antenas y equipos, con objeto de lograr el máximo de eficiencia en la ganancia de salida. Bajo circunstancias normales, las ondas electromagnéticas en H.F., siguiendo la trayectoria del círculo máximo, se propagan a distancias largas, hasta el área elegida como meta o blanco de destino de la trasmisión. La reflexión ionósfera de esta trayectoria es más efectiva cuando la onda se propaga en el sentido del lóbulo principal de radiación a un cierto ángulo (denominador) por sobre el horizonte. Generalmente este lóbulo en antenas moderadas en trasmisiones de H.F. es muy ancho y ocupa una área grande delante de la antena, con la cual ésta rocía una gran sección de la ionósfera con la energía irradiada para permitir la posibilidad de que llegue en buena forma al punto de 10
Figura 9 destino. Este ángulo de radiación es afectado por la altura sobre el suelo, la polarización elegida para la antena y la frecuencia de funcionamiento. El cálculo del ángulo vertical de radiación se hace partiendo del concepto de “antena imagen”, a fin de establecer la efectiva reflexión de las ondas electromagnéticas (para esto suponemos que la superficie de la Tierra bajo la antena es plana y perfectamente conductora).
Nota: en condiciones reales la conductividad del suelo varía ampliamente con la ubicación geográfica (donde, en áreas de mala conductividad superficial, la verdadera superficie reflectante puede estar ubicada a varios metros bajo el suelo), las capas superficiales se comportan como dieléctrico, que actúa sobre las ondas de radio y causa pérdidas en su ganancia. Si la amplitud de la onda reflejada se reduce por pérdidas del suelo, su característica vertical se verá afectada lo mismo que la impedancia en el punto de alimentación de la antena. El principal efecto del dieléctrico es absorber una gran parte de la energía radiada; por lo cual, la magnitud de sus lóbulos resulta seriamente disminuida por la cantidad de energía perdida y los nulos tienden a ser oscurecidos. Para lograr un suelo perfectamente conductor se debe instalar una pantalla de tierra bajo la antena, extendida por lo menos media longitud de largo de onda en cada dirección, desde el centro de la antena hacia afuera (radiales de las antenas verticales).
ANTENA IMAGEN : La antena imagen se “establece” por debajo del plano de tierra (como mirada en un
Figura 10
espejo), tal como se observa en la figura 10. Esta antena imagen especular, situada a una misma distancia bajo tierra que la real (como se observa en la imagen) emite un rayo reflejado que, en algún punto distante, se combina con el directo y depende su resultante de la orientación de la antena con respecto al suelo. Si ambos rayos están en fase se suman y, por el contrario, si llegan en oposición de fase, el campo resultante es la diferencia entre ellos (vale aclarar: se restan los campos).
Líneas de Trasmisión Las estaciones de radio básicamente están compuestas por un equipo trasmisor-receptor (transceiver), una antena y para acoplar ambas cosas se usa una línea de trasmisión cuya finalidad es hacerlo de forma más eficiente. Podemos diferenciar las líneas de transmisión entre las formadas por dos conductores paralelos (líneas balanceadas) y las coaxiales (líneas desbalanceadas), que corresponden a los coaxiales comúnmente usados por los radioaficionados (RG8 RG58 - RG59, etc).
RELACION DE ONDAS ESTACIONARIAS: Cuando una línea de trasmisión lleva potencia a una carga que la carga no disipa completamente, decimos que la línea tiene una componente reactiva, indesea-
ble, que hace que parte de la señal vuelva hacia la fuente emisora (equipo de radio). Esta potencia devuelta se llama componente reflejada que fluye en sentido contrario a la componente directa (la que va del trasmisor de radio a la antena) y como hay dos ondas que fluyen en sentido contrario, éstas se suman vectorialmente para producir ondas (denominadas ondas estacionarias) en la línea de trasmisión. La relación entre los valores máximos y mínimos de tensión de RF en la línea se denomina R.O.E (relación ondas estacionarias) y resulta una medida de relación de “desajuste” de la impedancia entre la línea y la carga o viceversa (en inglés se denomina S.W.R.).
IMPEDANCIA DE LA LINEA: Tal como indican las tablas, la línea de trasmisión coaxial tiene una impedancia característica, la que debe ser adaptada a la impedancia de la antena, para evitar esta relación de ondas estacionarias y, por ende, un desmejoramiento en el sistema transmisor. LINEAS BALANCEADAS DE TRASMISION: Se denominan así las que están formadas por dos conductores paralelos en proximidad física y generalmente van espaciadas por medio de separadores (para mantener paralelismo), mediante aisladores de porcelanas, poliestireno, etc. y que trabajan abiertas (al aire). Las fabricadas en forma comercial tienen por lo general impedancias características elevadas, del orden de 300!, 450! o 600!. LINEAS COAXIALES O DESBALANCEADAS : Se llaman líneas desbalanceadas las concéntricas que poseen dos conductores (interno y externo), con un espaciado constante entre conductores y muy usadas hoy en las instalaciones modernas por su fácil instalación entre equipo y antena (el conductor interno generalmente es de alambre que va recubierto con un aislante y envuelto en una malla metálica). ATENUACION POR LINEA DE TRASMISION : Dada su construcción física, las líneas de trasmisión son una combinación de constantes capacitivas, resis11
Figura 11
tivas e inductivas y como tienen elementos conductores, tienen también agregada una cierta resistencia. La suma de estos componentes hace que las líneas tengan pérdidas, que varían logarítmicamente con el largo de la línea y dichas pérdidas se expresan en decibeles por unidad de largo. La atenuación aumenta a medida que se eleva la frecuencia de funcionamiento, aunque no en proporción directa a ese cambio.
BALUNES (BALANCED TO UNBALANCED): En los cables coaxiales, la corriente fluye por el conductor interno y es balanceada por una corriente igual que fluye en dirección opuesta por la superficie del conductor (malla). Al acoplar esta línea desbalanceada (coaxial) a una antena dipolo (de carga balanceada en dos polos iguales), se produce un efecto de desbalance cuyo resultado es que una corriente neta fluya de regreso a tierra por la parte externa del conductor. La cantidad de corriente I(3) que fluye por la parte externa está determinada por la impedancia Z(g) de la malla externa a tierra (vea la figura 11). Si esta impedancia se logra hacer grande, la corriente I(3) será reducida considerablemente. El dipositivo que se usa en esos casos es un adaptador 12
de impedancias balanceadas a desbalanceadas, para cancelar la corriente I(3) que fluye por la parte externa y que es llamado BALUN (abreviación de la palabra inglesa “ BALANCED TO UNBALANCED”) . Estos balunes pueden hacerse de las más variadas formas y materiales pero el “tradicional” es el balún 1:1, que adapta el sistema pero sin transformar la impedancia de la línea (balún relación 1:1). Nota: existen balunes que además pueden transformar la impedancia para adaptar las líneas (ejemplo balún 4:1 usado en TV para adaptar cable paralelo de 300! a cable coaxial RG-59 de 75! de impedancia).
Atenuaciones y Pérdidas Damos a continuación, algunos valores de atenuación y pérdidas por ROE para el cable coaxial RG-8U, ampliamente utilizado por los radioaficionados como línea de transmisión.
Atenuación f = 3,5MHz 0,25dB cada 30 metros largo de cable f = 7,0MHz 0,45dB cada 30 metros largo de cable f = 14MHz 0,65dB cada 30 metros largo de cable
f = 21MHz 0,80dB cada 30 metros largo de cable f = 28MHz 0,97dB cada 30 metros largo de cable
Pérdidas por ROE R.O.E. 1 : 1,2 implica 0,05dB aproximados R.O.E. 1 : 1,5 implica 0,10dB aproximados R.O.E. 1 : 1,8 implica 0,15dB aproximados R.O.E. 1 : 2,0 implica 0,23dB aproximados Hemos incluido estos valores para tener una referencia que permita calcular una sencilla antena y las pérdidas de ganancia de salida para diferentes valores del ROE en la línea de trasmisión.
Antenas para TV (Analógica y TDT): Diseño, Construcción y Soluciones para Ver Mejor En servicios de amplitud modulada estamos acostumbrados a tratar con señales cuyas bandas laterales poseen sólo algunos kilociclos a cada lado de la portadora, mientras que en FM dicho ancho de banda
Fig. 12
puede extenderse a lo sumo a 200kHz. En los dos casos, la modulante es una señal de audio que permite tener un ancho de banda relativamente reducido pero en transmisión de señales de TV, forzosamente la señal de video requiere un ancho de banda mayor para que la imagen reproducida tenga buena definición. Normalmente se habla de un video con un ancho de banda de 4,5MHz o más. En la norma N empleada en Argentina y México (difieren en el sistema, uno es PAL y el otro es NTSC) la portadora de video se modula en amplitud, en lo que se denomina sistema de banda lateral vestigial, que consiste en enviar una banda lateral completa (4,2MHz) y un pedazo (vestigio) de la otra banda lateral (0,75MHz), con el objeto de reducir el ancho de banda total. El sonido se modula en frecuencia sobre una portadora que está 4,5MHz por encima de la portadora de video, con un ancho de banda total de 0,5MHz, tal como se puede observar en la figura 12. Estas características condicionan el diseño de las antenas receptoras ya que se requiere un ancho de banda elevado para frecuencias portadoras que, como se sabe, no pueden ser inferiores a 10 veces el ancho de banda. Por tal motivo se eligen tres bandas de transmisión de señales de TV, dos en VHF y una en UHF. Los canales 2 al 6 ocupan frecuencias que van desde 54MHz hasta 88MHz, los canales 7 al 13 (denominados canales altos de VHF) abarcan desde 174MHz hasta 216MHz y, por último, los canales 14 al 84, ya en UHF, se encuentran por encima de los 400MHz. Es fácil darse cuenta, entonces, que las dimensiones de las antenas para TV no serán muy grandes. El caso extremo, correspondiente a canal 2, necesitará un largo inferior a los 3 metros. El inconveniente se presenta en que deben tener un factor de mérito (Q) bajo, ya que el ancho de 13
banda es grande. Para que el Q sea bajo, la inductancia de la antena debe ser baja y la capacidad alta por lo cual no se podrán utilizar alambres como radiadores; esto obliga al empleo de caños como detallaremos más adelante. Esto último difiere del caso empleado en radiocomunicaciones, donde es esencial tener buena ganancia y selectividad, por lo cual se prefiere el uso de conductores de pequeño diámetro o incluso alambres. Pero éste no es el único inconveniente, pues atendiendo a las leyes de propagación de las ondas electromagnéticas, la comunicación por TV debe establecerse a través de las ondas terrestres, ya que las ondas de espacio penetran mucho en la alta atmósfera y hacen que las ondas reflejadas caigan fuera del globo terráqueo lo que descarta este modo de comunicación. La onda terrestre, por tratarse de frecuencias superiores a los 50MHz, se propaga en forma rectilínea en todas direcciones, por lo cual, el área de servicio estará íntimamente ligada a la altura de las antenas. En realidad, en la práctica se supera el alcance teórico debido a sucesivas refracciones que ocurren cerca de la corteza terrestre influenciadas por el campo magnético terrestre, lo que hace que el rayo emitido se curve ligeramente hacia la Tierra en lugar de seguir una línea recta. Podemos determinar empíricamente la distancia “A” máxima de separación entre antena tansmisora y receptora en función de sus alturas (h1 y h2 respectivamente). — — A = 5,4 ( " h1 + " h2) donde: A = separación máxima entre antenas receptora y transmisora para que haya comunicación (en km) h1 = altura de la antena transmisora (en m) h2 = altura de la antena receptora (en m) Por ejemplo, si la antena transmisora tiene una altura de 169 metros y la receptora está ubicada a 16 metros de altura, el alcance máximo será: — — A = 5,4 ( " 169 + " 16) = 5,4 (13 + 4) = 91,8km Como conclusión, es necesario dar a las antenas la máxima altura posible. Si se desea saber cuál debe ser la altura mínima 14
Figura 13
h2 que hay que darle a la antena receptora conocida la distancia que la separa de la transmisora y la altura de ésta, puede despejarse la fórmula anterior: A __ h2 = (––––– - " h1 )2 5,4 Una característica a tener en cuenta es que para recepción de señales de TV se emplea polarización horizontal, resulta común el uso de dipolos de media longitud de onda, que presentan una impedancia de aproximadamente 73!, y se comportan como una carga puramente resistiva. En la medida en que nos alejamos del centro, la impedancia aumenta hasta hacerse teóricamente infinita en los extremos; por tal motivo a lo largo de la antena se tiene una componente resistiva y una componente reactiva. Incluso en el punto de alimentación, en determinados casos, puede no ser puramente resistiva y presentar una componente reactiva, si la señal tiene una frecuencia que no es la de resonancia de la antena. Para un dipolo de media onda, la figura 13 muestra cómo varía la impedancia en función de la frecuencia, que es mínima para la frecuencia de resonancia de la antena. Para una señal de frecuencia mayor que la de resonancia (fo), la antena presenta una componente inductiva, y para una señal de frecuencia inferior a fo, presenta una componente capacitiva. Dicho de otra forma, una antena se comporta como una bobina para frecuencias superiores a fo y como un capacitor para frecuencias inferiores a fo. De lo expuesto anteriormente surge que una bobina en serie con una antena alargará ficticiamente la longitud de ésta mientras que al intercalar un capacitor en serie, el irradiante se comportará como un dipolo de
Figura 14
longitud menor. La inductancia de una antena será tanto mayor cuanto más delgado sea el alambre y la capacidad aumentará siempre que sea mayor el diámetro del dipolo, por lo tanto, un dipolo hecho con caños gruesos presentará una inductancia pequeña y una capacidad grande, con lo cual la relación L/C será pequeña, el Q será bajo y la antena podrá recepcionar señales con un gran ancho de banda. La figura 14 muestra tres curvas correspondientes a tres antenas de igual largo pero construidas con conductores de distinta sección. La (1) está construida con alambre fino, la (2) con alambre grueso y la (3) con caño de diámetro considerable. Si bien la eficiencia de la antena es el factor más importante en radiodifusión por lo expuesto hasta el momento, en televisión pesa
más el hecho de que la señal posea un ancho de banda considerable. Como el factor Q depende de la relación entre el largo y el diámetro del irradiante, en TV se tiende a utilizar antenas cortas y gruesas (con caños de diámetro mayor que 10 mm); así surge como óptimo el dipolo plegado por tener buenas cualidades en banda ancha. En resumen, las antenas de TV serán horizontales, empleando dipolos de media longitud de onda construidos con caños gruesos.
Antenas Clásicas para TV La antena utilizada por excelencia en recepciones de señales de TV es el dipolo plegado, que se caracteriza por su bajo Q, porque es fácil de instalar y porque su impedancia puede adaptarse fácilmente. La configuración junto con su equivalente eléctrico se muestra en la figura 15 y como se puede observar se trata de dos dipolos de media onda conectados en paralelo desde sus extremos, uno de ellos no posee alimentación central y como en ese punto no posee tensión se lo suele emplear para sujetar el dipolo al botalón. Se sabe que la antena se comporta como un circuito resonante que provoca un desfasaje entre tensión y corriente de 90°. Siendo la tensión máxima entre los extremos y nula en el centro, por el contrario, la corriente será máxima en el centro y nula en los extremos. Se sabe además, que la tensión multiplicada por la corriente indica la energía entregada a la antena y que dicha energía (potencia en el tiempo) puede ser expresada por el producto de la corriente elevada al cuadrado por la impedancia P = I2 . Z En un dipolo de !/2 circulará una corriente I por una impedancia de 73! (que es la impedancia del dipolo de !/2). En un dipolo plegado esa corriente I circulará por ambas ramas, o sea que en la rama que se aplica la alimentación circulará una corriente !/2 pero se le aplicará la misma energía que si fuera un dipolo de !/2, o sea:
Figura 15 I2 . Zdipolo !/2 = ("/2)2 . Zdipolo plegado 15
despejando Zdp = 4 . Zdipolo !/2 Como la impedancia del dipolo de media longitud de onda vale aproximadamente 75! (73! realmente), la impedancia del dipolo plegado será de 300!. Lo dicho es válido siempre y cuando los diámetros de las ramas del dipolo plegado sean iguales ya que si no es así las corrientes por las dos ramas se repartirán en razón inversa de sus diámetros debido al efecto pelicular que se acentúa en alta frecuencia. En general, para calcular la impedancia que presenta en el centro un dipolo plegado de diámetro distinto de sus ramas, se puede emplear la siguiente fórmula:
Figura 16
Z = 73 (D/d + 1)2 = [!] donde: Z = impedancia resultante del dipolo D = diámetro de la rama más gruesa d = diámetro de la rama más fina Lo que quiere decir que, si se tiene la impedancia como dato, puede construirse un dipolo plegado con el cálculo de los diámetros. Ahora bien, las antenas dipolo son de captación bidireccional lo que en TV puede perjudicar la recepción debido a la reflexión de la onda en objetos cercanos a la antena. Por tal motivo se la debe dotar de características especiales de direccionalidad que, a su vez, le dará mayor ganancia. La captación de señales en una sola dirección se consigue colocando por delante y por detrás del dipolo elementos parásitos llamados así por no poseer alimentación. Esos elementos reciben energía por inducción dada la proximidad entre ellos, los que vuelven a irradiar reforzando la señal captada por el dipolo, siempre que se ubiquen a la distancia adecuada. Cuando el elemento parásito se coloca por detrás del dipolo en la dirección de recepción, recibe el nombre de “reflector” y generalmente tiene mayor longitud que el dipolo. El reflector impide que las señales ingresen directamente a la antena por detrás de la dirección de recepción y aumenta la ganancia si se coloca a una distancia adecuada, porque la corriente inducida en éste provocará, a su vez, un refuerzo de lo captado por el dipolo principal. De más está decir que si no se coloca a la distancia adecuada, no sólo no aumentará la 16
Figura 17
energía captada sino que hasta puede absorberla. Cuando el parásito se coloca por delante del dipolo en la dirección de recepción recibe el nombre de director y es más corto que el dipolo. En la figura 16 se muestra un dipolo con reflector distanciados a 0,25 de !. El dipolo tiene 5% menos longitud (95% de !/2) por efectos de puntas mientras, que el reflector posee una longitud mayor que el dipolo en 5%. En la figura 17 se muestra un dipolo con director cuya longitud es 4% menor que la del irradiante; la separación entre ambos elementos debe ser de 0,20!. En la figura 18 se muestra una antena con director y reflector que combina las características de los dos anteriores. Esta antena recibe el nombre de antena Yagi. En el gráfico se dan las medidas y separaciones obtenidas empíricamente. En el caso de las figuras 14 y 15 las características de irradiación difieren respecto del dipolo, aun así
directividad resulta ser muy buena con una recepción posterior casi nula. A la antena de la figura 19 se la suele denominar Yagi de 4 elementos. La ganancia obtenida respecto del dipolo, sólo al agregar un reflector o un director, es de 3dB (la ganancia se duplica). Con un director y un reflector la ganancia es de 6dB y presenta una impedancia de unos 30! con dipolo abierto y 120! con dipolo plegado. No conviene explicar aquí las razones de la disminución de la impedancia. La antena de la figura 19 posee una ganancia de unos 10dB. La Yagi resuena bien a una sola frecuencia por lo cual no puede emplearse como antena multibanda, además su direccionalidad es bastante marcada. Suele emplearse cuando se encuentra a grandes distancias el transmisor o cuando se desean eliminar las reflexiones. Figura 18
Soluciones Prácticas Cuando la señal de TV es débil o no existe, una buena antena casera exterior ofrece una solución sin tener que recurrir por ignorancia, a la adquisición de inútiles antenas comerciales que sólo ofrecen un montón de aluminios o latones de oneroso costo. Tenga en cuenta lo siguiente:
- Para la confección de esas antenas sólo debe - rán considerarse las medidas de longitud para cada modelo. - A cada canal de televisión le corresponde una frecuencia y a cada frecuencia le corresponde una lon - guitud determinada. - Dichas medidas de longuitud no son en abso - luto críticas, por ende no se necesita gran precisión en el cálculo. El parámetro básico para la construcción de una antena es “!/2”. Este parámetro se calcula de la siguiente manera: !/2
= 142,5 / f
Figura 19
poseen una pequeña recepción posterior y su directividad no es muy marcada. Con dos directores y un reflector (figura 19) la
donde: 2 = longitud del dipolo en metros f = frecuencia de la señal a recibir en MHz La tabla 1 muestra la correspondencia de canales 17
con frecuencias de recepción en televisión para la banda de VHF y la tabla 2 para los canales de UHF. Por ejemplo, para recepcionar el canal 10, según la tabla 1, la longitud de la antena deberá ser: !/2
= 142,5 / 195 = 0,73 m
Algunos Diseños Prácticos La figura 20 muestra una Antena de TV Universal (canales 2 al 13). El dipolo plegado pequeño o director deberá calcularse la media onda para el canal o la frecuencia más alta. En el dipolo plegado grande
Tabla 1
Tabla 2
18
Figura 20
deberá calcularse la media onda para el canal o la frecuencia promedio. En el elemento trasero o reflector deberá calcularse la media onda para el canal o la frecuencia más baja. Se sugieren 67cms, 79 cms y 250 cms respectivamente. Se deben utilizar caños de aluminio de no más 1,2 cm de diámetro. La figura 21 muestra una Antena de Alta Ganancia
Figura 21
para recepción de señales extremadamente débiles, ideal para zonas en las cuales el TV está lejos del transmisor, o para recibir canales de Uruguay desde Bs. As. Para el dipolo central o elemento excitado deberá calcularse la media onda del canal promedio central. Se sugiere 79 cm. Para los elementos reflectores deberá calcularse un 60% de longuitud de onda . Se sugiere 95 cm para c/u. El largo total de todo el sistema reflector será equivalente a 2 longitudes de onda. Se sugiere 3,16 m. En la figura 22 se reproduce el diseño de una Antena Universal para recepción en UHF (canales 14 al 83). La longitud de cada placa deberá medir 21 cm aproximadamente desde el vértice hasta la base del triángulo. Cada triángulo debe ir aislado del otro y del mástil. El punto de conexión va como indica la figura 22.
Figura 22
19
Puede perforar con algunos hoyos las placas para ofrecer menos resistencia al viento.
Soluciones Buenas y Fáciles Sugerencia 1 Para los que no quieren complicarse con la implantación de dipolos o cuadros, o para aquellos con problemas para establecer antenas ante problemas de espacio, he aquí una buena solución:
transmisión hacia su televisor. Se sorprenderá de los resultados obtenidos.
Antenas Parabólicas
Como un satélite de comunicaciones orbita la Tierra girando conjuntamente con ésta a la misma velocidad, puede “ver” una parte de la superficie terrestre, pudiendo emitir señales a dicha zona. Para poder captar estas señales es preciso contar con un dispositivo apropiado, se dará cuenta de que esto no es más que Del terminal o toma de antena de su receptor una antena. Lo que ocurre es que estas antenas son conecte un cable cualquiera, el que le sea más cómo - bastante particulares, en efecto: debido a que las fredo o el que tenga a mano. cuencias de operación son elevadas, el comportamiento que tienen los haces hertzianos (o haces radioSi su receptor no cuenta con terminal de conexión eléctricos) es muy similar al de la luz. Se propagan en de antena, puede hacer la fijación a la base de la ante- línea recta y al cabo de una distancia determinada se na telescópica mediante una pinza. Este cable se atenuan por debajo de lo utilizable en forma práctica. deberá fijar en cualquiera de las disponibilidades En las comunicaciones satelitarias se utilizan gransiguientes: des reflectores para poder concentrar en un punto la radiación proveniente del espacio exterior a nuestro planeta (que es donde se encuentran los satélites). Es - Al calefón a gas así como operan todas las estaciones terrenas: el pri- A la campana de cocina (si es metálica) - A la chimenea (si es metálica) mer elemento es siempre una antena, tanto sea para - A cualquier tubo o ducto horizontal que emer - recibir o transmitir señales. ja hacia el exterior. En definitiva no hay diferencia a lo que se pueda encontrar en cualquier equipo de comunicaciones raHaga la siguiente prueba. En el exterior de su casa, y con la Figura 23 antena telescópica extendida sintonice una emisora de OC que esté llegando con regular o mala señal. Sin cambiar la estación proceda a tocar con la antena o a introducir levemente ésta en las cavidades anteriormente descritas. La subida de señal será evidente.
Sugerencia 2 Realice una bobina de unas 50 espiras que abracen una línea telefónica activa (tenga cuidado de que la bobina se encuentre perfectamente aislada). Conecte un extremo de la bobina al punto medio de un cable coaxial. Conecte la malla del coaxial a un punto de "buena tierra". Utilice el coaxial como línea de 20
dio-eléctricas. Podemos decir que una antena es en definitiva el vínculo que existe entre el éter y la electrónica de procesamiento de una señal cualquiera, de manera de poder hacer efectiva la más óptima y potente transferencia de energía (radioeléctrica) entre un medio y otro. Los reflectores parabólicos concentran la energía en un punto determinado que se denomina foco. En realidad el foco de una antena parabólica no es único, sino que existen otros de menor poder concentrador (llamados secundarios), pero a los efectos de nuestras notas prácticas consideraremos que hay solamente uno (figura 23). También es importante resaltar que tanto sea para transmitir como para recibir, todas las señales pasan por el foco, y que una antena que sirva para recibir tiene un comportamiento bastante análogo para transmitir (aunque no exactamente igual). Existe un parámetro muy importante para poder "clasificar" a las antenas parabólicas (como a cualquier antena) que es la ganancia. La ganancia de una antena es la medida de lo útil que es; es decir, cuánto se incrementa la señal por el hecho de utilizar una antena en particular respecto de su intensidad en el espacio libre. Como en el espacio libre no es posible poder utilizar la señal en forma práctica sin captarla previamente, es claro que este valor debe ser conocido. Existe una fórmula sencilla que nos da la ganancia de una antena parabólica: G = 60,8 . F 2 . D2
Figura 24
donde: F es la frecuencia de operación D es el diámetro de la antena 60,8 es una constante que proviene de expre-
sar F en miles de megaciclos (o sea giga-ciclos, GHz) y D en metros. La fórmula nos está diciendo que la ganancia aumenta cuando la frecuencia aumenta y que lo mismo ocurre cuando aumenta el diámetro. Para la misma frecuencia de operación no es lo mismo la ganancia que tiene la estación terrena de Balcarce (de Teleintar) que las que se pueden usar hoy en día para poder ver televisión por satélite. La primera tiene un diámetro de 30 metros y su peso está en el orden de las toneladas; mientras que para el segundo caso bastan, en la actualidad, apenas algo así como de dos a tres metros (dependiente del tipo de satélite) y ahora hasta sólo 45 cm para ver televisión satelital desde un proveedor (DIRECTV o SKY es el caso típico en la mayoría de los países de América Latina). En realidad, si nos tomamos el trabajo de dibujar una parábola y luego imaginar que esa curva pueda girar en torno a su eje, nos vamos a encontrar con el dibujo de una antena parabólica. Lo que sucede es que en el mundo de la matemática eso se llama paraboloide de revolución. Le explicaremos cómo debe realizarse en forma práctica un paraboloide de revolución. Para esto partiremos de confeccionar una tabla con valores de una curva parabólica. Luego en base a esto construiremos un molde, y sobre éste colocaremos hojas de aluminio (que serán la superficie reflectora), al que le adosaremos los montajes necesarios para poder seguir una trayectoria determinada (la de los satélites geo-estacionarios), de forma tal que pueda captar no solamente a uno de éstos sino a todos los que iluminan el territorio de nuestro país (ya verá que son bastantes). En la figura 24 le mostramos el dibujo de una parábola (representación matemática de una parábola). Esta parábola está centrada en un par de ejes ortogonales (es decir perpendiculares). Estos ejes también se conocen como ejes cartesianos. En la fórmula que le damos para cada valor de "X" , obtendrá un valor de "Y". Para poder continuar con nuestra explicación quisiera volver al tema de las frecuencias de operación de los sistemas satelitales, ya que este punto es fundamental. Normalmente estas frecuencias son elevadas, 21
es decir, que están en el orden de los miles de megaciclos. Para no usar cifras tan grandes, utilizaremos el giga-ciclo que se abrevia GHz, y equivale a mil megaciclos. Así tenemos que existen determinadas bandas de operación para transmitir y para recibir. Existe una banda en particular que se llama BANDA "C" y queda definida de la siguiente forma:
Para transmitir de 5.900MHz a 6.400MHz (o bien 5,9GHz a 6,4GHz). Para recibir de 3.700MHz a 4.200MHz (o bien 3,7GHz a 4,2GHz). Es importante destacar que tanto en un sentido como en otro el ancho de banda total es de 500MHz. Mencionábamos que la frecuencia de operación es un dato fundamental ya que la precisión mecánica de la antena debe estar en concordancia con la longitud de onda, y es precisamente ésta la que está emparentada con la frecuencia de operación. En general debemos decir que se toma como una medida de la calidad constructiva de la antena el hecho que las tolerancias mecánicas estén en el orden de un cuarto de la longitud de onda. Ahora bien, la fórmula que nos dice cuál es la longitud de onda es: !
300 = –––––– F
donde F es la frecuencia expresada en MHz. El resultado da en metros. Para el caso que nos ocupa: !
300 = ––––– ; 3.700
en el caso del principio de la banda
!
300 = ––––– ; 4.200
en el caso del final de la banda
Si hacemos las cuentas respectivas veremos que para el primer caso da 0,081 m y para el segundo 0,071 m (cuando la frecuencia es más alta, la longitud de onda disminuye). Si dividimos por cuatro el mínimo valor, tendremos 0,017 m, o sea 1,7 cm. Al construir el reflector parabólico no podemos equivocarnos en las medidas que tomemos más que este valor. De lo con22
trario la antena no funcionará como tal. En vez de concentrar la energía en el foco (en un solo punto) lo hará en varios diferentes de menor intensidad, desperdiciando así la potencia captada proveniente del satélite que queramos tomar. Es necesario también mencionar que la Banda "C" no es la única que se utiliza para comunicaciones satelitales. Existen otras más elevadas. Podemos mencionar la Banda "Ku" (tal es su nombre) que ocupa los valores de 11.000 a 14.000MHz (o bien 11 a 14GHz) y otras nuevas ya que los servicios satelitales se han expandido enormemente a lo largo de todo el mundo congestionándose cada vez más. Es claro que los 500MHz de la Banda "C" no dan abasto para la cantidad de satélites que sirven áreas de coberturas similares (como es el caso en Europa, por ejemplo) y de ahí que se ha tenido que recurrir a frecuencias más elevadas. Por ejemplo ya se está construyendo en el viejo continente la próxima generación de satélites de telecomunicaciones nada menos que en la Banda "Ka" o sea de 20 a 30GHz. Esto significa que las tolerancias para la construcción de las estaciones terrenas de cada uno de estos sistemas es cada vez menor... y por ende más caros los procesos de fabricación. Lo que sucede es que son tantas las aplicaciones y tantos los usuarios que a la larga esos precios van bajando hasta hacerse accesibles. Volviendo a nuestra explicación sobre el reflector parabólico, quisiera reparar en el detalle de su propio nombre: reflector. Es justamente eso lo que hace. Refleja las señales y las concentra en un punto llamado foco. Es precisamente en ese punto en donde hay que colocar lo que conforma la verdadera antena satelital, acompañada de la electrónica que amplificará la señal hasta niveles en que pueda convertirse en una imagen (previo proceso de sus características básicas). Para no confundirnos, podemos tomar la convención de decir que la antena satelital queda formada por el reflector parabólico y la electrónica del foco de antena. Son dos partes bien diferenciadas. En la figura 25 mostramos gráficamente lo que explicamos. Es necesario también explicar que la indicación de la ganancia de una antena normalmente se expresa en decibeles. El decibel es una relación de dos parámetros, en realidad es el logaritmo de esa relación (o cociente). Así tenemos otra fórmula para la ganancia de una
La APERTURA es el área vista de frente, luego:
Figura 25
APERTURA = p . R2 = Ap = 3,14 . (1,80) 2 = 10,23 m2 Luego: 4 x 10,23 x 0,5 G = 10 . log (–––––––––––––––––) = 36,08dB (0,071)2
antena parabólica (un poco más exacta que la anterior) y que es: 4A x E GANANCIA = 10 . log ( ––––––) !
fórmula 1
2
A es la apertura de la antena (el área que ocupa
vista de frente). es la longitud de onda (para nuestro caso tomamos 0,071 m). E es la eficiencia de construcción, que normalmente se toma del 50%. Si las distancias que se tomen para la construcción del reflector no están bien medidas (respetando el cuarto de longitud de onda), si las medidas no se verifican correctamente la eficiencia de la antena no será del 50% pasando a ser menos... por consiguiente la ganancia también será menor. Damos a continuación un ejemplo de cálculo de ganancia de un reflector parabólico. Por supuesto que hay algunos datos de partida que hemos supuesto (para poder así poner de manifiesto una situación que Ud. mismo encontrará en la práctica: algunos datos deberá buscarlos en varios lugares diferentes, como ser tipos de satélites, frecuencias de operación particulares, etc.). Para realizar un ejemplo, tomamos un diámetro 3,60 metros.
Ya vimos que la función de una antena es la de captar la energía electromagnética que llega desde el satélite para concentrarla en la unidad exterior. Para conseguir esto, a estas frecuencias de trabajo, el mejor tipo de antena es la parabólica. Con ella se obtienen rendimientos buenos y ganancias elevadas, características muy importantes en este tipo de comunicaciones, debido a la naturaleza de las señales tratadas en recepción. Existen varios tipos de antenas para estas frecuencias, que pueden dividirse en dos grupos principales: las de un solo haz y las multihaces. Las más empleadas para la recepción directa de TV por satélite son las primeras, por lo que las estudiaremos detalladamente. Entre las antenas de un solo haz puede hacerse una segunda clasificación, en atención al número de reflectores que emplean:
• Sin reflector, como las antenas de bocina. • Con un solo reflector. En este tipo se incluyen la parabólica, más conocida y que se alimenta en su fo - co y la Offset, que emplea una sección de un reflector parabólico, alimentado también en el foco. • Con doble reflector, cuyo ejemplo más típico es la Cassegrain. En la figura 26 tenemos los tipos de antenas antes mencionados. Además, están situados en orden a sus rendimientos. Así, la antena de bocina presenta una ganancia muy inferior al resto, por lo que no es recomendable su utilización para el tipo de comunicaciones via satélite. No obstante, es ampliamente utilizado en combinación con uno o dos reflectores, que constituyen la forma principal para su alimentación a estas frecuencias, ya que ofrece una buena adaptación en23
tre las impedancias de la guía y del medio de propagación exterior. Existen varios tipos de bocinas, denominadas según la forma de pasar de las dimensiones de la guía a la boca de la bocina o atendiendo a la sección de ésta, rectangular o cilíndrica. Entre las antenas de un solo reflector, cabe destacar dos tipos principales y más utilizados: la parabólica "normal" y la offset. La primera está compuesta por un reflector, que geométricamente es un paraboloide de revolución con una boca circular y un alimentador, que es una bocina. Esta está situada en el foco del paraboloide, con lo que conseguimos que todos los rayos que lleguen paralelos al eje del reflector se reflejen en él, dirigiéndose directamene al foco. O sea, toda la energía que viene del satélite es captada por la parábola y enviada al foco, lugar que ocupará la unidad exterior. Debido a la gran distancia satélite-Tierra, podemos considerar sin mucho error que todos los rayos procedentes del satélite inciden paralelamente al eje de la parábola y que, por tanto, son reflejados hacia el foco. La antena offset emplea sólo una sección del reflector parabólico y sitúa su alimentador también en el foco. Presenta un rendimiento superior al tipo anterior, por lo que es también muy empleada. La antena Cassegrain es el exponente principal de las antenas de doble reflector y un solo haz. Presenta un elevado rendimiento y mayor complejidad mecánica, ya que los dos reflectores y el alimentador deben estar perfectamente situados para obtener el máximo rendimiento de esta antena (nos explayaremos sobre este tema cuando hablemos de la estación transmisora típica). Debido a sus comprometidas características mecánicas, no es muy utilizada en las instalaciones individuales de recepción de televisión por satélite. El tipo de antena elegido para la instalación de una estación de recepción de televisión directa por satélite, debe cumplir unas exigencias mínimas, tanto eléctricas, como mecánicas, ya que si no, se compromete la calidad de la recepción. Entre las eléctricas se encuentran algunas físicas, como el diámetro de la parábola y otras puramente eléctricas, como la ganancia que presenta la antena con respecto a la isotrópica. Otras características no menos importantes se reflejan en el diagrama de radiación de la antena, como son la anchura del haz y la magnitud de los lóbulos secundarios. 24
Figura 26
Las mecánicas se refieren a su resistencia a los fenómenos meteorológicos, sobre todo al viento y a las lluvias. También debe tenerse en cuenta la precisión del sistema de apuntamiento, azimut y elevación, en las condiciones climáticas más adversas. En cuanto a las eléctricas, es importante una elevada ganancia, a la vez que la inexistencia de lóbulos secundarios. Esta combinación trae como consecuencia positiva el poder procesar señales débiles, ya que el ruido captado es menor cuanto más pequeños sean los lóbulos secundarios y la ganancia aumenta a medida que se es-
Figura 27
trecha el haz. En la figura 27 podemos observar el diagrama de radiación ideal comparado con el real, en el que se aprecian unos pequeños lóbulos secundarios y una disminución de la ganancia en la dirección de apuntamiento. El diámetro del reflector incide directamente en la ganancia de la antena, aunque no es el único factor, por lo que habrá que buscar un compromiso entre todos los parámetros. La expresión de la ganancia depende también de la frecuencia y de la superficie de la antena: 4 # . S G = 10 l og ( ————— ) l2 Además, debe añadirse un factor que representa la eficacia de la antena, n (vea la fórmula 1), que podría definirse como la relación entre la energía que incide en el reflector y la que llega al alimentador después de la reflexión. Con este factor la expresión de la ganancia queda modificada de la siguiente manera:
4 # . S G = 10 l og ( ————— . n ) l2 G se mide en dBi, o en dB sobre la isotrópica, antena que se toma como referencia. Las características mecánicas que presente la antena también son de suma importancia. En efecto, si su estructura es poco consistente a vientos fuertes, se moverá ligeramente cuando éstos existan y dará lugar a desvanecimientos de la señal recibida (fadding), ya que variará el apuntamiento de la antena. Este sistema, el de apuntamiento, deberá poseer un ajuste grueso y otro fino, tanto para la elevación como para el azimut, para poder apuntar la antena hacia el satélite de una forma precisa. Ambos ajustes deben ser estables frente a condiciones meteorológicas adversas para asegurar un óptimo apuntamiento. En la instalación de la antena deberá prestarse también una especial atención a los anclajes, los cuales tendrán que tener una fortaleza acorde con la estructura que van a soportar.
Antenas Parabólicas y Hornos Solares Una aplicación interesante de las antenas parabólicas se encuentra en la fabricación de hornos solares. Se construye una "cocina" parabólica que concentra la radiación solar y la convierte en calor gracias a un reflector de láminas de aluminio sobre el que se pone la sartén, la paellera o cualquier otro recipiente utilizado para cocinar (figura 28). En un día soleado se puede conseguir que un litro de agua hierva en unos 18 minutos y que el aceite alcance una temperatura máxima de 200 ºC. Al cocinar es necesario tomar ciertas precauciones, como evitar el deslumbramiento, usar cacerolas de color negro y utilizar manoplas para evitar quemaduras.
“Al igual que los rayos paralelos al eje de la pará - bola se reflejan siempre pasando por el foco, la pro - piedad análoga nos dice que un rayo que incida pasando por el foco se reflejará paralelo al eje de la parábola”. Figura 28
Este es el fundamento de muchos tipos de reflectores. 25
Por ejemplo, en los faros de los coches (figura 29) la lámpara situada en el foco hace que el haz de luz se concentre en la carretera.
Azimut, Elevación y Desplazamiento de Polarización
a) Mediante cálculo matemático. b) Mediante tablas o gráficos rea - lizados para cada satélite y cada país. c) Mediante ábaco realizado por las expresiones del apartado a). Para instalar la antena se utiliza una brújula, que indica el polo Norte magnético, que tiene un error respecto al polo Norte geográfico. Por tanto habrá que tenerlo en cuenta y corregirlo; a dicho error se le denomina Declinación Magnética, y es distinta para cada lugar e incluso para cada año.
Quizá uno de los procedimientos más engorrosos para una correcta recepción de señales desde un satélite es la fijación de la Figura 29 antena. El ángulo de error para recibir adecuadamente el satélite es muy pequeño, del orden de 0,2º. Por ese motivo, para recibir la señal correctamente hay que mover un poco la antena hasta encontrar el satélite con el máxiPartes de una Antena Parabólica mo nivel de señal. Para la orientación de una antena, hay que tener Las partes que constituyen una antena parabólica en cuenta la situación geográfica del lugar de recep- son básicamente (figura 31): ción y la situación del satélite. El Ecuador divide la Tierra en el hemisferio Norte y • Plato • Soporte • Mástil el hemisferio Sur, y el meridiano de Greenwich divide la Tierra en Este y Oeste. El plato o reflector, que se orienta hacia el satélite Las divisiones paralelas al Ecuador se denominan desde el que se desea recibir la señal. El ajuste se reaParalelos, y el ángulo considerado se llama Latitud, liza en el mástil que lo sostiene. El plato posee un sisbien Norte o bien Sur, según sea del hemisferio Norte tema de varillas sobre las que se dispone el soporte de o del hemisferio Sur. la unidad externa. Todo el conjunto se monta sobre Las divisiones alrededor de Greenwich se denomiuna base rígida, denominado mástil o soporte triangunan Meridianos, y el ángulo considerado se llama lar, que evita movimientos de la antena por la acción Longitud, bien Este o bien Oeste. del viento. El Acimut (o azimut, figura 30) es el ángulo horiLa potencia de emisión de los satélites de comunizontal al que hay que girar la antena, desde el polo caciones es muy pequeña (del orden de 200W) y coNorte terrestre hasta encontrar el satélite. A veces se mo estos equipos están situados a unos 36.000 km de indica este ángulo con relación al polo Sur. distancia de la superficie de la Tierra, las señales que La Elevación (figura 30) es el ángulo al que hay emiten llegan al reflector muy atenuadas. Esto hace que elevar la antena desde el horizonte para localizar que debamos captar la mayor energía posible y conel satélite en cuestión. centrarla en un punto, donde se dispone la antena proEl desplazamiento de la polarización es el ángulo Figura 30 al que hay que girar el conversor de la antena para que la polarización horizontal y vertical incidan perfectamente en el conversor. En el caso de los satélites DBS, debido al uso de polarización circular, no es necesario este parámetro. Loa ángulos de Acimut, Elevación y desplazamiento de la polaridad, se pueden determinar básicamente de tres formas: 26
piamente dicha (foco de la antena). Esto se consigue mediante un reflector parabólico. El perfil de un reflector para antena parabólica sigue la figura geométrica de una parábola (figura 32), ya que en ella, cualquier punto P que está a igual distancia de un punto f (foco) situado en el eje x, que de un punto D situado en la perpendicular de una línea Figura 31
Figura 32
recta paralela al eje y (que se denomina directriz). En una parábola, toda línea paralela al eje x, que incida sobre un punto de ésta, se desvía hacia el foco f con un ángulo q, que geométricamente se demuestra que es igual a q’. De esto último se deduce que si el eje x de la parábola se apunta hacia un punto del espacio, todas las radiaciones que procedan de ese punto y que sean paralelas al eje x, se desviarán hacia el foco f, concentrándose en éste tal como se grafica en la figura 33. El foco puede estar situado en cualquier punto del eje x, dicha ubicación provocará que la curva parabólica adquiera una forma más abierta o más cerrada. Hemos mencionado cómo se calcula, “a grandes rasgos”, la ganancia de una antena y dimos una primera clasificación, ahora bien para elegir una antena parabólica deben tenerse en cuenta una serie de características técnicas, a saber:
• Diámetro del reflector • Ganancia • Rendimiento • Relaciones directriz/foco (D/f) y foco/directriz (f/D) • Angulo de radiación • Lóbulos principal y secundarios de radiación • Ancho de banda • Relación señal/ruido • Factor de ruido Diámetro del Reflector El diámetro del reflector de una antena parabólica (tamaño del plato) depende de dónde se lo va a coloFigura 33
27
car y del nivel de señal del satélite que deseamos captar (en realidad del nivel de la señal que llega a la antena). Cada satélite tiene una zona de cobertura o “huella” dentro de la cual es posible recibir sus señales. En el centro de la huella se recibe la máxima señal y a medida que nos alejamos del centro las señales se atenúan y, por lo tanto, la recepción es más complicada. Cuanto mayor sea el diámetro del reflector, más energía tendrá la señal que le llegará y mayor será la energía concentrada en el foco. Dicho de otra forma, cuanto mayor sea el diámetro del reflector, mayor energía se concentrará en el foco de la parabólica; lo que significa que para el mismo nivel de señal emitida por un satélite, una antena parabólica de gran tamaño tendrá más ganancia que otra de menor tamaño situada en el mismo punto geográfico. Mayor ganancia implica una mejor recepción. Ahora bien, no siempre se deben utilizar los reflectores de mayor diámetro para todos los casos, ya que a mayor tamaño más alto será el precio y mayor influencia tendrá el viento, lo que puede desajustar su orientación con respecto al satélite. Se debe elegir el diámetro de la antena según las recomendacines del organismo explotador del satélite a través de sus mapas de huella. En la actualidad se fabrican reflectores para antenas parabólicas de 30, 45, 60, 80, 90, 120, 150, 220 y 280 cm de diámetro, que cubren cualquier necesidad tanto en instalaciones individuales como colectivas. Cuando se desea recibir varios satélites, la elección del diámetro del reflector dependerá del que proporcione la señal más débil.
la precisión con la que se ha fabricado el reflector de la antena parabólica. Recuerde que la antena debe ser parabólica de modo que exista uno y sólo un foco y que en él se debe colocar el alimentador. Cualquier desviación de la curva parabólica hará que toda la energía que llegue al reflector no se refleje en el foco, sino en un punto por delante o por detrás de éste, con lo cual perderemos energía. Lo mismo podemos decir de las irregularidades mecánicas en la superficie del reflector. Un golpe o abolladura presente en el plato hará que las señales reflejadas no se desvíen correctamente hacia el foco disminuyendo la energía electromagnética efectiva en el alimentador. Por otra parte, cuanto mayor sea la frecuencia, menor deberá ser el diámetro del reflector. Así, una señal en la banda KU (de 11GHz) necesita un reflector de menor diámetro que otra señal de la banda C (de 4GHz). La ganancia del reflector se expresa en dB y se la define con respecto a una antena isotrópica (antena de longitud l omnidireccional que se considera de ganancia unitaria); es decir, en relación a una antena que reciba exactamente lo mismo en todas direcciones. En la tabla 3 se relacionan las ganancias de antenas parabólicas comerciales de foco centrado (las llamamos con las letras A a F pero normalmente se las reconoce por su diámetro). En la misma puede comprobar que cuanto mayor es el diámetro del reflector, mayor es la ganancia.
Rendimiento Se define como rendimiento de una antena parabólica a la relación entre la cantidad de energía incidente en el reflector y la concentrada en el foco. El rendi-
Ganancia La ganancia de una antena parabólica indica la cantidad de señal captada que se concentra en el Tabla 3. Ganancia de antenas parabólicas comerciales de f oco centrado. alimentador. La ganancia depende del diámetro del Referencia A B C D E plato, de la exactitud geoDiámetro (mm) 900 1.200 1.500 1.800 2.200 métrica del reflector y de la frecuencia de operaAncho de banda 10,90 a 12,80GHz ción. Como hemos dicho, 39,1 41,6 43,00 44,80 46,40 si el diámetro aumenta, la Ganancia a 11GHz ganancia también, por- Dist. focal (mm) 384 512 630 755 925 que se concentra mayor Espesor (mm) 2 2 2,2 3 3,1 energía en el foco. La exactitud geométriPeso del sistema (kg) 6 11 45 58 112 ca está relacionada con 28
F 2.800
48,30 1.190 3,2 273
Se considera aceptable un rendimiento comprendido entre el 50% y el 65%, ya que un rendimiento mayor provoca la aparición de lóbulos secundarios que interferirán con el principal (esto quiere decir que de cada 2 miliwat de señal que llega al reflector, al alimentador sólo le llega 1 miliwat).
Figura 34
miento está determinado, fundamentalmente, por el alimentador (iluminador) y por las desviaciones mecánicas que pueda sufrir el reflector con relación a una parábola perfecta. Tenga en cuenta que desviaciones de unos pocos milímetros son importantes en el rendimiento, por lo que para asegurar una buena ganancia y rendimiento es preferible que los reflectores se fabriquen de una sola pieza y con una desviación máxima de la curvatura de 1 mm. El rendimiento no se calcula teóricamente dado que el tipo de superficie del plato o la mala colocación del alimentador o la simple suciedad acumulada son algunos de los muchos factores que influirán negativamente en el rendimiento de la antena. Figura 35
Relaciones D/f y f/D Con el objeto de comprender este concepto, es preciso que analice la figura 34. Para lograr un rendimiento alto, es necesario que el perfil del reflector se acerque lo máximo posible a la parábola. Para que esto se cumpla debe existir una relación exacta entre el diámetro, el foco y la profundidad del reflector parabólico, pues estos tres parámetros están estrechamente relacionados entre sí. Cualquier variación en uno de ellos afecta a todos los demás. Conocido el diámetro D de la parábola, se puede calcular la distancia al foco f y la profundidad P. Para que la antena alcance un alto rendimiento, el cociente D/f debe estar comprendido entre 2,3 y 2,7. Las antenas con relaciones D/f altas requieren alimentadores especiales, mientras que las de relaciones D/f bajas presentan problemas de ruido, debido a la poca concavidad del reflector y el mínimo apantallamiento del reflector contra la superficie en que se encuentra. Muchos fabricantes de antenas parabólicas prefieren indicar en sus catálogos la relación f/D (o sea, la inversa de D/f), con lo cual tendríamos valores comprendidos entre 0,37 y 0,43. Angulo de Radiación El ángulo de radiación es el ángulo dentro del cual, la señal captada por la antena se mantiene entre el 50% y el 100% de potencia, o sea, el ángulo que puede desplazarse la antena con respecto a la dirección exacta hacia el satélite hasta que la señal sufre una atenuación de 3dB. En la figura 35 exponemos el caso en que una antena está apuntando en una dirección incorrecta pero que, de todos modos, la señal se recibe con 29
el 50% (-3dB) de la potencia que arrojaría una antena apuntando correctamente. Supongamos que la ganancia de la antena es de 40dB lo que hace que, cuando está perfectamente alineada posea una ganancia de potencia de:
Figura 36
40dB GP = antilog –––––– = antilog 4 = 10.000 veces 10 Movemos ahora la antena, desviándola de la posición ideal un ángulo ƒ, hasta que la potencia captada por la antena descienda aproximadamente a la mitad, es decir, que la ganancia de potencia pase a ser unas 5.000 veces, lo que supone una ganancia en decibeles: GdB = 10 log 5.000 = 10 x 3,7 dB = 37dB O sea, 3dB por debajo del nivel obtenido al estar bien orientada la antena. El ángulo medido desde la posición correcta de apuntamiento hasta el máximo desplazamiento hacia “cualquier lado” donde la ganancia de la antena baja a 3dB, es lo que se denomina ángulo de radiación . De lo expuesto se deduce la importancia de una buena orientación de la antena, ya que la más mínima desviación supone una considerable pérdida de señal. El ángulo de radiación disminuye con el aumento de la frecuencia y con el incremento del diámetro del reflector; es decir, que cuanto mayor sea el plato y a igualdad de frecuencia, más directiva será la antena. Este suele ser un problema para los aficionados, quienes creen que una antena grande asegura una mejor recepción y esto suele ser perjudicial y hasta desalienta al instalador novato.
Lóbulos principal y secundarios Una antena parabólica capta la máxima energía cuando está orientada en dirección hacia un satélite y, dentro de un pequeño ángulo, se mantiene el valor de la energía captada entre el 50 y el 100% de la máxima. Fuera de dicho ángulo, el valor de la energía captada cae rápidamente. Se denomina lóbulo de radiación al “espacio” en que puede captar energía una antena sin que su ganancia caiga a más de 3dB. O sea, es la representación mediante un sistema de coordenadas polares, de la ganancia de la antena en función del ángulo que forma el eje de la misma con 30
el satélite (figura 36). El diagrama de radiación de una antena suele presentar:
• El lóbulo principal que es el de mayor tamaño y alcanza el círculo de las coordenadas polares correspondientes a 0dB. Es decir, no presenta atenuación alguna de la señal. • El eje del lóbulo principal coincide con el eje de la antena; es decir, que todo satélite que se encuentre en la misma dirección que el eje de la antena entrará dentro del lóbulo principal y será captado con la máxima ganancia. • El ángulo de radiación pertenece al lóbulo principal y abarca todo el ancho del citado lóbulo con una ganancia por encima de -3dB. • Existen lóbulos secundarios, dispuestos en ángulos distintos al del eje principal y que disminuyen de tamaño a medida que se acercan al ángulo de 180°. Los lóbulos secundarios o lóbulos laterales determinan la capacidad de una antena parabólica para captar radiaciones que le llegan de direcciones fuera de su eje. Se pueden representar los lóbulos principal y secundarios mediante un sistema de coordenadas cartesianas, en el que, el lóbulo principal ocupa la posición correspondiente al ángulo de 0°, en el centro de la abscisa y su amplitud máxima se corresponde con la ganancia de la antena, que en nuestro ejemplo era de 40dB. 3dB por debajo de la ganancia máxima; es decir, a
Figura 37
37dB, se traza una recta que corta el lóbulo principal en dos puntos (P y P’). Una proyección vertical de estos puntos sobre la abscisa nos permite determinar al ángulo de radiación de la antena (ángulo a en la figura 37). Los lóbulos secundarios tienen poca amplitud, tanto menor cuanto más se acercan al ángulo de 180° o ángulo opuesto al de orientación de la antena. Los lóbulos secundarios son una medida de la capacidad de la antena de captar señales electromagnéticas de satélites situados en ángulos distintos del de orientación (aunque con muchísima menor potencia). Tenga en cuenta que “siempre” , los lóbulos secundarios deben tener una amplitud sensiblemente menor que la del lóbulo principal, ya que de lo contrario la señal de otro satélite interferiría a la señal que se desea captar. Se dice que una buena antena es aquella en la que el lóbulo principal tiene una ganancia superior a 20dB respecto a la de los lóbulos secundarios.
Ancho de Banda El ancho de banda de una antena parabólica indica la banda de frecuencias para las que está diseñada la antena. Por ejemplo, una antena con un ancho de banda de 10,9GHz a 12,8GHz está diseñada para captar todas las frecuencias comprendidas entre los dos límites citados, lo que implica que tiene un ancho de banda de 1,9GHz a partir de 10,9GHz. Es un dato que, como todos los anteriores debe facilitar el fabricante del reflector parabólico. Relación Señal/Ruido Tanto el ruido del medio ambiente como el del espacio exterior puede ser captado por una antena para-
bólica. Los fenómenos naturales, tales como tormentas, lluvia, viento excesivo, etc., originan señales de ruido de la misma forma que lo hacen ciertos fenómenos artificiales, tales como lámparas fluorescentes. No obstante, las principales fuentes de ruido, son el ruido atmosférico, el ruido galáctico procedente de las estrellas y el suelo. Si el suelo origina ruido, al reflector le llegará tanto más ruido cuanto más “desnivela - do” se encuentre el suelo. En las antenas parabólicas también debe tenerse presente el ruido que la propia antena genera. Toda onda electromagnética que incida sobre la superficie del reflector es reflejada por éste, por lo que podemos decir que se convierte en emisor de nuevas ondas. Estas ondas se mezclan con la señal principal, formado una señal de ruido. Para que la recepción sea buena, es preciso que la señal “reflejada” se sume a la “incidente” y también se debe poder separar a la señal del ruido lo que implica que la relación señal/ruido (S/N) sea lo más elevada posible.
Factor de Ruido Se define el factor de ruido (F) de una antena como la potencia mínima que debe tener la señal captada para que quede totalmente enmascarada por el ruido de la propia antena. En el caso de antenas parabólicas, para la recepción de emisiones de radio y televisión vía satélite, en las que las potencias que llegan son muy pequeñas, es muy importante alcanzar un factor de ruido muy pequeño.
Tipos de Antenas Parabólicas Comerciales No existen técnicas específicas de fabricación de reflectores. En general, se utilizan materiales y métodos muy diversos. El material utilizado debe mantener su forma durante largo tiempo, ya que cualquier deformación afecta negativamente el rendimiento de la antena, tal y como ya hemos expuesto anteriormente. Debe soportar bien las contracciones y dilataciones debidas a los cambios de la temperatura ambiente y a las inclemencias meteorológicas. Los fabricantes suelen emplear duraluminio, chapa de acero, malla metálica o bien, fibra de vidrio epóxica (u otros materiales plásticos) recubierta de una capa 31
metálica, para que reflejen con eficacia las señales que llegan desde un satélite. Se pueden fabricar de una sola pieza o por sectores (pétalos). En la actualidadd, los reflectores suelen ser de una sola pieza, pues captan mejor las frecuencias de la banda Ku, al tener mayor precisión en su superficie. Tanto es así que una antena con un reflector de 120 cm puede ofrecer la misma ganancia que otra fabricada por sectores de 240 cm. Los reflectores de malla metálica o de chapa de metal perforado tienen una buena consistencia debido a nervios que se colocan para impedir la deformación. Presentan buena resistencia al viento si la velocidad de éste es reducida, pero son poco consistentes a esfuerzos mecánicos. El tamaño de las perforaciones debe ser menor que la décima parte de la longitud de onda de la señal que se desea captar, lo que supone diámetros de perforación inferiores a 2,7 mm en la banda Ku. Si las perforaciones son de mayor diámetro se producen considerables pérdidas y, además, pueden llegar al alimentador señales procedentes de la parte posterior del reflector, reduciéndose la relación señal/ruido. Es por ello que es muy común encontrar antenas de malla metálica cuya apariencia asemeja a la de un tejido mosquitero (pero de mayor grosor y consistencia). Los reflectores para antenas parabólicas se pintan de un color que no de Figura 39 be ser brillante, pues si así fuera, concentraría la luz solar sobre el iluminador que se deformaría y hasta se le derretiría el recubrimiento plástico. Un excelente recubrimiento es la pintura de poliéster, aplicada electrostáticamente que, además de evitar el sobrecalentamiento del alimentador, evita el deterioro de la parábola con el transcurso del tiempo. Hemos considerado la parábola como única forma para un reflector de antena parabólica. Sin embargo, a partir de esta figura geométrica se obtienen otros tipos de reflectores que in32
Figura 38
cluso son más eficaces que el parabólico. De acuerdo con esto y refiriéndonos a las antenas para recepción de señales de radio y televisión de uso doméstico, hemos dado una primera clasificación en la página 23, de modo que podemos agrupar a las antenas en los siguientes tipos:
• Antenas parabólicas de fo - co centrado • Antenas off-set • Antenas planas
Antena Parabólica de Foco Centrado La antena parabólica de foco centrado es la más común (la que hemos estudiado hasta aquí y que se muestra en la figura 38). En ésta, el alimentador se encuentra situado en el foco del reflector tal como muestra la figura 39. Este tipo de antena es relativamente fácil de construir y no es demasiado sensible a errores de ajuste. Como inconveniente podemos citar la “sombra” que producen el alimentador y las varillas de sujeción de éste, con lo cual no se aprovecha al 100% la superficie reflectante del plato, lo que implica una ligera pérdida en el rendimiento de la antena. Note este fenómeno en la misma figura 39. La zona grisada representa la energía electromagnética incidente en el reflector. En el centro se obtiene una zona a la que no llega energía electromagnética, debido a que el alimentador
Figura 41
Figura 40
hace sombra en ella. Las antenas de foco centrado son las más utilizadas en instalaciones colectivas, especialmente cuando el diámetro del reflector supera los 90 cm. El rendimiento es del orden del 60%. La atenuación de los lóbulos secundarios es buena y operan muy bien para señales con polarización circular, no tanto así para la polarización lineal.
Antena Off-Set Esta antena se emplea mucho en sistemas de TV Figura 42
Figura 43
doméstica (figuras 40 y 41). El reflector está constituido por una sección transversal de una parábola y el foco queda fuera de la vertical a dicha sección. En la figura 42a se dibuja un reflector parabólico de foco centrado visto de frente, donde la zona grisada corresponde a lo que sería una antena off-set (ya no se emplea todo el plato sino una porción de éste). Observe en esta figura cómo el foco queda situado fuera de la vertical del reflector. En la parte b de la figura se observa el perfil de un reflector parabólico y una parte resaltada que corresponde a lo que sería el reflector de la antena off-set . Note que la superficie del reflector off-set es mucho menor que la del reflector parabólico que lo produce, pero que no se trata de comparar estos dos diámetros de reflector, sino de ver cómo se diseñan, ya que el reflector de antena off-set obtenido debe compararse en rendimiento con el de un reflector parabólico de igual diámetro. De la figura 42 se deduce que toda señal que incida sobre el plato quedará reflejada hacia el foco, pero que éste, al no estar centrado, no producirá sombra sobre el reflector. Para sostener el alimentador en una antena off-set se utiliza un brazo que sale por debajo del reflector (figura 43), de manera que ni la unidad exterior ni el brazo que la sustenta proyectan sombra alguna sobre el plato, porque quedan fuera de la línea de visión del satélite. Debido a la reflexión de las ondas electromagnéticas en la superficie del reflector, el reflector está mucho más inclinado que el de las de foco centrado. El rendimiento de las antenas off-set alcanza el 65% con lo cual, a igualdad de ganancia, el diámetro del reflector es menor que el de las antenas de foco primario. La atenuación a los lóbulos secundarios es muy buena. La polarización circular es también muy buena, pero no así la polarización lineal. Las antenas off-set son muy utilizadas en instalaciones individuales, donde el diámetro del reflector no supera 33
los 90 cm. (es muy común verlas de unos 45 cm. para recepción doméstica de TV satelital).
Antena Plana Las antenas planas se fabrican agrupando pequeñas antenas elementales (dipolos) en configuración array. Estas antenas se conectan de forma que se suman las señales individuales para obtener un rendimiento máximo, que puede alcanzar el 80%. La ganancia es de unos 30dB. Una particularidad de estas antenas es la de llevar el conversor incorporado, así resultan más compactas y, por tanto, ocupan un espacio muchísimo menor. Otra ventaja de las antenas planas es que poseen un mayor ángulo de radiación que las antenas parabólicas, lo que facilita su orientación hacia el satélite pero, a la vez, supone una atenuación menor de los lóbulos secundarios y, en consecuencia, un mayor riesgo de interferencias entre satélites. Otro inconveniente de estas antenas es que sólo captan eficazmente señales procedentes de satélites de alta potencia, pues para señales débiles un aumento de la superficie de la antena no implica un aumento proporcional de la ganancia. Su diseño es circular o cuadrado, con dimensiones que no suelen superar los 50 cm de diámetro o de lado, respectivamente, lo que permite su instalación en el interior de las viviendas sin problema alguno de espacio siempre y cuando la antena apunte al satélite sin que existan obstáculos entre ellos.
Bases y Soportes para Antenas Es necesario distinguir entre base y soporte de una antena parabólica. El soporte sostiene la antena y la base sostiene el soporte (que sostiene la antena). La base es el conjunto normalmente formado por un mástil o por un tetraedro de perfiles metálicos que sostienen el conjunto mediante un punto de apoyo (suelo pared, etc.), mientras que el soporte está integrado por los elementos que, fijados a la base, soportan el reflector de la antena parabólica y permiten su orientación. En la figura 44 puede ver la fotografía de una antena parabólica de foco centrado, vista por su 34
Figura 45
Figura 44 parte posterior, y en la que se distingue perfectamente la base del soporte. Una característica importante que deben poseer tanto la base como soporte de una antena parabólica es su resistencia mecánica, sobre todo en zonas donde soplen vientos fuertes. Esta resistencia debe ser suficiente para evitar cualquier movimiento del reflector que lo desvíe de su correcta orientación.
Bases para antenas parabólicas En la figura 31 de la página 27 puede ver una base tipo mástil con su soporte. En la figura 45 hemos dibujado un conjunto basesoporte de forma tetraédrica, con tres de sus aristas para la base y las otras tres, a modo de trípode, para el soporte del reflector. Y, finalmente, en la figura 46 se ha dibujado una base en forma de “U” invertida para anclaje a la pared, también con soporte. Las bases más utilizadas son las de tipo mástil (para antenas colectivas de gran diámetro) y las de enclavamiento a la pared (para antenas individuales de pequeño diámetro). *******************
Figura 46
Qué es un Satélite
Como una primera definición, podemos decir que un satélite es un cuerpo celeste opaco que sólo brilla por la luz reflejada del sol y que gira alrededor de un planeta.
En base a este concepto, difícilmente se pueda pensar que un satélite es una máquina asociada a las comunicaciones (excepto quienes estamos en el tema), pues lo primero que nos viene a la mente es el satélite natural de la Tierra: la Luna, aunque también otros planetas de nuestro sistema solar poseen sus propios satélites naturales, lo mismo que los planetas de otros sistemas solares. Desde la década del 50 hasta nuestros días, también tenemos satélites "artificiales", es decir: cuerpos celestes que giran alrededor de nuestro planeta, pero que están fabricados por el hombre. Consisten en "sistemas" con complicados equipos que giran continuamente alrededor de la Tierra para obtener datos y poder establecer "enlaces electrónicos" entre distintos puntos. En tan pocos años de existencia, los satélites artificiales se han hecho tan populares y familiares que incluso en la actualidad se omite el calificativo "artificial". Ahora bien, como un satélite artificial es un objeto que gira alrededor de la Tierra, debe existir alguna forma de situarlo en el espacio exterior. Para ello se utilizan cohetes propulsores de enorme potencia como los empleados para establecer las diferentes misiones espaciales. El cohete es propulsado por la fuerza que se genera al escapar los gases calientes que se producen durante el proceso de combustión (al encenderse un combustible en presencia de un oxígeno). Como combustibles se utilizan el querosene, el hidrógeno líquido o el alcohol etílico. Muchas veces no se emplea directamente el oxígeno en estado gaseo35
so, sino el oxígeno líquido, ya que el cohete al tener que salir de la atmósfera terrestre, no puede utilizar el aire como oxidante. Es decir: el cohete lleva depósitos de combustible y de oxidante que deben combinarse para que se produzca la combustión. Los elementos necesarios para producir la combustión se cargan y almacenan en los depósitos del cohete a temperaturas muy bajas. El principal requisito de un motor del cohete (se lo llama directamente: "motor cohete") es el empuje, es decir: su tracción hacia arriba. El empuje depende de dos factores:
Figura 1
a) De la velocidad con la que son expulsados hacia abajo los gases por la "tobera" de salida (tobera es "la salida" del lugar donde se produce la combustión del combustible con el oxígeno). b) De la cantidad de combustible consumido.
La figura 1 muestra un dibujo esquemático de un sistema de propulsión para cohetes espaciales. El oxidante y el combustible se mezclan y se colocan, mediante una bomba, en la cámara de combustión, en la que se produce el encendido de la mezcla. Los gases calientes se expanden, forzándose su salida por la parte inferior de la tobera y dan lugar a la nube de vapor y humo tan característica en el lanzamiento de cualquier cohete espacial. En la práctica se emplean diferentes cohetes para la puesta en órbita de los satélites artificiales y de las cápsulas espaciales tripuladas. En la figura 2 se muestra un cohete típico que puede poner en órbita un satélite (o más) de hasta 5 toneladas, en Figura 2 este caso se trata del cohete que lanzó el Amazonas 2 de HISPASAT. Los primeros satélites se ponían en órbitas cercanas a la Tierra, como, por ejemplo, el Score, satélite experimental que fue puesto en órbita por Estados Unidos en 1958 y que giraba alrededor de la Tierra con un perigeo (distancia mínima a la Tierra) de 185km y un apogeo (distancia máxima a la tierra) de 1.470 km, lo que implica que poseía una trayectoria elíptica. 36
Este satélite (como muchos otros) daban vueltas alrededor de la Tierra, por lo cual para captar sus señales radioeléctricas se precisaban antenas que debían seguir su trayectoria por el cielo. Para ello era preciso apuntar una gran antena direccionable hacia un pequeño objeto muy lejano y, por lo tanto, no visible a simple vista, lo que resultaba ser ampliamente complicado. Este problema ha sido superado hoy en día gracias a las órbitas geoestacionarias, lo cual permite que un
Figura 3
Figura 4
En la figura 4 puede ver cómo se consigue este efecto. El satélite no está realmente fijo en el espacio, sino que viaja a una velocidad elevadísima, unos 11.000km/h y a una altura sobre la superficie de la Tierra de casi 36.000 km. Con esta velocidad, el satélite describe una órbita circular que se completa una vez cada 24 horas, es decir: en el mismo tiempo que tarda la Tierra en girar sobre su propio eje, por lo que "parece" que el satélite estuviera inmóvil en el espacio, aunque, de hecho, tanto el observador en la Tierra como el satélite viajan a gran velocidad. Por el momento no queremos entrar en demostraciones científicas, por lo que nos limitaremos a decir que cuando un cuerpo se mueve alrededor de la Tierra actúan simultáneamente sobre él dos fuerzas: por un lado, la fuerza centrífuga (fuerza de repulsión similar a la que aparece en una prenda colocada en un lavarropas durante el proceso de centrifugado) y, por otro, la fuerza de atracción de la Tierra sobre dicho ob jeto. Cuando ambas fuerzas son iguales, hay una órbita estable de un radio determinado y que dura, asimismo, un determinado período de tiempo. En el caso que nos interesa, se puede demostrar matemáticamente que para que el satélite gire alrededor de nuestro planeta y dé una vuelta cada 23 h 56 min 4 s (que es el tiempo exacto que tarda la Tierra en dar una vuelta sobre su eje), el satélite debe ponerse a una altura de unos 36.000 km y debe llevar una velocidad de unos 11.000 km/h. Cabe ahora la pregunta:
satélite permanezca en una posición fija respecto de la Tierra. En consecuencia, las antenas utilizadas para enviar o recibir señales radioeléctricas hacia o desde un satélite geoestacionario permanecen en una posición fija y no se necesita efectuar modificación alguna en su posición, a no ser que deseemos cambiar de satélite y, por lo tanto, debamos modificar su dirección hacia el cielo. Ahora bien, si la Tierra, siguiendo una órbita elíptica, se mueve alrededor del Sol y además gira sobre su propio eje (figura 3), ¿cómo puede haber en el espacio ¿Sobre qué puntos geográficos se colocan los sa - algo "geoestacionario", es decir: situado siempre sobre télites geoestacionarios? un mismo punto de la corteza terrestre? En un principio puede parecer que cualquier punto es bueno, o que una disposición en la vertical del país que utiliza dicho satélite puede ser idónea. La respuesFigura 5 ta, sin embargo, es muy distinta: todos los satélites geoestacionarios se sitúan sobre el Ecuador de la Tierra. Efectivamente, los satélites deben estar situados en el plano del Ecuador para que sean geoestacionarios. Por eso no se usan órbitas verticales ni inclinadas (el Ecuador es el círculo máximo que equidista de los polos de la Tierra y divide a ésta en dos partes iguales). Si la órbita del satélite no está sobre el Ecuador, la dirección del satélite será distinta de la del giro de la Tierra (y, por lo tanto, del observador), tal y como puede deducir de la figura 5, con lo cual el satélite no per37
manecerá estacionario e incluso desaparecerá en ocasiones de la visibilidad del observador. Para que esto no suceda, debería estar colocado a otra altura y girar a otra velocidad (en realidad, esto también sería imposible, aunque no creemos necesario dar las formulaciones matemáticas que permitan demostrar tal postulado). Así pues, el único lugar posible para una órbita de 24 horas es sobre el Ecuador, porque en ella el satélite viaja de este a oeste, exactamente en sincronismo con la Tierra y, por lo tanto, permanecerá geoestacionado con respecto a cualquier punto del planeta. La órbita geoestacionaria se denomina Cinturón de Clarke, pues en 1945 Arthur C. Clarke (escritor) señaló que la Tierra se podría cubrir con tres satélites geoestacioanrios. En pocas palabras y sin temor a equivocarnos en cuanto a la generalidad de los satélites, podemos decir que éstos son, fundamentalmente, receptores de TV sintonizados a señales que son dirigidas hacia él desde la Tierra por grandes "antenas parabólicas". La señal recibida en el satélite se amplifica, y aumenta así su potencia, que es retransmitida de nuevo a la Tierra para que la capte una de las innumerables antenas parabólicas que hay en los techos de las grandes ciudades y que en nuestro país no hemos alcanzado a ver en forma masiva dada la gran proliferación que ha tenido la TV por cable a comienzos de los 90. La transmisión desde el satélite es algo similar a la "huella" que deja un reflector de un teatro cuando el escenario está a oscuras y un actor es "seguido" por una luz (las ondas luminosas y las de radio tienen mucho en común), pues con un "plato" (la antena parabólica del satélite) se "ilumina" la superficie de la Tierra hacia la que apunta. El área que abarca el "plato" del satélite se denomina huella del satélite (veremos me jor este concepto más adelante). Los satélites destinados específicamente a la radiodifusión de TV son lo suficientemente potentes como para permitir el empleo de antenas parabólicas razonablemente pequeñas. Según pasa el tiempo, se van incorporando más y más variedades de DBS (Servicio de Radiodifusión por Satélite) y aumenta con ello el número de canales de TV disponibles.
Figura 6
de televisión en línea recta desde la antena emisora hasta la receptora, en vez de hacerlo hacia el cielo pa - ra que luego deban regresar? ¿Qué hay de malo en el sistema de televisión convencional, para que no poda - mos utilizar un simple emisor de radio y televisión con las antenas de todo el mundo apuntadas hacia él? La primera de las preguntas planteadas tendría sentido si la Tierra fuera plana, pero existen problemas de alcance de las emisiones a causa de la curvatura de la Tierra (las ondas de alta frecuencia son rectas, es decir "no doblan" para seguir la curvatura terrestre). En la figura 6 se ve que la señal emitida por una antena A puede alcanzar a otra antena B, pero como consecuencia de la curva que sigue la Tierra, es imposible que llegue a otra antena C. Dicho de otra forma, A es una emisora cuyas señales siguen una línea recta. B y C son antenas receptoras y, si bien la antena B capta sin dificultad la emisión, no sucede lo mismo con la C, pues queda visualmente oculta de la antena A. Por lo tanto, en las emisiones terrestres es imprescindible que la antena emisora y la receptora se
¿Para qué Sirve un Satélite?
En realidad, el subtítulo debiera ser ¿Para qué se necesita un satélite? , ¿No es posible emitir las señales 38
Figura 7
Figura 8
Figura
"vean"; es decir, no podemos captar señales de emisoras situadas más allá de la línea del horizonte. Por eso, las antenas emisoras se colocan en puntos altos, tales como picos de montañas y también se han construido altas torres de comunicaciones que permiten aumentar la visual de la antena emisora. Para ampliar la distancia de emisión se recurre a conexiones en cadena mediante antenas retransmisoras que captan las señales procedentes de una emisora y la remiten hacia otro punto más lejano. También se
utiliza el reflejo de las ondas radioeléctricas en las capas altas de la atmósfera. En la figura 7 se muestra cómo se vence la limitación de la distancia con uno de un satélite. La antena A puede comunicarse ahora con B y C. Observe, no obstante, que D no recibe señales en esta configuración. El motivo es que en las comunicaciones entre dos puntos se emplean señales de RF que siguen "rayos" rectos y la Tierra puede bloquear efi9 cazmente el camino. Esta dificultad se supera utilizando más de un satélite. Efectivamente, en la figura 8 se ve cómo A llega a D en dos "saltos". Por supuesto, puede existir un enlace directo entre los dos satélites (figura 9), con lo que se reduciría el recorrido total, pero esto trae otros problemas, tales como la dificultad para lograr la orientación exacta entre los dos satélites. Luego de muchos estudios teórico-prácticos, se ha deducido que son necesarios tres satélites geoestacionarios, separados 120° entre sí, para cubrir toda la superficie del planeta, tal y como predijo Arthur C. Clarke en 1945 (figura 10). Las señales de RF de los canales de TV tienen el inconveniente de ser absorbidas por la Tierra y otros objetos sólidos en la medida que se alejan de la antena emisora. De esta manera, cuando se desean alcanzar distancias largas, la señal llega muy debilitada para cumplir su cometido y, por tanto, se necesitan estaciones repetidoras. La ventaja de emplear un satélite, consiste radicalmente en que se necesita solamente una estación retransmisora colocada en el propio satélite. Además, es posible reajustar las antenas receptoras para recibir las señales de distintos satélites. Los satélites también pueden cubrir las pequeñas zonas que tienen dificultades de radiodifusión terrestre por encontrarse en "sombra" para las señales terrestres.
¿Cómo es un Satélite?
Figura 10
Si quisiéramos describir en detalle todas las partes de un satélite de comunicaciones necesitaríamos te39
ner conocimientos previos de electrónica, mecánica, hidráulica, neumática, etc. Sin embargo, vamos a dar algunas descripciones superficiales para que el lector pueda comprender el tema con el objeto de que más adelante comprenda cómo se realiza una comunicación por medio de un satélite. Se sabe que a 36.000 km de altura sobre la superficie terrestre, no existen problemas de resistencia del aire ni de roce con el suelo para cualquier cuerpo que viaje por esos lugares. En consecuencia, un satélite artificial, que, como se sabe, está situado a esa altura, puede tener cualquier forma y dimensiones grandes como para que alberguen todos los equipos que sean necesarios. Por variados y raros que sean los diseños de los satélites, podemos distinguir en ellos dos partes claramente diferenciadas: * Un gabinete central * Alas que sobresalen de dicho gabinete.
Las alas no son tal cosa, pues el satélite no las necesita para volar, ya que está muy por encima de la atmósfera terrestre. Contienen paneles solares que convierten la luz solar que incide sobre ellos en energía eléctrica, necesaria para el funcionamiento de los equipos del satélite.
Figura 11
40
Durante el lanzamiento del satélite desde la Tierra hacia la órbita geoestacionaria donde debe situarse, los paneles solares permanecen plegados, tal como puede observarse en el gráfico de la figura 11. Esto se hace así para reducir al mínimo el espacio ocupado por el satélite en el interior del cohete que lo lanzará al espacio. Es también normal que un satélite tenga una masa de más de 1.000 kg y una envergadura total de unos 25 m. La complejidad de fabricación y puesta en órbita hace que el precio de un satélite artificial alcance valores millonarios en dólares estadounidenses, a los cuales deben añadirse los costos de mantenimiento y la puesta en órbita. Mantener un satélite en una posición geoestacionaria (estacionado sobre un punto del Ecuador) puede resultar complicado, y ello requiere controles muy precisos desde la Tierra. Si consideramos que un desplazamiento de tan sólo un grado en la dirección en que apunta la antena transmisora del satélite desplaza la "huella" unos 600 km, es evidente que se debe exigir una perfecta estabilidad en la posición del satélite. Por otro lado, sobre el satélite influyen las fuerzas gravitorias de la Luna, el Sol y algunos planetas, que
tienden a alejarlo de la influencia de la Tierra. Estas fuerzas deben ser contrarrestadas para que el satélite se mantenga exactamente en la posición correcta. En realidad el satélite debe permanecer con una precisión de ±0,1° de longitud, que equivale a una distancia de 74 km en la órbita. Existen dos formas básicas de controlar la posición del satélite: a) Controlando la rotación. b) Estabilizando el eje. Control por rotación En el control de la posición por rotación, el cuerpo del satélite es cilíndrico y gira unas 100 revoluciones por minuto en una acción giroscópica que se opone a cualquier cambio de la posición del eje de giro. En este sistema, las antenas tienen que girar en sentido contrario al del satélite y con la misma velocidad que éste, para que permanezca apuntado siempre hacia la misma zona de la Tierra.
Figura 12
Control por estabilización del eje Consiste en tres discos sólidos que giran a alta velocidad accionados por motores eléctricos instalados en el interior del satélite. Estos tres discos se disponen en tres direcciones perpendiculares entre sí, tal como se grafica en la figura 12. Si por alguna causa, uno cualquiera de los tres discos aumenta su velocidad, el satélite tiende a girar en sentido contrario y viceversa. Controlando las velocidades de cada uno de los tres motores desde la Tierra, se puede ubicar el satélite en cualquier posición y situarlo así en el punto que nos interese con respecto a la Tierra. El control de la posición debe efectuarse permanentemente, por lo que la estación de control, situada 41
en la Tierra, envía a cada instante señales de control hacia el satélite. Estas señales accionan los motores que modifican la posición del satélite, ya sea por el método de rotación o por el de estabilización del eje. Los motores son eléctricos, y están alimentados por los propios paneles solares. Hoy en día existen otros métodos más seguros e independientes, cuya explicación no hace al contenido de este capítulo. Para que la estación terrestre pueda corregir cualquier variación en la posición del satélite, deberá conocer la posición de éste en cada instante. Para ello se utiliza un sistema de telemetría, que actúa en el interior del satélite y que transmite continuamente hacia la estación terrestre toda clase de datos sobre el satélite, obtenidos por varios sensores. Estos sensores miden el estado de la fuente de alimentación, la cantidad de combustible que queda, las temperaturas en diversos puntos del satélite y los dispositivos de "puntería" para la determinación de la altitud. Para el seguimiento, los controles miden la velocidad y la aceleración. Con el nivel tecnológico actual, los equipos poseen tal sensibilidad que la posición del satélite puede ser determinada con una precisión de unos 50 m. La transmisión de los datos obtenidos de las diversas medidas de control se envían a la estación terrestre mediante señales radioeléctricas emitidas normalmente por una antena independiente de las de emisión de los canales de telefonía y televisión y con distinta frecuencia, con el fin de evitar cualquier posibilidad de interferencias entre ellas.
Los Primeros Satélites de TV
Su función principal es transmitir hacia una zona de la Tierra varios programas de televisión que puedan ser vistos por millones de personas. Para ello, el satélite dispone del equipo receptor/emisor de comunicaciones necesario. Pese a que es la parte más importante del satélite, representa una pequeña parte del peso y costo de la unidad. Los programas de televisión se envían hacia el satélite desde una estación terrestre utilizando portadoras de radiofrecuencia dentro de la gama de las microondas. Estas señales alcanzan la antena receptora del satélite y de ésta pasa a determinados circuitos electrónicos donde son amplificadas y convertidas en 42
Figura 13
otras frecuencia. Estas nuevas señales se aplican en otra antena que las envía de nuevo a la Tierra para ser captadas por las antenas parabólicas apropiadas (que pueden ser de usuarios, proveedores de servicio de cable, etc.). El cambio de frecuencia es necesario para evitar interferencias entre la señal captada y la señal transmitida por el satélite (vea la figura 13), ya que toda antena puede ser emisora y receptora a la vez y, si la emisión hacia la Tierra se realiza con la misma frecuencia que se recibe, la antena receptora captará dos señales: la procedente de la Tierra y la procedente de la antena emisora, así se producirá una realimentación no deseable. El cambio de frecuencia en el interior del satélite evita esto, porque el sistema receptor no acepta la frecuencia transmitida por el sistema emisor. Las frecuencias con que operaban los primeros satélites estaban en la banda de 11,2 - 12,7GHz y cada portadora tiene un ancho de banda de 27MHz (veremos más adelante que existen distintas bandas, algunas cercanas a los 5GHz y otras en torno de los 30GHz). Para cambiar de frecuencia se necesita un "convertidor", es decir, un circuito electrónico, constituido por un oscilador local y un mezclador. En líneas generales, el funcionamiento consiste en aplicar al mezclador la señal de radiofrecuencia captada por la antena receptora del satélite (y que procede de la estación terrestre) y una señal eléctrica de frecuencia muy estable procedente del oscilador local (en el satélite). La suma de estas dos frecuencias da lugar a una tercera frecuencia, que será la portadora que se
envíe desde la antena parabólica emisora del satélite hasta las antenas parabólicas receptoras en la Tierra. El equipo electrónico del satélite usado para transmisiones de TV suele denominarse "TRANSPONDER", "EQUIPO Rx/Tx" o "TRANSPONDEDOR" (conjunto de las palabras transmisor y respondedor). El transponder no incluye los paneles solares y en cada satélite hay más de uno para diferentes servicios.
rrecto funcionamiento de todos los sistemas eléctricos y electrónicos. Los satélites artificiales llevan elementos eléctricos y electrónicos, por lo que es imprescindible una fuente de alimentación que les suministre energía eléctrica. La energía eléctrica se obtiene a partir del Sol dado que si lo hiciéramos por otro método nos encontraríamos en serios problemas. Por ejemplo, por transformación de energía quími¿Cómo se obtiene una señal de salida de poten - ca (pilas y acumuladores), térmica, nuclear, etc., la batería del satélite sería impensable dado que si obtenecia? Para amplificar la señal que será emitida por un sa- mos energía eléctrica por los métodos convencionatélite de comunicaciones se utilizan tubos de onda (pa- les, nos encontraríamos con serios problemas de ra recepción de señales de TV en instalaciones case- abastecimiento. Si utilizamos pilas, éstas se agotan. Si ras esto no es necesario). Uno de los dispositivos uti- utilizamos motores de explosión, necesitamos comlizados en los "transponders" de los DBS es el tubo de bustible para su funcionamiento que luego de un tiemonda progresiva (abreviadamente TWT, del inglés Tra- po, también se acabará. Lo ideal es obtener la energía velling Wave Tube), o TWTA (donde "A" significa "am- eléctrica a partir de la luz solar, tal como recién lo esplificador"), que se utiliza en la etapa amplificadora de pecificamos. potencia de salida. La transformación de la energía solar en energía Se constituye de un conjunto de circuitos muy com- eléctrica se consigue mediante células solares. Estas plejo. Pero tenga en cuenta que la amplificación de se- células se fabrican con una fina capa de silicio o arseñales en la banda de SHF con la que trabajan los niuro de galio depositada sobre una base apropiada. transponders de los satélites nada tienen de fácil si se La electricidad producida por una sola célula es compara con las de las frecuencias inferiores utiliza- muy pequeña, de ahí que son necesarias varias de das en las bandas de radio y televisión hasta UHF. En ellas conectadas convenientemente. la medida que las frecuencias se van haciendo más alPara conseguir una gran superficie de captación de tas, resulta más difícil su tratamiento y en esas condi- la luz solar, las células se extienden, por lo general, en ciones ya no se puede hablar de transmisión de señal paneles planos, "tipo alas", que se despliegan en el espor cables, debido a que las capacidades distribuidas pacio una vez colocado el satélite en órbita geoestay la inductancia del mismo son bastante apreciables a cionaria. También, los satélites giratorios en forma de esas frecuencias. Los TWT aparecieron a principios de tambor pueden tener las células convenientemente fila década de los cuarenta y con ellos se produjo un im- jadas en torno a la superficie externa, sin necesidad de portante avance en la amplificación de las señales ra- la ubicación de los paneles. dioeléctricas de frecuencias muy elevadas. En la acEn el espacio, como no hay atmósfera (como contualidad se ha mejorado constantemente este tipo de secuencia de que la Tierra o algún otro astro o planeválvula electrónica, con lo que se pueden manejar po- ta no ejercen influencia), los rayos solares proporciotencias de salida más altas, mayor ancho de banda y nan una potencia de más de 1,5kW x m2 (suficiente paposibilidades de utilización con frecuencias cada vez ra hacer arrancar un motor de buena potencia). más altas. Por tratarse de válvulas amplificadoras, proSin embargo, en el estado actual de la técnica, no porcionan una potencia de salida muy superior a la es posible aprovechar toda esta enorme energía para aplicada en la entrada. Así, se pueden obtener poten- transformarla en electricidad, pues las actuales células cias de salida comprendidas entre unos pocos watt y solares son relativamene poco eficaces en la converunos 250W con ganancias superiores a los 50dB. sión de la energía solar en electricidad, aunque se están dando importantes pasos para mejorar su rendiLa Fuente de Alimentación miento. Este bloque es quizá, uno de los más importantes El rendimiento de las primeras células era de un y críticos dentro del satélite, pues es el encargado de porcentaje muy reducido, pero las más recientes supesuministrar la energía eléctrica necesaria para el co- ran ya el 28%, por lo que se obtienen potencias de 43
unos 200W/m2. Por lo tanto, la luz solar, al incidir sobre las células solares de los paneles del satélite, genera la suficiente energía eléctrica para el funcionamiento de los equipos eléctricos y electrónicos del mismo, y la energía que sobra se aprovecha para cargar las baterías de los acumuladores de níquel-cadmio, que suministrarán energía a los equipos cuando el satélite quede eclipsado por la Tierra, tal como se muestra en la figura 14. Las baterías internas son sumamente necesarias dado que, como sabemos, existen momentos en los cuales no llega luz solar a las celdas. En efecto, se producen dos eclipses a lo largo del año, coincidentes con los equinoccios de primavera y otoño (hacia el 21 de marzo y el 21 de septiembre, en que la noche y el día tienen la misma duración). Los eclipses comienzan unos 20 días antes de los equinoccios, con una duración, al principio de 1 ó 2 minutos al día, que van aumentando a medida que se acerca la fecha del equinoccio, hasta alcanzar su máxima plenitud, de más de una hora diaria, durante el equinoccio y también durante unos días antes y después de éste. Luego vuelve a disminuir la duración del eclipse hasta desaparecer por completo, unos 20 días después del equinoccio. Durante el eclipse, el satélite depende por completo de sus baterías y por eso necesita que tengan suficiente capacidad.
Las Antenas del Satélite
Los satélites llevan varias antenas específicas para diferentes servicios. Las mismas pueden ser tipo parabólicas o tipo túnel (bocinas). Las antenas parabólicas transmisoras son iguales que las parabólicas receptoras y tienen la propiedad de enfocar la onda de radio en un ángulo muy pequeño, lo que permite concentrar toda la energía sobre una determinada zona de la superficie terrestre. Las antenas tipo bocina, mostradas en la figura 15, poseen propiedades "omnidireccionales" y se instalan en el extremo de guías de ondas de forma adecuada. Las antenas deben ser de características omnidireccionales porque mientras el satélite está siendo dirigido hacia la órbita geoestacionaria, no puede establecerse su posición correcta respecto de la Tierra y, como consecuencia, las antenas direc44
Figura 14
Figura 15
cionales no apuntan correctamene y no reciben las señales radioeléctricas procedentes de la estación terrena. Las antenas omnidireccionales son el único medio para mantener el contacto con el control terrestr terrestre e y se utilizan hasta que se esta esta - blece la actitud correcta.
Una vez conseguido esto, el enlace de comunicaciones se mantiene por medio de la antena parabólica direccional, la que seguirá una determinada "huella" para mantener la comunicación. Denominamos huella de un satélite artificial a la superficie terrestre cubierta por las emisiones radioelécFigura 16
tricas de éste. Para comprender este concepto podemos imaginarnos una lámpara cuya luz incide verticalmente en el suelo, tal como se observa en la figura 16.
En este caso veremos una zona del suelo, en forma de círculo, intensamente iluminada; a medida que nos alejamos del centro del círculo, la luz se hace más tenue. El círculo iluminado será la "huella" de la linterna. Figura 17 De igual forma, un satélite colocado en órbita geoestacionaria producirá una huella en forma de círculo sobre su vertical, es decir, sobre los países situados en el Ecuador de nuestro planeta. Pero si las antenas del satélite no están dirigidas hacia el Ecuador (por ejemplo, apuntan a Bs. As.), ahora la "Tierra" no está en un plano perpendicular a la dirección de enlace del satélite y, por lo tanto, la zona iluminada del suelo ya no es un círculo, sino que adquiere forma elíptica. Ahora bien, como todos sabemos, la Tierra no es plana, sino que tiene forma esférica, por lo que en esFigura 18 te caso la huella del satélite sobre una zona del hemisferio norte o sur de la Tierra adquiere forma ovalada, con el extremo cónico en el lado polar, porque las ondas radioeléctricas poseen una cierta inclinación con respecto a la vertical del satélite sobre el Ecuador. Como ve, con una sola antena es imposible "cubrir toda la Tierra", y las huellas (tanto en tamaño como en forma), dependerán de la zona del suelo que esté iluminada. En síntesis, podemos decir lo siguiente: Denominamos huella de un satélite artificial a la superficie superficie terrestre terrestre cubierta cubierta por las emisiones radioe radioe - léctricas de éste.
Figura 19
Si hacemos incidir la luz de la linterna un cierto ángulo con respecto a la Tierra, la zona iluminada ya no será un círculo sino una elipse (figura 17). Este efecto también ocurre con los satélites que "apuntan la Tierra"; éstos producirán una huella elíptica, tal como se muestra en la figura 18. El tamaño de una huella se controla por la magnitud de apertura del haz en su recorrido hasta la Tierra, como se ilustra en la figura 19. La máxima potencia de señal en el terreno se obtiene, lógicamente, en el centro de la huella, y va disminuyendo a medida que aumenta la distancia a éste. Las huellas de los satélites 45
son dadas en textos y revistas de varias maneras, pero lo más frecuente es hacerlo como se especifica en la figura 20. En la mayor parte de mapas, la primera línea que rodea el centro representa el contorno en el que la potencia de la señal tiene la mitad de la potencia que el centro, es decir, donde la potencia está "3dB por debajo". Las demás líneas que rodean el centro representan zonas de cobertura con potencias inferiores, por ejemplo, cada 5dB por debajo. El contorno de "3dB por debajo", el ángulo de anchura de haz se denomina ancho de haz de mitad potencia (HPBW) . Está presentado en la figura 19. Otro punto importante es que, para una frecuencia dada, el ángulo de ancho de haz depende directamente del tamaño de de la antena parabólica. parabólica. Las antenas grandes tienen unos haces estrechos y viceversa. Este es uno de los motivos por el que las antenas de los satélites, teniendo en cuenta que se tienen que transportar hasta la atmósfera, son mayores que lo que idealmente sería conveniente. Como ejemplo diremos que a 12GHz, una antena parabólica de 3 m proporciona un ancho de haz de unos 380 km. Ahora bien:
Figura 20
averías debidas a la corrosión; pero entran en juego otros factores que sí afectan negativamente la vida útil del satélite. Los más importantes son:
* El combustible combustible necesario necesario para realizar realizar las correc correc - ciones eventuales se agota, por lo que no es posible corregir corregir la posición posición el satélite y se pierde pierde el control control so - bre él. * Siempre Siempre existe el riesgo riesgo de falla de algún algún compo - La huella que, que, sobre la superficie superficie terrestre, terrestre, produ produ - nente, aunque, como hemos dicho antes, es un riesgo ciría una antena parabólica del satélite se denomina muy pequeño, ya que no existe corrosión atmosférica huella primaria. como en la Tierra. De todas formas, para prevenir cualquier posible posible fallo, se duplican duplican los sistemas, sistemas, de for - No obstante, muchos satélites utilizan varias ante- ma tal que si uno falla otro asuma automáticamente su nas, cuya finalidad es producir haces puntuales, que función. pueden ser necesarios para completar la cobertura de * Las celdas solares y los acumuladores pierden una región de tamaño irregular, que no se adapta a un eficacia con el tiempo, por lo que llegará un momento ovoide normal. Pueden existir, además, áreas de im- que los equipos no reciban la energía eléctrica eléctrica sufi - portancia particular, que no deben ser dejadas aparte, ciente para su correcto funcionamiento. o en las que la señal recibida sería, en otro caso, de* Existe otra fuente potencial de avería, aunque masiado débil. En estos casos se utilizan antenas pa- hasta ahora no ha dado prácticamente motivos de rabólicas de tamaño superior al usual, con las que las alarma. alarma. Se debe a los meteoritos meteoritos y a la "basura "basura espa - señales de radio pueden ser concentradas en un haz cial" de origen humano humano (satélites (satélites artificiales artificiales ya en de - más estrecho, lo que proporciona una pequeña huella suso), que pueden colisionar con el satélite activo y adicional que puede ser apuntada hacia el punto o la provocar en él serios desperfectos. región requeridos. Naturalmente, puede haber varios haces puntuales trabajando junto con el principal. Se Por lo general, en el estado actual de la técnica aereconocen por nombres como "haz puntual occiden- roespacial se estima una vida útil de, al menos, 12 tal", "haz puntual oriental", etc. y sus huellas pueden años, aunque todos los esfuerzos se dirigen a aumenestar completamente separadas de la principal o se tar esta duración. pueden utilizar para modificarla. A continuación continuación,, veremos veremos cómo se clasifican clasifican los los Ya dijimos que los satélites no se ven perjudicados satélites: por las condiciones ambientales dado que a 36.000 km 1) Satélites de órbita circular de la Tierra, sin la influencia del oxígeno de nuestra atmósfera los equipos no sufren oxidación y se evitan las Son los más usados para comunicaciones entre ra-
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Figura 21
dioaficionados y los denominados satélites meteorológicos. Se mantienen a pequeñas distancias de la Tierra entre 200 y 1.500 km, por lo que se les puede trabajar con antenas cortas, sin grandes ganancias. Pueden ser de órbitas polares (es decir, que giran alrededor de los Polos, desfasados 90° con respecto al Ecuador, figura 21.b) o ecuatoriales (giran alrededor del Ecuador con inclinación 0°, figura 21.a). Algunos de ellos, como el laboratorio espacial MIR (caído en abril de 2001), describen una órbita circular, pero fuera de estos dos puntos centrales; es decir, su paso no incide ni con los Polos ni con el Ecuador. Esta órbita es de 135°, figura 21.c. 2) Satélites de órbita elíptica Son de gran utilidad para uso de la radioafición debido a que la trayectoria que describen hace que, cuando se acercan a la Tierra, puedan pasar a una distancia de unos 200 km en su perigeo o alejarse a los 36.000 km (apogeo), por lo que se les puede trabajar durante varias horas. Destacamos para la explicación especialmente el OSCAR 10 y, sobre todo, el OSCAR 13 , por haber sido los primeros de esta época, pero aclaramos que más adelante, haremos referencia a satélites empleados por distintos servicios en Latinoamérica. El Arsene , posterior a los Oscar, es un satélite de fabricación francesa dedicado a las comunicaciones digitales. Cualquiera de estos satélites son muy fáciles de trabajar con medios mínimos al alcance de un operador medio. Todos ellos llevan aparejados algún tipo de transmisión digital como mínimo, para emitir datos de telemetría que nos permitan conocer su estado y otros datos de interés.
Es muy important importante e contar con program programas as de se - guimiento, guimiento, ya sean manuales manuales o por computadora computadora,, pa - ra conocer en cada momento la situación exacta del satélite (fecha, hora y órbita más apropiadas para nuestra situación situación geográfic geográfica a y resto de datos co - mo elevación, azimut, etc.).
Hoy día estos datos son fáciles de obtener de revistas especializadas, que nos mantienen perfectamente informados de las variaciones de los distintos parámetros casi de forma inmediata.
3) Satélites geoestacionarios Son muy conocidos por la forma típica en que nos sirven diariamente. A través de ellos se realizan todas las retransmisiones de televisión por los distintos canales. Tienen un movimiento parecido al de la Luna, están situados a una distancia del orden de los 36.000 km y describen una órbita a idéntica velocidad angular que la de giro de la Tierra, con lo que dan la impresión de esar fijos con respecto a nosotros. En 1945, el físico y matemático inglés Arthur C. Clarke, autor de novelas de ciencia ficción como "2001, una odisea en el espacio" o de la serie de televisión "El misterioso mundo de Arthur C. Clarke", ya planteaba en "Wireless World" (que podemos traducir como "Telegrafía sin hilos mundial") la posibilidad de un sistema mundial global de radiocomunicaciones mediante tres satélites, separados por un ángulo de 120° cada uno de ellos, que giran alrededor de la Tierra en una órbita circular a unos 36.000 km de altura sobre el Ecuador y que se mueven en el mismo sentido que ella, con igual velocidad angular (vea la figura 47
10 de este capítulo). De este modo aparecerían inmóviles para los observadores terrestres (órbita geoestacionario, geosíncrona o de Clarke ), y se utilizarían como repetidores radioeléctricos "fijos", cada uno para la región terrestre que "viese" (casi la mitad del globo). Entre otras cosas, Clarke llegó a la conclusión de que los satélites serían el único medio para lograr una verdadera cobertura mundial, útiles a todos los posibles servicios radioeléctricos.
Sistemas Satelitales Sobre América Latina Figura 22
Para establecer comunicaciones personales "domésticas", América Latina cuenta con un sistema satelital global, constituido por más de 60 satélites de ba ja órbita. Luego de consultar abundante bibliografía sobre el sistema Iridium, desde apuntes publicados en revistas de ingeniería hasta informes presentados por Iridium LLC, encontré en una revista de interés general un enfoque que me pareció apropiado para explicar el sistema IRIDIUM, que consiste en una red de 66 satélites que, ubicados en órbitas bajas (cercanas a la Tierra), forman un "sistema de comunicaciones global sobre América Latina". Desde siempre, los satélites se han utilizado con una variedad de objetivos tecnológicos, científicos, militares y de comunicación. Una muestra de ello podemos apreciarla en la figura 22: representa 10 años de trabajo con el programa Skylab, que permitió que el Voyager pudiera fotografiar de cerca al planeta Saturno.
Figura 23
poseen equipos de radio para transmitir datos con los instrumentos de a bordo, receptores de radio y circuitos electrónicos para almacenarlos y otros equipos de control, como radares y sistemas de rastreo (figura 23). Sin embargo, hoy los satélites se emplean también Las primeras transmisiones vía satélite eran baspara transmitir conversaciones telefónicas de larga tante precarias. Los satélites funcionaban más bien distancia, datos digitales e imágenes de televisión. pasivamente, es decir, reproducían las señales limitándose a reflejar las señales que se enviaban desde las Como dato anecdótico, el 4 de octubre de 1957, los estaciones terrenas. ingenieros aeroespaciales rusos lograron situar en órEstas salían en todas direcciones y eran, a su vez, bita el primer satélite artificial de la historia. Consistía recogidas por estaciones terrenas alrededor del munen un equipo de sólo 58 cm de radio cuyas señales do por medio de antenas parabólicas (figuras 24 y 25). fueron seguidas desde la Tierra casi desde el comienEn los años 60, este concepto comenzó a cambiar zo de la puesta en órbita. y hoy, los sistemas de satélite son totalmente activos. Estas señales marcaron el nacimiento de la era es- Cada satélite lleva su propio equipo de recepción y pacial en la cual las superpotencias (Estados Unidos, transmisión, recibe las señales desde una estación teRusia, Francia e Inglaterra, principalmente) se lanza- rrena, las amplifica y luego las retransmite en diferenron a una feroz competencia. tes frecuencias a otras estaciones, sean estables o Como vimos anteriormente la mayoría de los saté- móviles (barcos, aviones, centrales terrenas, etc.). lites son alimentados por baterías de celdas solares, y Uno de los sistemas de satélites más empleado, es
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Figura 24
Figura 25
didos a través de los océanos. Algunos de los servicios que pueden prestar los satélites en un sistema global de comunicaciones son: • Comunicaciones de larga distancia sin necesidad de instalar y mantener cables de cobre o de fibras ópti - cas de longitudes
el de Low Earth Orbiting (LEO), de órbita baja. Las constelaciones de satélites LEO se encuentran, por lo general, en órbitas que van de 750 a 1.500 km de altitud. Suelen tener capacidad para trabajar con voz, datos y fax. Además, debido a su baja altitud, se utilizan en sistemas de telefonía celular móvil. Además de disponer de terminales más pequeñas, sus señales se miden en centésimas de segundo, mientras que los satélites geoestacionarios lo hacen en fracciones de segundo. La principal desventaja de los sistemas de órbita baja es que requieren muchos más satélites para cubrir grandes áreas. Las comunicaciones por satélite pueden proporcionar los servicios domésticos básicos y servicios internacionales estándar, lo que permite promover el desarrollo en países de bajos recursos. Incluso considerando el costo por la instalación y mantenimiento de los satélites, el monto total del sistema resulta mucho más barato que el de los cables coaxiales submarinos tenFigura 26
exorbitantes. • Base para acceso ampliado a las comunicacio - nes. • Difusión de información en situaciones de emer - gencia, servicios de salud, educación, seguridad, in - dustria y comercio. • Posibilidad de establecer comunicaciones elec - trónicas, tales como la transmisión por Fax y e-mail.
Hoy los satélites manejan más del 40% del tráfico de voz y de las señales de televisión en el mundo. Hasta ahora, mayormente se han empleado para trasmitir señales de televisión y datos, más que para telefonía. Pero esto está cambiando, a tal punto que para fines de este año, entrará en operaciones un sistema completamente nuevo de comunicación a través de satélites. Esta nueva red dará servicio de telefonía celular. Esto permitirá que la comunicación sea instantánea y no diferida -aunque por segundos- como ocurre en la mayoría de los casos. Entre los consorcios de satélites que actualmente compiten por este mercado de la comunicación personal de acceso global por satélites, se encuentran GlobalStar, Iridium e ICO Globe Communications. Todos estos consorcios suelen ofrecer servicios de telefonía celular móvil, comunicaciones de datos, Internet, etc., para lo cual aplican los últimos avances tecnológicos; por lo cual, reduciéndose la posibilidad de interferencias, desconexiones y pérdidas de datos, la señal tiene mayor calidad. GolbalStar posee 48 satélites en la constelación LEO. Entre sus socios se encuentran: Air Touch Comm., Dacom/Hydai, France Telecom/Alcatel, Vodafone y Daimier-Benz Aerospace, Elsag Bailey y Loral 49
Space and Communications Ltd., Qualcomm, Alenia Dacom. La tecnología de GolobalStar es Code División Multiple Acces. GlobalStar Americas proporciona servicios a diferentes países de América Central y del Sur como ser: Belize, Costa Rica, El Salvador, Guatemala, Honduras, Nicaragua, Panamá; Bolivia, Ecuador y Paraguay y gran parte de Argentina. El sistema estará funcionando a principios de 1999. El sistema de Iridium Universal Service (figura 26) consta de 66 satélites operacionales situados en seis planos polares orbitales. Los satélites son ensamblados y puestos en órbita por Motorola's Satellite Communications Group, que es su principal contratista.
Satélites Argentinos
Los Satélites de la Argentina han sido en su mayoría realizados como parte del Programa de Diseño y Construcción de Satélites SAC (Satélites de Aplicaciones Científicas) que es parte del Plan Espacial Nacional Argentina en el Espacio 2004 – 2015 , implementado por la Comisión Nacional de Actividades Espaciales (CONAE). También existe un satélite, el Pehuensat-1, diseñado y elaborado por la Universidad Nacional del Comahue y lanzado en enero de 2007, desde la India. La historia satelital argentina comenzó en enero de 1990 cuando el cohete Ariane dejó en órbita espacial al Lusat 1, el primer objeto argentino puesto en órbita. Fue la obra de radioaficionados unidos a una agencia de Estados Unidos. El segundo fue Víctor-11 lanzado el 29 de agosto de 1996, con el cohete ruso Molnya para prever el tiempo y prognosis sobre el clima. Después fue el turno de SAC-B, el 4 de noviembre de 1996. El Nahuel 1-A llegó al espacio en enero de 1997 y el objetivo fue las telecomunicaciones. No fue hecho por argentinos. El SAC-A fue lanzado el 14 de diciembre de 1998 y el SAC-C se lanzó el 21 de noviembre de 2000 y es un satélite argentino de teleobservación. Salió de una base de California. El Pehuensat-1 fue lanzado el 10 de enero de 2007 desde la India, entrando en órbita 20 minutos después. Por otra parte la empresa estatal AR-SAT (Soluciones Satelitales), ha encargado a INVAP la ingeniería conceptual del primer satélite argentino de 50
Figura 27
comunicaciones satélite geoestacionario, que ocupará la posición orbital reservada por la Argentina. Veamos entonces algunos detalles de estos satélites: SAC-A De validación tecnológica El satélite SAC-A, figura 27, es un pequeño satélite, diseñado, integrado y construido por la empresa INVAP, en los laboratorios de Villa Golf, bajo un contrato con la CONAE. El SAC-A posee un peso de 68 kg, y sirvió para probar sistemas ópticos, de energía, de navegación y de guiado de control. Transportado por el transbordador Endeavour, en diciembre de 1998, llegó a exceder su vida útil de 8 meses sin presentar problemas técnicos. El satélite se quemó al entrar en la atmósfera en octubre de 1999, habiendo transmitido de manera correcta datos e imágenes. En los últimos dos meses de su funcionamiento la CONAE lo aprovechó para enseñar telemetría y control de satélites a estudiantes. SAC-B Astronómico Se lanzó en 1996 (antes que el SAC A) con el objetivo de investigar las fuentes explosivas extragalácticas de alta energía. Su peso era de 191 kg, (50 kg de carga útil). Fue puesto en órbita montado en el cohete estadounidense Pegasus XL. Debido a fallas en el vehículo disparador no pudo eyectarse del mismo y al quedar pegado se quedó sin energía por lo que sólo pudo dar escasas vueltas a la Tierra. Sin embargo pudo poner en funcionamiento todos sus sistemas correctamente hasta que las baterías de a bordo se agotaron. Esto último se debió a que al haber estado incorrectamente adosado al cohete Pegasus el satélite no pudo desplegar sus paneles solares.
Figura 28
SAC-C De observación de la Tierra Lanzado en 2000 (figura 28), se mantiene en buen funcionamiento a mediados de 2009, a pesar de que
se le estimaba un tiempo de vida de tan solo 4 años. Se trata de un satélite mediano de 485 kg de peso, de órbita baja, para la observación de la superficie terrestre por medio de 3 cámaras. Tiene como misión el monitoreo del ambiente y de catástrofes naturales. Obtiene imágenes de todo el territorio nacional, y de países limítrofes, en tiempo real; y produce imágenes del resto del mundo en modo almacenado. Los países asociados a esta misión son: EE. UU., Italia, Dinamarca, Francia y Brasil. Reúne diez cargas útiles pertenecientes a cinco de los seis países mencionados. De estas cargas, las más importantes para la Argentina son sus tres potentes cámaras ópticas de observación de la superficie terrestre. Fueron desarrolladas por INVAP con una combinación de “bandas”, resoluciones y sensibilidades que resulta ideal para el monitoreo del ambiente terrestre y marítimo de la Argentina. Está prevista para antes del año 2015 la creación
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de dos estaciones satelitales más, posiblemente en Tierra del Fuego y en la Antártida, y los siguientes satélites: SAC D / Aquarius El satélite argentino SAC D, también conocido como Aquarius, es uno de los satélites diseñados y construidos en la Argentina que integran la serie SAC. Objetivo: estudiar la salinidad del mar y detectar zonas de riesgo de incendios e inundaciones. Los ocho instrumentos que llevará a bordo el SAC-D conformarán un verdadero observatorio dedicado al estudio del océano y de la atmósfera terrestre. Mediante la obtención de datos de salinidad del mar, su temperatura superficial, vientos, presencia de hielo y contenido de humedad en la atmósfera, se podrá mejorar el conocimiento de la circulación oceánica y su influencia en el clima del planeta. Recopilará también información sobre el desprendimiento de los hielos en las zonas polares, la humedad de los suelos, los focos de incendio y la temperatura de las aguas del mar, un 52
dato de particular interés para la actividad pesquera. El satélite también estudiará la superficie terrestre para tomar datos sobre humedad del suelo y detectar focos de alta temperatura, entre otros, para su utilización en alerta temprana de incendios e inundaciones. Localmente se desarrollan cinco de los ocho instrumentos que llevará la misión: un radiómetro, una cámara de alta sensibilidad para la observación nocturna, un instrumento de recolección de datos y un experimento tecnológico para una futura misión satelital. Por su parte, el instrumento que aporta la NASA, denominado “Aquarius”, es la carga principal del satélite. La construcción definitiva del satélite se prevé para octubre de 2009, mientras que su lanzamiento se concretará en setiembre de 2010, desde la base de Vandenberg, en California. SAC E (SABIA-MAR) De misión óptica. Satélite argentino-brasileño de información sobre agua, ambiente y producción de alimentos en la zona del Mercosur.
SIASGE: los SAOCOM Con la Agencia Espacial Italiana la CONAE está desarrollando el Sistema Italo Argentino para la Gestión de Emergencias (SIASGE). Este sistema comprende un total de seis satélites equipados con sensores de microondas activos (radar de apertura sintética). Los dos satélites argentinos de este sistema, denominados SAOCOM trabajan con radares en la banda L (de microondas de 23 cm de longitud de onda), y los cuatro satélites radar italianos, los COSMO-SkyMed, operan en banda X (microondas de 3 cm de longitud). El primero de los satélites italianos se lanzó en junio de 2007 desde California. Es capaz de obtener información de la humedad del suelo, estructuras geológica, recursos forestales y marinos, cosechas, erupciones e incendios. Sirve también de apoyo a actividades judiciales y de seguros, aunque su aplicación primordial es militar. Pehuensat-1 Un satélite con objetivos educativos construido totalmente en la Argentina fue lanzado el 10 de enero de 2007 a la mañana, a bordo de un cohete desde una base aeroespacial de la India. El armado demandó cinco años y fue realizado por investigadores de la Universidad Nacional del Comahue. Tronador II Para el 2012 la Argentina tiene previsto el lanzamiento del Tronador II, vehículo de unos 29 metros de alto que puede transportar una carga útil de 200 kg a 500 km de altura. El Tronador II será un vehículo de
Figura 29
trayectoria controlada para lo que dispondrá de los correspondientes sistemas de navegación, de guiado y control, diseñados y construidos en el país. Desde esta página se pueden ver las ubicaciones de los satélites. http://science.nasa.gov/realtime/Jtrack/3d/Jtrack3d.html
Satélites Mexicanos
En 1968, México obtuvo su primer satélite, ATS-3, propiedad de la NASA y rentado por Intelsat, un organismo público internacional del que México es miembro. El Sistema Morelos En octubre de 1982, con el fin de unificar las zonas rurales y urbanas de la nación, y como respaldo a la Red Federal de Microondas, la cual ya operaba a su máxima capacidad, el gobierno mexicano, a través de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes, tomó la decisión de adquirir su primer sistema de satélites: el Sistema Morelos, constituido por los satélites Morelos 1 y 2 (figura 29) y el centro de control satelital ubicado en Iztapalapa, D.F. El costo del sistema Morelos fue de 92 millones de dólares. En ambos casos, se trataba de un satélite modelo HS 376, que era el más comercial de la época. Los satélites del Sistema Morelos brindaron servicios de comunicaciones de televisión, telefonía y datos hacia y desde cualquier punto de la República Mexicana. Sistema Solidaridad Los satélites del Sistema Solidaridad fueron construidos por la empresa Hughes Aircraft Company (actualmente Boeing), y costaron más de 300 millones de dólares, incluyendo servicios de lanzamiento, adecuación al centro de control de Iztapalapa, un nuevo centro de control en Hermosillo y seguros. El Solidaridad 1, figura 30, se lanzó en noviembre de 1993 por medio de un cohete Ariane. Sistema SatMex En 1997, el sistema satelital mexicano que incluía los satélites Morelos 2, Solidaridad 1 y 2 y Satmex 5 (figura 31) en construcción, así como los centros de control de Iztapalapa y Hermosillo, se privatizó, constituyéndose la empresa Satélites Mexicanos (SATMEX), 53
Figura 30
con la participación mayoritaria de telefónica Autrey y Loral Space and Communications, y una parte minoritaria del gobierno mexicano.
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Figura 31
Desde entonces, SATMEX se encarga de su operación y administración. Los más destacados de este sistema son:
SATMEX 5 (1998- operativo) SATMEX 6 (2006- operativo) SATMEX 7, en construcción por la compañía estadounidense Space Systems/Loral, será lanzado en 2011. Los Satélites Morelos I y Morelos II (también llamados SATMEX 1 y SATMEX 2) aunque ya se encuentran fuera de servicio, son propiedad de SATMEX. Actualmente están operativos Solidaridad 2, Satmex 5 y Satmex 6. Sistema UNAMSAT El sistema UNAMSAT fue implementado y construído por la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), bajo la dirección de David Liberman, y puestos en orbita polar por cohetes Kosmos-3M de la empresa rusa Polyot; ambos satélites con fines experimentales, tuvieron un costo de $100,000 dólares en total.1 2 3 UNAM-SAT I (Destruido durante el lanzamiento el 28 de marzo de 1995)
UNAM-SAT II (1996-1997) Idéntico al UNAMSAT I, fue lanzado el 5 de septiembre de 1996 con un cohete ruso Kosmos 3M , colocando el satélite en una órbita a 1000 kilómetros de altura y 83º de inclinación con respecto al ecuador. El lanzamiento del UNAMSAT II costó $112,000 dólares, y estudió la ionización que producen los meteoros al entrar a la atmósfera terrestre, e incluía también un transponder para radioaficionados.4 5 6 UNAM-SAT III - Su misión es proveer información para poder establecer un sistema de detección y predicción de terremotos en México.7 Su lanzamiento está programado para marzo de 2010 desde Rusia8 por medio un cohete Dneipr 1.
Satélite Venezolano
El Satélite Simón Bolívar es el primer satélite artificial propiedad del Estado venezolano lanzado desde China el día 29 de octubre de 2008. Es administrado
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por el Ministerio del Poder Popular para la Ciencia y Tecnología a través de la Agencia Bolivariana para Actividades Espaciales (ABAE) de Venezuela para el uso pacífico del espacio ultra terrestre. Está ubicado a 35.784,04 km de la superficie de la Tierra en la órbita geoestacionaria de Clark. El satélite Simón Bolívar nace como parte del proyecto VENESAT-1 impulsado por el Ministerio de Ciencia y Tecnología a mediados de 2004. Ese mismo año se iniciaron conversaciones con la Agencia Espacial Federal Rusa, en principio se trató de concretar el convenio con Rusia pero ante la negativa de éste a la propuesta venezolana de transferencia tecnológica, que incluía la formación de técnicos especializados en el manejo del proyecto Satélite Simón Bolívar, Venezuela decide abandonar el acuerdo con Rusia. Luego en octubre de 2004 el Estado venezolano decide iniciar conversaciones con China quienes aceptaron la propuesta. De esta forma técnicos venezolanos serían capacitados en tecnología satelital, desarrollo del software y formación técnica para el manejo del satélite desde Tierra. De cara al futuro el gobierno venezolano espera producir tecnología satelital encaminada a lanzar satélites desde suelo venezolano, con tecnología propia. El proyecto fue aprobado y el satélite es fabricado y puesto en órbita por la Administración Nacional China del Espacio por un valor superior a los 400 millones de dólares según las especificaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones. Se espera que con la puesta en órbita del satélite, Venezuela obtenga mayor independencia tecnológica y de transmisión
de datos. HISPASAT Un Operador que Hace “Huella” en América Latina
HISPASAT es un operador de satélites espaciales español que ofrece coberturas en América, Europa y Norte de África en las posiciones 30° Oeste y 61° Oeste. Constituido en 1989, su ámbito de acción se enmarca en los servicios de comunicación en los sectores comercial y gubernamental (redes corporativas, servicios avanzados de telecomunicaciones, telefonía, videoconferencia, etc.). La flota de satélites de HISPASAT permite distribuir más de mil canales de televi56
sión y radio a más de treinta millones de hogares, así como servicios de banda ancha en entornos fijos y móviles.1 El primer satélite puesto en órbita fue el Hispasat 1A en septiembre de 1992 a bordo de un vehículo lanzador Ariane 4, desde el Centro Espacial de Kourou (Guayana francesa) y se situó en órbita geoestacionaria en la posición 30º Oeste a 36.000 km de altura, donde se posicionan desde entonces todos sus satélites de la serie Hispasat(1A, 1B, 1C, 1D y el futuro 1E), centrados principalmente en el mercado español y europeo. La serie de los satélites Amazonas (61º Oeste) inaugurada en 2004 con el lanzamiento del primer Amazonas, se centra en el mercado americano (principalmente latinoamericano). Amazonas 2, el satélite de comunicaciones de mayor potencia con cobertura panamericana, se lanzó el 1 de octubre de 2009 y permitió a HISPASAT duplicar su capacidad en el continente. En la tabla 1 se detallan los satélites de este operador. Amazonas 2
Hispasat, el operador español de comunicaciones por satélite, lanzó con éxito desde el cos-
Tabla 1: Descripción de satélites HISPASAT.
módromo de Kourou (Guayana Francesa) el satélite Amazonas 2, que duplicará la capacidad de los servicios de la compañía en América. El lanzamiento se inició a las 19.00 horas (00.00 horas en España) con total normalidad. La puesta en órbita del Amazonas 2 fue realizada por un vehículo lanzador Ariane 5 ECA, desarrollado específicamente para colocar satélites en la órbita geoestacionaria. El despegue comenzó a las ocho segundos del final de la cuenta atrás y poco después se separaron para alcanzar la órbita geoestacionaria donde se prestan los servicios de comunicaciones. Además del español, también se puso en órbita el satélite COMSATBw 1, del Ministerio de Defensa de Alemania. El Amazonas 2 está dotado de la más moderna tecnología. Su cobertura sobre todo el continente americano, y sus 64 transpondedores -54 en banda Ku y 10 en banda C- permitirán satisfacer las nuevas demandas de telecomunicacio-
nes y ofrecer una amplia gama de servicios tanto en el ámbito del negocio tradicional de arrendamiento de capacidad espacial, como en el relacionado con proyectos vinculados con la innovación tecnológica. El satélite está basado en la plataforma Eurostar 3000 de EADS Astrium estabilizada en tres ejes, con un masa de lanzamiento superior a cinco toneladas. Además, incorpora tecnologías de última generación que asegurarán una vida útil de 15 años. Entre los servicios que va a ofrecer, destaca la distribución y contribución de televisión en mercados normales así como la difusión de plataformas de TV a nivel regional; el despliegue de redes de telefonía fija y móvil y de tele-enseñanza, además de proyectos de servicio universal de índole social. Entre las innovaciones, destaca la incorporación del procesador AmerHis que permite una flexibilidad en la prestación de servicios de banda 57
ancha. Además, los satélites de Hispasat dejan de ser meros repetidores transparentes para convertirse en un sistemas inteligentes capaces de procesar y regenerar las señales a bordo, por lo que se reducen notablemente el retardo. Con este lanzamiento, Hispasat da un primer paso en su proyecto de crecimiento y expansión tras dos años y medio de trabajos y una inversión de más 200 millones de euros. El proceso continuará el año que viene con el lanzamiento del Hispasat 1E y con el Hispasat AG1 en 2012. Además, la compañía llevará a cabo la reposición del Amazonas 1 con el Amazonas 3 también en 2012 y repondrá en 2015 los satélites 1C y 1D con un único satélite, el 1F. El coste de todo el plan asciende a más de 900 millones de euros, que se financiará sin recurso al accionista, gracias a los flujos de caja generados por el grupo y a una nueva deuda. Hispasat ocupa el séptimo lugar en el ranking de operadores de satélites. Es América Latina la tercera compañía, por cifra de ingresos, y lidera la difusión y distribución de contenidos en español y portugués.
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Bibliografía:
* Agencia Bolivariana para Actividades Espaciales. * El Universal * www.wikipedia.com * www.taringa.net * www.conae.com * http://es.wikitel.info * www.elmundo.es *********************
Mucho se habla en la actualidad de la televisión de alta definición, de la televisión digital y de la televisión por satélite, en general hay quienes asocian estos tér - minos entre si, aunque son por definición, totalmente independientes. Los sistemas satelitales de comunica - ciones datan desde hace más de 50 años y hoy en día se pueden disfrutar de muchos servicios (en general multimedia) gracias a su cobertura.
El origen de las comunicaciones por satélites comienza en 1957, cuando la unión Soviética lanza el primer satélite artificial llamado Sputnik I que marca el inicio de la carrera espacial. Un año después EEUU lanza el SCORE que transmitía un mensaje grabado. Más tarde en 1960-1964 se fabricaron los primeros satélites experimentales para comunicaciones en tiempo real (ECHO I, Curier, Telstar I, Relay I) usados para establecer enlaces de comunicaciones de voz, video y datos entre las costas Este y Oeste de EEUU. En 1964, se lanza el primer satélite colocado en la órbita de Clarke (geoestacionaria) Sycom II. El Sycom III proporcionó comunicaciones a través del Pacífico (retransmisión de los juegos olimpicos de Tokyo). En 1965, se crea la primera Organización Internacional de
Satélites: Intelsat. Casi diez años más tarde, EEUU lanza una serie de satélites llamados Marisat para el uso de navegación a bordo mundial. Más tarde, una organización internacional, Inmarsat, se hizo cargo de ellos. Posibilitaba la comunicación con terminales móviles terrenos relativamente pequeños. Noviembre 1983: inauguración del servicio de difusión directa de TV a antenas domésticas por United Satellite Communications. La principal ventaja del satélite es que es una tecnología apropiada para transmitir señales de gran ancho de banda: Entre estaciones terrenas separadas a gran distan - cia (internacionales, transoceánicas, etc.). A zonas inaccesibles o cuya cobertura resulta poco rentable (rural) mediante infraestructura terrestre. Con coberturas muy extensas. A sistemas con terminales móviles: barcos, avio - nes, flota camiones, etc.
Un satélite que actúa como repetidor consigue establecer comunicación entre dos estaciones terrenas a larga distancia, en lugar de los N enlaces terrestres necesarios. 59
Tres satélites espaciados 120 grados sobre la órbita geoestacionaria con cobertura global pueden establecer una comunicación entre dos puntos cualesquiera del globo terráqueo (excepto los polos), con las siguientes características, de acuerdo con lo visto en el capítulo 2:
imagen a receptores individuales o colectivos.
Gran distancia entre el satélite y las estaciones terrenas : Las pérdidas en espacio libre son elevadas
para determinar la posición y velocidad de un objeto (navegación y posicionamiento)
(del orden de 200 dB), por ello es necesario optimizar la ganancia de la antena, la eficiencia del transmisor, la figura de ruido del receptor y otros aspectos de modulación y codificación de la señal.
Servicio de operación espacial para la operación del satélite: telemedida, telemando y seguimien-
Servicio móvil por satélite (SMS): comunicacio-
nes entre estaciones terrenas móviles (marítimas, aeronáuticas o terrestres) a través de satélite. Servicio de radiodeterminación por satélite:
Retraso en la señal, que en ocasiones puede pro-
vocar problemas de latencia en aplicaciones sensibles a este parámetro.
to. Servicio de radioaficionados por satélite Servicio entre satélites para enlaces entre satéli-
tes. Acceso múltiple: Debe permitir el servicio a un
número grande y variable de usuarios de forma simultánea y eficiente con el mínimo control externo posible. Diseño del satélite: Optimización del tamaño y el
peso para reducir el costo de la puesta en órbita, utilizar el mínimo posible de energía y prolongar la vida útil. Flexibilidad en la implementación de canales de comunicaciones. Autonomía: Capaz de funcionar sin mantenimien-
to en un entorno hostil. Estaciones terrenas: Accesibles por los usuarios
y a la vez potentes y suficientemente sofisticadas para poderse comunicar de forma eficiente con los satélites Servicios de Comunicaciones Espaciales
Los servicios principales de comunicaciones espaciales son: Servicio fijo por satélite (SFS):
comunicaciones entre estaciones terrenas localizadas en puntos fijos a través de satélite. Radiodifusión directa por satélite (DBS o DTH): difusión de sonido e 60
Tabla 1
Los sistemas de satélites se pueden clasificar en: Sistemas globales: consorcios internacionales con cobertura global Sistemas regionales: organizaciones internaciona - les Sistemas domésticos: operadores asociados a cada país.
En la tabla 1 se puede apreciar una clasificación que comprende los principales sistemas satelitales y cuáles son los servicios que prestan. Sobre América Latina, el Hispasat es el más representativo de este listado, por la cantidad de canales de radio, TV y datos que contiene. Por ejemplo, los “amantes” de la TV quizá utilicen al Amazonas como “bandera” (Hispasat
puso en órbita al Amazonas 2 en octubre de 2009), por la cantidad de sitios de Internet disponibles que brindan datos sobre la forma de desencriptar canales de pago disponibles en dicho satélite. En la tabla 2 puede observar la asignación de frecuencias para las diferentes bandas y servicios, tanto para la subida por parte de las emisoras (UPLINK) como de bajada por parte de los receptores (DOWNLINK). Banda C (6/4GHz)
Ventajas: Menos susceptible a interrupciones por lluvia. Inconvenientes: Banda congestionada (compartida con microondas terrestre). Tamaño de las antenas receptoras mayores debido a bajo nivel de PIRE del satélite y al bajo espaciado entre satélites (2º). Banda Ku (17/12GHz)
Ventajas: La banda de frecuencias se usa únicamente para satélite. Tamaño de antenas más pequeño gracias a mayor ganancia y a mayor PIRE satelital. Inconvenientes: Afectada por la atenuación de la lluvia y despolarización. Pérdidas en la línea de transmisión de coaxial y del guía onda elevadas.
Descripción General del Sistema de Comunicaciones Vía Satélite
Reiteramos que un sistema de comunicaciones por satélite está formado por unas estaciones terrenas, para la transmisión y recepción de las señales, y satélites situados en una órbita geoestacionaria, a unos 36.000 km de la superficie de la Tierra, que recogen, amplifican y retransmiten las señales enviadas desde las estaciones terrenas. Se necesitan además estaciones que permitan el seguimiento del satélite, así como el control y la supervisión, tanto del satélite como de los sistemas de comunicaciones, a través de telemando y telemedida de los mismos. En el caso de radiodifusión directa de televisión vía satélite el servicio que se dá es de tipo unidireccional por lo que normalmente se requiere una estación transmisora única, que emite los programas hacia el satélite, y numerosas estaciones terrenas de recepción que captan las señales provenientes del satélite. Otros tipos de servicios son bidireccionales y las estaciones terrenas son de transmisión y recepción. Un requisito importante del sistema es el conseguir que las estaciones sean lo más económicas posibles para hacerlas accesibles a un gran número de potenciales usuarios, lo que se consigue utilizando antenas de pequeño diámetro y retransmisores de baja potencia. Naturalmente que la economía de escala en aquellas aplicaciones que lo admiten es un factor determinante del coste. Para poder reducir la dimensión de las antenas receptoras en tierra se requiere la utilización de tubos amplificadores de gran potencia a bordo del satélite, lo que a su vez exige la utilización de grandes paneles solares que generen la potencia primaria necesaria para alimentar a estos tubos. La función principal de la estación terrena transmisora es la adecuación de las señales para su transmisión hacia el satélite, desde el que se realizará la difusión de las mismas. Su misión es conceptualmente el mismo Tabla 2 que el de una estación 61
convencional de telecomunicaciones, dado que el procesamiento de la señal a transmitir es similar en todos los casos. Por tanto la estación estará formada por un subsistema de antena, un subsistema de seguimiento para apuntar el haz hacia el satélite deseado, un subsistema de transmisión / recepción en radiofrecuencia, una etapa de conversión de frecuencia, modulación y demodulación y un sistema de conexión con las redes terrenales, así como lógicamente el suministro de energía para toda la estación. En principio la cadena de recepción no es estrictamente necesaria en la estación transmisora de los servicios de radiodifusión que implican una comunicación de tipo unidireccional, sin embargo sería conveniente supervisar las portadoras transmitidas a través del satélite por lo que se debe considerar la cadena de recepción como parte integrante de la estación transmisora. Naturalmente que en las estaciones de solo recepción no hay cadena transmisora y que en general las estaciones de transmisión y recepción tienen ambas. El dimensionado, la configuración y la interconexión de los diferentes números de canales a transmitir, así como del sistema de redundancia que se adopte. En el canal de transmisión la señal, una vez modulada en frecuencia o en fase, se traslada a la frecuencia de transmisión pasando luego por el amplificador de alta potencia. Esta cadena constará de tantas vías como canales se vayan a utilizar en un satélite. El control y supervisión del sistema de comunicaciones debe realizarse en otra estación separada, en la que se ubique el centro de control en el que se procesa la información que permite tomar las decisiones necesarias de estructuración del sistema y que permite tomar las medidas correctoras que pudieran necesitarse. Las funciones de control y supervisión pueden subdividirse como sigue: 62
Figura 1
a) Telecontrol y telemedida del satélite. b) Pruebas periódicas en órbita de los parámetros principales del subsistema de la estación dependerá fundamentalmente del módulo de comunicaciones del satélite. c) Supervisión de la calidad y características de las señales que se emiten a través del satélite.
Por supuesto que el elemento más característicos del sistema es el propio satélite. Un satélite de comunicaciones consta de un módulo de servicio, que comprende los aparatos necesarios para el mantenimiento del satélite en órbita, y un módulo de comunicaciones específico para la misión o misiones a cumplir. Dentro del módulo de servicio pueden destacarse los subsistemas de suministro de energía, de estabilización del satélite, de control orbital del mismo, control térmico, telecontrol y telemedida y, finalmente, estructura mecánica del propio satélite. Las figuras 1 y 2 muestran dos formas típicas de comunicación entre satélites y estaciones terrenas y entre los propios satélites con diferentes centros de comunicación terrestre. DBS (Direct Broadcast Satellite)
DBS brinda un servicio de radiodifusión por satélite de señales de vídeo, audio y datos sobre una extensa zona predeterminada, permitiendo la recepción con terminales de pequeño diámetro (menor de un metro
Figura 2
tema de transmisión de señales de TV vía satélite. Su misión es captar la señales emitidas por el satélite y concentrarlas en el alimentador. La relación C/N que se puede conseguir depende del tamaño de la antena, por lo que las antenas se eligen con el tamaño mínimo para que la señal recibida llegue a los mínimos requeridos por los equipos de instalación. Alimentador: El alimenta-
de diámetro). En la figura 3 podemos observar un diagrama que nos dá una idea de funcionamiento del sistema. Tal como veremos en el próximo capítulo, la instalación unifamiliar consta de antena, alimentador, LNB y una unidad interior que hace las funciones de demodulador de FI del canal deseado y modulador de RF en un nuevo canal. La instalación para una comunidad de vecinos consta de un número de elementos mayor, al hacerse necesario demodular continuamente todos los canales que se quieren recibir y amplificar todos los canales de RF generados. Veamos un análisis detallado de los elementos que componen el sistema: Antena: La antena con reflector parabólico se ha
convertido en el símbolo del receptor terreno en un sisFigura 3
dor se encarga de recoger las microondas concentradas en el foco de la parábola y pasarlas al elemento siguiente. El alimentador permite recibir todas las polaridades que llegan a la antena, las cuales serán separadas más adelante. Para separar las dos polaridades más usuales (polarización lineal, vertical y horizontal) hay dos tipos de dispositivos, uno para instalaciones de vecinos: ortomodo , y otro para instalaciones unifamiliares: polarrotor . El Polarrotor permite la recepción de las dos polaridades utilizando un solo conversor LNB. Su funcionamiento se basa en el giro de 90º de una sonda situada en su interior. Como se pierde los canales de la otra polaridad no puede utilizarse en instalaciones colectivas. El Ortomodo permite la recepción simultánea de señales con polarización vertical y horizontal mediante la utilización de un repartidor de guías de onda en el que una de las guías se gira 90º. A él se tendrá que conectar dos conversores LNB, uno para cada polarización. LNB: Son converso-
res que se encargan de convertir en bloque las señales en las bandas 10.95-11.7GHz, 11.712.5GHZ ó 12.512.75GHz a una frecuencia intermedia situada entre 950 y 1750MHz con 63
un bajo factor de ruido. Además de realizar la conversión, estos dispositivos tienen una elevada ganancia (50 dB) lo que permite conectarlos a un número elevado de unidades interiores de conversión a RF sin amplificador auxiliar. Dispositivo multisatélite: Este dispositivo es auxiliar y se utiliza para acceder a más de un satélite con una sola antena, sin necesidad de redireccionarla. Este dispositivo recibe el haz de la antena de una manera proporcional al desplazamiento del bloque de alimentación, el cual engloba todos los elementos anteriores y está situado en el foco de la parábola.
¿Qué diferencia hay entre servicios DBS y servi - cios de banda C?
La diferencia entre servicios DBS y de banda C es que el DBS utiliza antenas más pequeñas que las que se usan en banda C , de hecho, estas antenas de banda C se suelen llamar BUDs (Big Ugly Dishes). Además estas BUDs deben girarse para recibir señales de diferentes satélites, y en algunos casos se requiere pagar separadas subscripciones para decodificar estas señales, a excepción de las señales (cada vez menos) en abierto. Otra diferencia es que las antenas DBS son pequeñas y estacionarias, y en general se requiere pagar sólo a un proveedor.
Actuador lineal o tracker: Es un sistema de orien-
tación automática que proporciona el movimiento necesario para poder rastrear con el disco parabólico un arco celeste de unos 180º y memoriza la posición de la antena necesaria para captar la señal de cada uno de los satélites situados en ese arco. El tracker se compone básicamente de un brazo telescópico que se extiende y contrae comandado por una unidad de control computerizada. Unidad interior individual: Se trata del receptor sateiltal. Esta unidad realiza las funciones de sintonía y de modulación dentro de un canal específico dentro del bloque de canales recibidos del LNB en la primera conversión a FI. Esta unidad se compone de las siguientes etapas:
1.- Conversor de 1ª FI a 2ª FI. 2.- Demodulador. 3.- Procesado de vídeo. 4.- Modulador de RF 5.-Control de dispositivos externos. Repartidores de FI: Dispositivo para instalaciones
colectivas. La salida de los LNB va a repartidores de FI a cuya salida se conectan unidades interiores sintonizadas a los canales que se quieren recibir. Unidades interiores monocanales: Funcionan como las unidades individuales pero sintonizadas a un solo canal. Constan de tres bloques básicos:
1. Demodulador. 2. Procesador de audio-vídeo. 3. Modulador de RF. 64
Ventajas del DBS: Más elección : DBS ofrece un elemento muy impor-
tante en el mundo de la televisión de pago: competitividad. Esto no se produce en el cable, donde su monopolio no incentiva la adición de nuevas ofertas. Así en EE.UU. , por ejemplo, hay ya 3 proveedores de DBS. Acceso rural: En algunas zonas rurales las redes de cable no están disponibles, mientras que el DBS al ser un servicio por satélite puede alcanzar estas zonas. Servicio fiable: El servicio de cable depende de que no hayan caídas en la red o de que no se rompa algún cable. El servicio DBS sólo puede verse afectado por un tiempo meteorológico muy severo o por interferencias solares durante los equinoccios, lo cual es raro. Capacidad de los Satélites en Canales de TV Digitales
Un ancho de banda usual para un transpondedor analógico de un sistema de satélites de DBS es de 36MHz. En este ancho de banda es posible utilizar una modulación de datos de 28 millones de símbolos por segundo. Esto hace que si se utiliza una modulación 4QPSK, sean necesarios 2 bits por símbolo y por tanto la capacidad de transmisión por transpondedor sea de unos 56 Mbit/s. Esta no es la velocidad útil puesto que hay que descontar los bits en exceso como las correcciones de error de tipo Reed-Solomon y la convolución de Viterbi. Así la velocidad útil es de unos 39 Mbit/s. En el escenario típico anterior significa 8 canales por transpondedor analógico para un escenario típico. Un sistema de 5 transpondedores, por ejemplo el saté-
La primera duda fue si era legal realizar este procedimiento y la conclusión a la que llegué es que NO ES ILEGAL... ya que solamente utilizo mis conocimientos para poder visualizar una señal que he captado por medio de una antena y que un operador encriptó o codificó para solamente sus abonados puedan 1. Satélites de baja potencia Ps<30W. verla. Lo que es ilegal es “vender” el sistema y esta2. Satélite de mediana potencia DTH (Direct To mos convencidos que quien posee los conocimientos puede usarlos para otras prácticas legales que, seguHome) con 30 W
100W. señales a los satélites, emplean una codificación del Existen muchos satélites comerciales de TV, entre tipo NAGRAVISION. ellos, los de INTELSAT, EUTELSAT, TELECOM, Nagravisión es un proyecto de la empresa suiza de GORIZONT, HISPASAT y ASTRA. seguridad informática Kudelski Corporation dirigida por André Kudelski, especializada en cifrado y descifrado de señal MPEG en acceso condicional a ella, base Qué Canales de TV se Pueden Sintonizar principal de todos los proveedores de televisión por satélite. El proyecto Nagravisión ha tenido varias verAhora bien, a comienzos de 2009 dicté los prime- siones y numerosos parches de seguridad; conocidas ros seminarios sobre Recepción de TV Vía Satélite y como Nagra 1, Nagra 2 y Nagra 3 han permitido a la en cada oportunidad se pudo demostrar prácticamen- empresa superar los inconvenientes de la piratería, te que con un plato de 76 cm, un alimentador (LNB con que ha dejado en evidencia a la compañía en numerosonda y guía de onda) universal y un receptor satelital sas ocasiones del pasado. era posible “captar” y reproducir canales de TV desde En España se utilizó por primera vez en su variandiferentes satélites. En Buenos Aires, Ciudad de te analógica Nagra+, la cual era utilizada por Canal+ México, Caracas y Montevideo, entre otras ciudades, terrestre, canal que fue reemplazado por Cuatro desde he podido orientar el plato sin grandes problemas (aún el mes de noviembre de 2005. En los primeros años de sin un anclaje fijo, simplemente apoyando el plato emisión de la plataforma de satélite Vía Digital se utilisobre una base diseñada para tal fin que permite variar zó el sistema Nagravisión 1, el cual fue sustituido postanto la posición como la altura) de manera de poder teriormente por Nagravisión 2. Tanto los sistemas captar señales de satélites como el Echostar, Goes, Nagravisión 1 y Nagravisión 2 tenían numerosos fallos Amazonas, SkyNet, Astra, etc. de seguridad graves, que permitieron que los sistemas Obviamente, en algunos casos pude sintonizar fuesen visionados sin utilizar los decodificadores del varios canales y en otros solamente uno o dos. Si bien distribuidor. Debido a esto TV Cabo (Portugal) decidió estamos preparando un texto exclusivo sobre este adaptar sus sistemas a Nagra 3 a finales de 2007, tema, esta obra no pretende tratar el tema con profun- solucionando hasta la fecha el problema, así como didad y simplemente quiere establecer un ejemplo de Digital+ (empresa fusión de Vía Digital y Canal Satélite cómo se puede ver televisión vía satélite. Digital) que desde el 4 de diciembre 2007 utiliza el El receptor que utilizo es de marca ProBox por ser nuevo sistema Nagravisión 3. Actualmente la mayor bastante económico (unos 120 dólares) y porque parte de los proveedores Europeos han migrado ya posee un foro de discusión que brinda bastante apoyo, sus sistemas a Nagra 3. La última novedad data del 12 sobre todo a los novatos. En dicho foro, apenas de octubre de 2008, cuando Premiere (Alemania) comencé a trabajar con este receptor (hace más de modificó su sistema de codificación a Nagra 3, siendo año y medio), se mencionaba la posibilidad de captar el último gran proveedor en Europa que conservaba señales del satélite Amazonas, de Hispasat y desen- Nagra 2. criptarlas para poder ver más de 140 canales en habla No necesariamente tienen que estar encriptados hispana en su mayoría, aunque también es posible los canales de TV y los operadores no necesariamensintonizar canales de TV abierta desde dicho satélite. te utilizan el sistema Nagravisión pero lo que podemos lite Hispasat, permitiría unos 40 canales de TV y un sistema de 11 transpondedores podría llegar a los 90 canales de TV digital. Los satélites para TV se clasifican básicamente en tres tipos:
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afirmar es que si Ud. capta una señal con una antena parabólica, la conduce mediante un cable coaxial hacia un receptor satelital, es capaz de configurar dicho receptor para sintonizar los canales y desencriptarlos para su propio consumo, NO COMETERA DELITO, aunque esta práctica constituya lo que se denomina “piratería” y si distribuye las señales por cualquier forma, o si comercializa el sistema, entonces SI, estaría realizando una práctica ilegal. Realizada esta aclaración, digamos que desde América Latina es posible captar las señales de TV del Amazonas, que peretence a Hispasat, y si bien ya hemos hablado en el capítulo anterior de este consorcio, creemos conveniente ampliar un poco esta información. Sistemas de satélites HISPASAT Sociedad Hispasat HISPASAT se constituyó en
1989 con el mandato del gobierno de gestionar un sistema español propio de comunicaciones por satélite. En 1996 se inició un proceso de privatización como consecuencia de la privatización de sus principales accionistas: Retevisión, Telefónica y BBVA. Este proceso privatizador trajo consigo la disminución del capital público que sigue estando representado a través del INTA (Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial). Actualmente es un operador global de satélites, con cobertura en Europa, América, Canadá y Norte de África. Hispasat operó inicialmente con dos satélites (HISPASAT 1A y 1B) y dos centros de control de satélites (uno en Arganda del Rey, Madrid, y otro en Maspalomas, Canarias). Más tarde, Hispasat renovó los satélites iniciales por otros de nueva generación ( 1C y 1D). La posición orbital de los satélites es de 3 0 º W, colocados en la misma ventana. El sistema tiene una capacidad de 76 transpondedores en la banda Ku. A mediados del 2004 se puso en órbita el Amazonas, en la posición orbital de 61ºW, con capaci66
dad en las bandas C y Ku, que permite obtener una mejor cobertura americana y mejor conectividad transatlántica. Sobre el sistema HISPASAT opera la plataforma de televisión digital para América: RTVE INTERNACIONAL AMERICA TV XXI. Desde un punto transmisor se envían las señales a todos los reemisores de TV, los cuales retransmiten la señal y llega a los usuarios a través de su antena yagi, cable, etc. El Servicio Fijo cuenta con 16 transpondedores de diversos anchos de banda (8 de 36MHz, 2 de 46MHz, 2 de 54MHz y 4 de 72MHz) en las bandas de Servicio Fijo por Satélite (14GHz / 12-11GHz). La utilización de amplificadores de potencia mediaalta (55W) se combina con una cobertura ajustada al territorio español y de Europa occidental para ofrecer una PIRE de más de 50 dBw. HISPASAT difunde la televisión digital a través de grandes plataformas DTH en Europa (Digital + en España y TV Cabo y Meo Sat en Portugal) y en América (RTVE, plataformas de Telefónica y Telmex). Los satélites de HISPASAT son conocidos también por ser grandes contribuidores a las redes de cable, tanto en la Península Ibérica como en Iberoamérica. Ofrece más de 1.100 canales de televisión y radio a ambos lados del Atlántico. Es el operador que difunde y distribuye mayor número de canales en lengua hispana y portuguesa. En abierto, HISPASAT emite actualmente 203 canales para Europa y América . En Europa se emiten un total de 99 canales de manera gratuita, de los cuales 52 son canales de televisión y 47 son canales de radio, la mayoría de ellos en castellano. En América, se distribuyen 104 canales gratuitos, 42 de televisión y 62 de radio. Cuenta entre su oferta televisiva gratuita con las principales cadenas autonómicas (Andalucía TV, TVC Internacional, TV Galicia, TV Valenciana, ETB, Telemadrid Sat), canales deportivos como Real Madrid TV, canales generalistas como Popular TV, internacionales como TV5 Monde, o canales informativos de primer nivel como Euronews, France 24 y BBC World. *******************
Elementos Necesarios para Recepción de TV Vía Satélite
La Televisión por Satélite tiene más de 15 años y, actualmente, se puede recibir una amplia oferta de canales de pago con plata - forma de televisión digital, así como una amplia gama de canales gratuitos. Dentro de estos paquetes de televisión digitales de pago, las plataformas digitales ofrecen diferentes opciones, como servi - cios interactivos, pago por visión, juegos y muchas otras más. Asimismo, la guía electrónica de programas, que viene incorporada al paquete, simplifica la elección del programa favorito. A todo esto hay que añadir la gran capacidad de cobertura de los sistemas por satélite. Efectivamente, va a existir una cobertura completa dentro de todo el territorio asignado a dichos sistemas y garantizará un 100% de disponibilidad del servicio en toda la zona cubierta. Para recibir de forma individual en el televisor analógico convencional los programas ofertados por la Televisión Digital Vía Satélite, resulta necesario disponer de:
* Una antena parabólica fija. * Un LNB (Low Noise Block) Universal ubicado en la antena. *El cable. * Un receptor de satélite externo más conocido como STB (Set- Top Box). Éste último puede conectarse tanto a un televisor analó - gico como a un televisor digital integrado, tal como muestra en la figura 1. Figura 1
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La Antena Parabólica
Es un elemento esencial de la instalación para el satélite. Se encarga de recibir las señales que se transmiten del satélite y reflejarlas en un foco central sobre el cual se monta el LNB. Una figura de una antena parabólica común, de las empleadas para recepcionar señales satelitales para TV se puede encontrar en la figura 2. Gracias a la tecnología de los sistemas de satélites, solo se necesita una antena para recibir multitud de canales tanto de televisión como de sonido, así como, cada vez más, numerosos servicios multimedia. El tamaño de la antena va a depender del área geográfica donde esté situado el satélite, siendo finalmente el instalador de telecomunicaciones el que aconse je al usuario el tamaño más adecuado. En ciertas páginas web se puede encontrar información técnica sobre los tamaños de antena usados para algunos sistemas por satélite. En lo que se refiere a la orientación de la antena, ésta debe apuntarse correctamente y encontrarse al aire libre. En instalaciones individuales la distancia entre antena y televisor no debe ser superior a 30 metros.
Figura 2
Figura 3
El LNB Universal
Es la parte de la antena que recibe la señal emitida por los satélites, de manera que el reflector que constituye la parabólica va a realizar una labor de concentración de la señal en el LNB. Un equipo de estas características se muestra en la figura 3. Adicionalmente, el LNB se va a encargar de seleccionar tanto la banda baja como la banda alta, al activar una señal que genera el receptor digital de satélite. De la misma forma se posibilita la opción de seleccionar la polarización vertical y horizontal, permitiendo así la recepción de toda la oferta de canales. Como la señales de los satélites llegan a la Tierra con muy poca intensidad, son necesarios equipos muy sofisticados trabajando con tecnología de microondas para poder acondicionar estas señales. La figura 4 muestra en detalle la estructura de un LNB universal. Aún a pesar de su complejidad y debido a la evolución y demanda del mercado, estos equipos se comercializan a precios muy accsesibles. 68
Figura 4
Figura 5
Figura 6
El Cable
Es un elemento primordial en la distribución de servicios de Televisión Digital por Satélite. Aunque aparentemente es el mismo que se utiliza en la antena colectiva tradicional, tiene unas características eléctricas superiores como se puede apreciar en la Figura 6. No obstante, el precio del cable sigue manteniéndose en los niveles de costos anteriores y no suele ser un factor decisivo a la hora de renovar una instalación. El Receptor de Satélite o STB
Para la recepción de los servicios digitales se
necesita un receptor digital conocido como STB, que se conecta al televisor. La figura 6 ilustra uno de estos equipos. Dicho receptor sintoniza el transpondedor de canal elegido, corrige errores, selecciona el flujo de datos del programa deseado, demodula la señal digital y decodifica las señales de datos, audio y MPEG-2 de vídeo. En la recepción individual, el cable procedente del LNB se va a conectar directamente a la parte trasera del STB. Todo esto se puede apreciar en detalle en la figura 7. Los párrafos anteriores hacen referencia a la recepción individual. Sin embargo, también será habitual la recepción del servicio de Televisión Digital por Satélite de forma colectiva, como es el caso de una comunidad de vecinos en un mismo bloque. Cada vez más, una gran cantidad de hogares reciben programas de televisión a través de sistemas de antena colectiva. La recepción directa a través del satélite ofrece soluciones económicas y con futuro para la transmisión de toda clase de programas, además de servicios de televisión, radio y multimedia a todo tipo de bloques de viviendas. En tal situación, los edificios de nueva construcción han de disponer de una red, cuya instalación debe realizarse según la nueva normativa ICT. Para sistemas colectivos y futuros servicios va a ser recomendable emplear un LNB Universal con cuatro señales de salida (LNB Universal Quatro ). Estas cuatro señales pueden proporcionar simultáneamente todas las polarizaciones, así como bandas de frecuencias: Banda Baja Vertical, Banda Alta Vertical, Banda Baja Horizontal y Banda Alta Horizontal. Normalmente se utiliza una única de estas cuatro salidas del LNB Universal Quatro para ser distribuidas a todos los
Figura 7 69
hogares a través de la red de distribución. Un ejemplo de LNB Quatro se puede encontrar en la Figura 8. Montaje de la Antena Parabólica
Existen varios sistemas que permiten el montaje de un plato (reflector) en su soporte y éste en su base. Voy a describir brevemente el proceso para la instalación final de una antena comercial, tal como lo indica el fabricante. Se trata de una antena off-set de 80 cm.
Figura 8
Siempre deberá fijarse en las recomendaciones del fabricante cuando adquiera, para su instalación, un de - bricantes. Una vez que sepamos instalar una antena terminado modelo de antena parabólica. parabólica estaremos en condiciones de proseguir con En la figura 9 puede ver las diferentes piezas que la instalación de un sistema de recepción de señales forman parte del soporte, cuyo montaje se efectuará satelitales, esto es, la colocación tanto de la unidad exterior como de la unidad interior, pero de esto nos ocucomo describimos a continuación: pamos en otra obra. 1. Coloque la goma protectora que suministra el fa - bricante en el borde del plato. Para ello se sitúa la go - Ajuste y Calibración de la Antena ma por la cara exterior, rodeando el plato y a continua - ción se acomoda en el borde. Ya dijimos que las antenas parabólicas motoriza2. Ponga las mordazas A y B sobre la pieza P, sin das están concebidas para captar las emisiones de los ajustar excesivamente las tuercas de sujeción. 3. Coloque tapones en el brazo soporte del alimen - satélites situados en la llamada órbita de Clark . tador para protegerlo del agua de lluvia. 4. Se introduce el brazo soporte del alimentador (E) en el soporte del reflector C y se atornilla fuertemente. Figura 9 5. Se monta el conjunto en el mástil D, orientando la antena hacia el satélite que se desea recibir. Una vez orientada, se apretarán las tuercas de las morda - zas A para que la antena quede inmóvil en esa posi - ción. Por último, es recomendable que observe cualquier reflector parabólico que esté a su disposición (es muy común ver de distintos tipos cuando uno viaja), identificando a qué tipo pertenece (foco centrado u offset). Identifique su diámetro, localice su soporte y fíjese de qué tipo es (si es fijo u orientable), mire su base y fíjese si es tetraédrica o de mástil. Intente comprobar si todo cuanto ha estudiado en este manual se ha aplicado en la práctica. Visite a algún distribuidor o fabricante de antenas parabólicas y solicite catálogos de características técnicas. Compare las características entre diferentes modelos de un mismo fabricante y los de diferentes fa70
Esta órbita está situada a unos 36.000 km de distancia sobre el Ecuador terrestre y tiene la particularidad de que cualquier objeto situado en ella tiene el mismo periodo de rotación que la Tierra, por lo tanto,
Figura 10 Figura 11
Figura 12
para un observador situado en la superficie terrestre estos objetos permanecen inmóviles. El arco descripto por esta órbita es tal que el punto más elevado de la misma se halla justamente en el Sur geográfico, y que al alejarse hacia los extremos desciende hasta llegar al horizonte. Para mayores detalles, vemos en la figura 10 como sería dicha órbita para diferentes latitudes para una longitud de 0˚. El mecanismo que le permite a las antenas parabólicas motorizadas seguir esta órbita (órbita de Clark ) se denomina Montura Polar (del inglés: "Polarmount"). Este mecanismo requiere para su correcto funcionamiento una serie de ajustes que se deben realizar cuidadosamente, tal como se observa en la figura 11. Para poder realizar los ajustes que describimos en esta nota, deberemos disponer de un "inclinómetro", a ser posible de una precisión de 0,1° o, en su defecto, de 0,2 °. Además sería conveniente (aunque no imprescindible ) disponer de un medidor de campo adecuado para las frecuencias de operación de las antenas parabólicas (950-2050MHz). Al hallarse los satélites situados sobre la vertical del Ecuador terrestre, las antenas situadas en latitudes al SUR del Ecuador deben mirar hacia el Norte y las situadas al Norte hacia el Sur, con mayor o menor desviación hacia el Este u Oeste en función del satélite elegido y de la situación geográfica de la antena. Para las antenas motorizadas el Sur o Norte geográfico real es de gran importancia, como veremos a continuación. En adelante cuando se haga referencia al Norte real, significará indistintamente el Sur real (180 grados de azimut) o el Norte real (0 grados de azimut), según se encuentre situada la antena al Norte o al Sur del Ecuador, respectivamente. A) Determinación del ángulo de Off-Set
Suponiendo que vamos a ajustar una antena tipo "Off-Set", antes de comenzar con los ajustes, tenemos que averiguar cuál es el ángulo de off-set, dato que muchas veces se acostumbra a omitir en las características de las antenas y que es de suma importancia. El ángulo de off-set indica la diferencia entre la elevación real de la antena y la elevación con que nos llegan las señales que capta. Para averiguar este dato tenemos que ajustar la antena como si se tratara de una antena fija, y orientarla a un satélite cualquiera 71
que deseemos usar como referencia. Por elevación entendemos la inclinación que debe poseer una línea recta imaginaria que pase por el borde superior e inferior de la parábola, respecto de la vertical (figura 12). Una vez que tengamos la antena ajustada a este satélite se debe medir con el inclinómetro la elevación de la antena. Tenemos que restar este dato a la elevación real con la que se recibe su señal, consultando las tablas correspondientes, según la localidad donde se encuentre la antena y el satélite elegido. Para medir este ángulo nos ayudaremos de un listón de madera que sea totalmente plano y rígido; situamos el listón en la parte frontal de la antena, de forma que quede apoyado en posición vertical sobre dos puntos del borde exterior del plato,y sobre este listón situaremos el inclinómetro (vea la figura 13). Por ejemplo, supongamos estar recibiendo señal desde el Nahuelsat 1 en Bs. As. con una elevación de 37˚. Si al medir la elevación de la antena, el inclinómetro nos indica 14°, esto quiere decir que el off-set de la antena es de:
Figura 13
c.2- Sintonizar en el receptor de satélite un canal
conocido del satélite que hayamos elegido como referencia, por ejemplo, el NAHUELSAT 1. Mediante el posicionador alinear perfectamente el montaje, de forma que la antena se encuentre en su posición central. Esto coincidirá con la máxima elevación de la parábola. c.3- Ajustar el ángulo de elevación necesario para recibir el satélite elegido. Si utilizamos el mismo satéli37° - 14° = 23° . te de referencia que al averiguar el angulo de off-set de la antena, este dato ya lo tenemos. Es el que nos indiUna vez hallado este dato lo anotaremos puesto caba el inclinómetro al captar dicho satélite . que lo necesitaremos más adelante. Ahora ya podec.4- Dejar libre el montaje respecto del mástil de mos empezar con el ajuste del montaje. soporte, de modo que pueda girar libremente todo el conjunto montaje-antena sobre éste. B) Ajuste de la Superficie de Montaje de la An - c.5 Girar lentamente el bloque "montaje-antena" tena hasta conseguir captar la señal deseada. Si el satéliAunque muchos instaladores no le dan la importan- te transmite con mucha potencia puede ser necesario cia que se merece, un ajuste esencial es la perfecta desajustar la elevación de la antena para determinar verticalidad que debe presentar el mástil respecto del con mayor exactitud el punto exacto de orientación, en soporte de la antena, obviamente, no existen técnicas el caso de no disponer de medidor de campo y si nos preferibles ni instrumentos específicos, el inclinómetro guiamos únicamente por la imagen del televisor. En será suficiente. esta posición, realizar una marca coincidente en el mástil y montaje lo más fina posible, por ejemplo con C) Localización del Norte Real un rotulador fino o un objeto punzante. Localizar el sur geográfico real, para latitudes sic.6- Medir el perímetro del mástil con la máxima tuadas al norte del Ecuador, o el norte para las situa- precisión posible. das al sur, es muy importante ya que es la orientación Usar para ello un metro de papel o tela, colocado que debe tener la antena cuando se encuentre en su alrededor del mástil. Con el dato sobre el azimut del posición central, y que coincide con la elevación máxi- satélite para nuestra localidad, proporcionado por la ma del disco. Para ello siga los siguiente pasos: tabla correspondiente, calcular el desplazamiento necesario del cabezal alrededor del mástil, a partir de la c.1- Situar todos los elementos de la instalación al marca realizada. Proceder a la corrección y fijar el calado de la parábola: receptor, posicionador y televisor bezal firmemente al mástil de soporte. todo ello debidamente conectado a la unidad externa y Por azimut se entiende la orientación real con resactuador de la antena. pecto al punto en donde se encuentra el observador. 72
Se mide en grados absolutos, tomando como referencia el NORTE a 0 grados, se sigue el sentido de las agujas del reloj hasta llegar al ESTE a 90 grados, el SUR a 180 grados, el OESTE a 270 grados y de nuevo el NORTE a 360 grados. En el ejemplo utilizado en el punto (A), y para utilizar datos acordes, supongamos un ángulo de azimut de 156˚ para recibir señales desde el Nahuelsat situado a 19º Este. Como el NORTE REAL corresponde a un azimut de 180˚, tendremos: 180˚ - 156˚ = 24 hacia el Este desde el Norte.
Suponiendo que el mástil tuviera un perímetro de 125 mm, el desplazamiento necesario para encarar el Norte sería: 125 mm / 360° = 0,347 mm / grado 0,347 mm X 24 = 8,33 mm
Esto es así porque los 125 mm del total del perímetro equivalen a 360˚ de giro del mástil. Por lo tanto deberemos desplazar el cabezal 8,33 mm hacia el Este alrededor del mástil, a partir de la marca realizada al recibir el satélite. Si todo se ha realizado tal como se ha indicado anteriormente ya tenemos perfectamente ajustado el NORTE REAL y sólo nos queda proceder al ajuste del montaje propiamente dicho. D) Elevación del Eje Polar
El montaje tiene un eje que une la parte fija sujeta al mástil con la parte móvil fija a la antena. Por este eje es por donde pivota la antena mediante el "actuador" . La inclinación de este eje respecto de la vertical y que llamaremos "elevación del eje polar", debe ajustarse según las tablas. Este ángulo depende únicamente de la latitud donde se halle la antena. E) Elevación al Norte
El último paso consiste en ajustar la elevación total al Norte. Para ello seguiremos los siguientes pasos: e.1- Compruebe que la antena sigue en su posición
central. Si no es así, corríjala valiéndose del actuador. Este punto es muy importante, asegúrese bien antes de seguir adelante. e.2- Consulte la tabla de datos para averiguar la
elevación total al Norte según la ubicación de la antena. Si se tratase de una antena del tipo off-set, réstele el ángulo de off-set de la antena que habremos obtenido previamente, tal como explicamos anteriormente. Ayudándose con el inclinómetro ajuste la elevación de la antena al ángulo resultante del cálculo anterior, válgase del ajuste del ángulo de compensación o declinación y cuide no alterar el ángulo del eje de rotación ni la orientación al Norte. Con esto finalizamos la totalidad de los ajustes requeridos. Si se han realizado con precisión, ningún tipo de retoque será necesario y el recorrido de la antena seguirá fielmente la órbita de Clark , por lo tanto no escatime esfuerzos a la hora de conseguir la máxima exactitud al realizarlos. Si observa algún problema de seguimiento, es me jor reiniciar de nuevo todos los ajustes empezando por recalcular el ángulo de off-set de la antena. Preste especial atención a la verticalidad del mástil de soporte y a la localización del Norte. Asegúrese de estar usando correctamente el inclinómetro. Es frecuente cometer errores con él. Todos los ángulos que se han indicado aquí son respecto de la vertical. El inclinómetro en cambio los mide respecto de la horizontal, si se hace coincidir la marca 0° interior, con la marca 0° exterior. Para medirlos respecto de la vertical tenemos que hacer coincidir la marca de 90° interior con el 0° exterior. Cómo Ver Más de 100 Canales de TV
El satélite que se más se está utilizando para las transmisiones de TV en habla hispana y portuguesa es el Amazonas de Hispasat, el cual está ubicado a 61° oeste. Las transmisiones se realizan en la banda C, que es la misma banda que hemos utilizado en el pasado. La figura 14 muestra la huella del satélite en banda C para las Américas (en dBW). La gráfica para los diámetros de antena recomendados por Hispasat es la mostrada en la figura 15. En las partes más débiles de la pisada (33-36 dBW), y para áreas donde otros impedimentos topográficos o de señales de otras transmisiones hagan más difícil la recepción de la señal es recomendado tener antenas de 3 metros o de mayor tamaño. Es importante recordar que a mayor tamaño de antena, 73
mayor será la ganancia, y por consiguiente más segura será la recepción. Tenga en cuenta que también puede emplear un plato normal de 72 cm o hasta más pequeños, de 46 cm. En muchos países, los operadores (Sky y Direc TV, generalmente) suelen dejar en la terraza estos platos cuando el abonado interrumpe su contrato, de modo que puede emplearlos, ya que no son requeridos por la empresa. También, tenga en cuenta que en todos los países hay empresas que comercializan platos de distinto tamaño y demás elementos necesarios. El LNB para la antena debe ser de la menor cantidad de grados posible para reducir ruidos y aumentar la sensitividad de la recepción. En la actualidad se consiguen con bastante facilidad LNBs de banda C de hasta 15°K. También pueden ser usados LNBs de 17°K ó 20°K. Las transmisiones serán en formato digital en el estandar DVB-S (Digital Video Broadcasting - Satellite) usando la compresion de vídeo MPEG-2. Para la recepción de señales libres en el satelite para los ajustes, se puede usar cualquier receptor de satélite FTA (Free to Air) con el logo de la figura 16. Los receptores de PowerVU con este Figura 16 logo y posiblemente otros receptores MPEG-2 también pueden ser utilizados para las señales libres. Los parámetros de recepción para las señales libres en el satélite Amazonas se pueden obtener en la siguiente página:
http://www.lyngsat.com/amazonas.html Muchos canales son transmitidas sin codificación, por lo cual cualquier receptor del estándar DVB (y posiblemente algunos receptores de MPEG-2) pueden ser utilizados para sintonizar el canal y ver la programación. Uno de los receptores recomendandos para recibir las transmisiones codificadas es el Fortec Star Mercury II ([email protected], figura 17), también puede emplear un Probox (vea la página www.proboxtv.com, figura 18), que es el receptor que yo empleo tanto para mis prácticas como para el dictado de cursos y seminarios. Son receptores muy económi74
cos (120 dólares aproximadamente), los cuales puede conseguir en las tiendas de venta de productos y equipos de satélite que abundan en Internet.
Figura 14 Figura 15
Figura 17
Figura 18
Puede emplear un sistema de codificación BISS, pero no todos los receptores son completamente compatibles con esta codificación aunque la tengan en sus opciones. Por esta razón, se recomienda estos modelos, los que ya he probado y que funciona con el sistema BISS que se estará usando. BISS es un SISTEMA BASICO DE CODIFICACION INTEROPERABLE, que, no es nada mas que la habilidad de ciertos equipos de trabajar con ciertos sistemas INTERCAMBIABLES entre el uno y el otro a la misma vez. Por ejemplo, un receptor dotado de BISS puede recibir casi todas las transmisiones CODIFICADAS COMPATIBLES CON EL FORMATO DVB, y esos son o pueden ser Nagravisión, Conax, Irdeto, Viaccess, etc. En el BISS existen dos clases que son el BISS-1E y BISS-2E, (también se les llama BISS 1 y BISS 2). BISS como tal NO ES UN SISTEMA DE CODIFICA-
CION, es una técnica que se está estandarizando, de INTEROPERABILIDAD o compatibilidad que capacita a un receptor (comercial por supuesto) a recibir esos varios tipos de codificación existentes a nivel mundial y que varían según las áreas del mundo, etc. Un sistema BISS le permite a la persona que lo usa, el recibir varios canales en diferentes formatos, sin tener que cambiar de receptor. BISS sencillamente se usa para proteger ciertas transmisiones ocasionales y se basa en que un operador de satélite envía una transmisión cerrada que se decodifica por un equipo de otro proveedor y no necesariamente la marca del equipo que envía la señal. Para información adicional, o para ayuda en ajustar o comprar estos receptores, puede escribir a la página de los fabricantes. Si desea recibir canales que se encuentran en el Amazonas, los parámetros de transmisión son:
Ubicación: 61° oeste Frecuencia: 4139.4 Polarización: H Symbol Rate: 4.543 FEC: 3/4 Para conseguir la elevación y azimut de la antena en su ciudad (recuerde que el satélite Amazonas está en 61° W), diríjase a:
http://www.hollsco.com/Products/SatCalc/ también a: http://www.dishpointer.com En la página de Hispasat: http://www.hispasat.com/Detail.aspx?sectionsId=56&lang=es
Figura 19
También permite hallar la elevación y azimut, e información adicional para orientar la antena. En dicha página se brinda un programa de cálculo para orientar las antenas hacia los satélites de HISPASAT le permite seleccionar el país donde se encuentre, tanto de Europa o Norte de África, como de América y el satélite al que quiera orientarse. En la figura 19 puede ver la imagen que aparecerá parta poder realizar el cálculo. Para recibir las emisiones de HISPASAT se puede instalar la antena parabólica en tejados, terrazas, 75
ventanas o jardines con visión despejada hacia el Suroeste, es decir, sin obstáculos o accidentes geográficos que impidan la visión directa entre la antena y los satélites HISPASAT, que se encuentran en la posición orbital de 30º Oeste (en medio del Atlántico) y 61º Oeste (sobre Brasil). Una correcta orientación de la antena requiere en primer lugar un apuntamiento básico. La orientación y apuntalamiento consiste en la determinación del acimut, elevación y plano de polarización de la antena. La obtención de los parámetros adecuados para cualquier una zona puede obtenerse con el programa de cálculo mencionado. En la figura 20 vemos los datos obtenidos para la ciudad de Bs. As., Argentina. En cualquier caso, siempre es recomendable un ajuste fino con la ayuda de un medidor de campo que sintonice un canal en abierto. El valor de acimut indicará el punto exacto en el que debemos fijar la antena en el arco suroeste. Este ángulo se mide desde el norte geográfico en sentido de las agujas del reloj. Una vez obtenido el valor de este ángulo y con ayuda de la brú jula, fijaremos la orientación de la antena hacia HISPASAT . Por ejemplo una antena a instalar en Buenos Aires (Acimut 355.61) debe ser fijada en 355. El ángulo de elevación nos indicará la inclinación que le debemos dar a Figura 21 76
Figura 20
la antena con respecto al plano horizontal para orientarla hacia los satélites HISPASAT. El valor aproximado de la elevación suele ser un ángulo cercano al complementario de la latitud. Es decir ángulos cada vez menores conforme nos desplazamos hacia el Norte. ***************************
