Segmentos Espacial y Terrestre

Segmentos: Espacial y terrestre

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

Contenido

I. Segmento espacial A. Sub Subsiste istema mass de un sat até élite lite

II. Segme gmento terre rrestre stre A. Elem Elemen ento toss de de la la est estac ació ión n ter terre rena na B. Antenas C. Modo Modoss de acce acceso so múlt últiple iple:: TDM TDMA, FDMA, Aloha, Aloha-S. Aloja-Rej DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

Segmento espacial


Contenido

I.

Criterios de diseño

II. Partes de un satélite III. Subsistemas de un satélite


I. Criterios de Diseño • Alta confiabilidad de los componentes. • Menor masa posible. • Alta eficiencia de los componentes activos.

• Robustez.


Robustez • Soportar alta variación de temperaturas (bajo coeficiente de dilatación térmica). • Soportar esfuerzos dinámicos y estáticos (en el lanzamiento l anzamiento y puesta en órbita). • Efectos del vacío: sublimación, cambio dureza de materiales, problemas de lubricación, soldadura fría. • Meteor Meteoritos itos y “chat “chatarra arra espaci espacial” al”:: 1,000 1,000 tonela toneladas das de meteoritos de diferente tamaño impactan en la atmósfera por día y hay alrededor de 10,000 objetos en órbita. Sin embargo, para ambos casos, la probabilidad de impacto es baja. • Radiaciones solares: Rayos X, Rayos Gama, protones, electrones, neutrinos, neutrinos, partículas alfa. Afectan la conductividad de los metales. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

II. Partes de un satélite El satélite se divide en 2 sistemas principales: • Bus o plataforma : soporta el funcionamiento de la carga útil o payload. • Payload o carga útil : soporta el enlace de comunicaciones.


II. Partes de un satélite Cada uno de estos sistemas esta compuesto por: • Bus o plataforma: Subsistemas

1. Subs Subsis iste tema ma de Con Contro troll Orb Orbit ital al y Pos Posic ició ión n 2. Subsistema de de En Energía 3. Subs Subsis iste tema ma de Cont Contro roll Térm Térmic ico o 4. Tele Teleman mando do Subs Subsis iste tema ma de de Telem Teleman ando do,, Telem Telemet etrí ría ay Seguimiento (TT&C) • Payload ó carga útil: Subsistemas

1. Subs Subsis iste tema ma de Comu Comuni nica caci cion ones es (tra (trans nspo pond nder ers) s) 2. Subsistem tema de de An Antenas DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

III. Subsistemas de un satélite 1. Subsistema de Control Orbital y Posición: a) Conserva apuntadas a las antenas hacia la tierra y los paneles solares al sol b) Mantiene la posición orbital mediante correcciones periódicas

2. Subsistema de Energía: brinda electricidad al satélite 3. Control Térmico: retiene los márgenes de temperatura. 4. Telemando Subsistema de Telemando, Telemetría y Seguimiento (TT&C): Mide los parámetros orbitales. Controla el estado y el funcionamiento del satélite. 5. Subsistema de Comunicaciones (transponders): Recibe, amplifica, procesa y retransmite las señales 6. Antenas: recepcionan y radían las señales desde/hacia la tierra. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

1. Subsistema de Control Orbital y Posición Perturbaciones de órbita GEO Aproximadamente 20 fuerzas afectan la órbita del satélite, de las cuales tres generan perturbaciones en la órbita GEO

1. Inclinación: producida por la atracción del sol y la luna

2. Longitud: producida por la distribución no uniforme de la masa terrestre 3. Excentricidad: producida por la presión solar


1. Subsistema de Control Orbital y Posición Perturbaciones de órbita GEO Atracción del sol y la luna – Afecta principalmente a la inclinación – Efecto aproximadamente de 0.86° por año – Corrección en el eje N-S mediante propulsores, maniobra que demanda la mayor cantidad de combustible


1. Subsistema de Control Orbital y Posición No uniforme distribución de la masa terrestres •

Afecta principalmente en longitud

•

105° W & 75° E puntos estables (valles)

•

165° E & 15° W puntos semi-estables (picos)

•

Corrección en el eje E-O mediante propulsores

•

Es importante este control para evitar interferencia intersatelital.


1. Subsistema de Control Orbital y Posición Presión Solar • Afecta principalmente en excentricidad • Corrección en el eje E-O

• Parámetro menos sensible para corregir.

Orbita excéntrica


Orbita GEO

1. Subsistema de Control Orbital y Posición


1. Subsistema de Control Orbital y Posición Estabilización El objetivo es mantener a las antenas y a los paneles solares orientados corrigiendo las perturbaciones originadas por las fuerzas externas. Gran parte del equipamiento del satélite se emplea para controlar la actitud del satélite. La actitud del satélite se refiere a su orientación en el espacio.


1. Subsistema de Control Orbital y Posición Detección de Orientación: • Detectores de Sol mediante dispositivos fotovoltaicos • Detectores infrarrojos para la Tierra • Señales piloto (radiofaros) transmitidas desde la Tierra • Reloj interno (girómetros) • Detectores de Estrellas.

Comparación con los ejes de referencia Acción de corrección


1. Subsistema de Control Orbital y Posición Tipos de estabilización Tenemos dos tipos de estabilización de la actitud satelital:

1. Control pasivo: por medio de un mecanismo que estabiliza al satélite sin gastar la fuentes de energía del satélite. Como ejemplo tenemos a la estabilización del spin. 2. Control activo: Una manera es el control de los tres ejes: –


Roll, pitch y yaw.

1. Subsistema de Control Orbital y Posición Control pasivo El uso de spinners se utiliza en satélites cilíndricos:


1. Subsistema de Control Orbital y Posición Spinners • Acción giroscópica en el eje de inercia máximo. • Los primeros satélites poseían este tipo de estabilización. • Estable en el eje de inercia máximo (N - S ). • Velocidad de rotación entre 30 a 120 rpm. • Mecanismo de contra rotación/desacople interior para las antenas. (En un inicio poseía una antena omnidireccional que no requería este sistema).


Vista explotada del Anik-C


Nave espacial Anik A


1. Subsistema de Control Orbital y Posición 2. Control activo:


1. Subsistema de Control Orbital y Posición Estabilización de 3 ejes Acción giroscópica en 3 ejes • 3 volantes de inercia: Yaw, Pitch, Roll. • Motores eléctricos alimentan el giro de 3 discos


1. Subsistema de Control Orbital y Posición Estabilización de 3 ejes Acción giroscópica en 3 ejes. • 3 volantes de inercia: Yaw, Pitch, Roll. • Motores eléctricos alimentan el giro de 3 discos.


1. Subsistema de Control Orbital y Posición Subsistema de TT&C (Telemetry, Tracking, Command) Telemedida: • Aproximadamente 100 sensores: energía, combustible, voltajes críticos, temperatura, apuntamiento antena, etc. • Transmisión a baja velocidad (150 - 1000 bps)

Seguimiento: • • • •

Determinación de posición del satélite Sensores de velocidad y aceleración Distancia (Doppler de la portadora de telemedida) Precisión menor de 100 metros.


1. Subsistema de Control Orbital y Posición Subsistema de TT&C (Telemetry, Tracking, Command) Telemando • Número reducido de acciones: en la fase de lanzamiento (AKM – Apogee Kick Motor, despliegue de antenas, paneles solares), corrección de órbita, conmutación a equipo de respaldo (switch a backup).

Alta fiabilidad: • Reconocimiento antes de ejecución • Transmisión protegida frente a interferencias (banda estrecha o espectro ensanchado)


1. Subsistema de Control Orbital y Posición

Centro Centro de de control control satelital satelital (SCC) (SCC)

Centro de control satelital (SCC): el cerebro de la operación. Suministra potencia de computo e inteligencia humana. Puede ser co-locada ó remota a distancia.


Subsistema de comando Subsistema de ranging

Subsistema de control y conmutación IF

Antena TTAC full tracking

Subsistema de Telemetría

Up Link

Down Link

Up Link

Down Link

Diagrama funcional de un sistema TT&C


2. Subsistema de Comunicaciones Transponder


2. Subsistema de Comunicaciones Transponder • El amplificador se debe mantener en zona lineal para minimizar los productos de intermodulación.

• El grado en que se reduce la potencia de salida respecto a la zona de saturación se conoce como Output Back Off (OBO). • El Input Back Off, o IBO, a la reducción de la potencia de entrada para mantener al amplificador en la zona lineal. • Para un determinado OBO, le corresponde un IBO. • Mientras más portadoras se tenga, mayor debe ser el BO.


2. Subsistema de Comunicaciones Transponder • La intermodulación es el resultado de dos o más señales en diferentes frecuencias que son mezcladas formando señales adicionales interferentes: • Ruido por intermodulación. – Se genera por la no linealidad de los amplificadores.

• Productos de tercer orden son los más problemáticos.


2. Subsistema de Comunicaciones - Armónicas Debido al ancho de banda y la gran ganancia del TWT y al hecho que el tubo trabaja como un dispositivo no lineal en saturación, las armónicas se presentarán en el espectro de salida de RF. Típicamente, una saturación para aplicaciones de banda estrecha, la segunda armónica debe estar 8 a 10 dB debajo de la fundamental, pero esto no es importante pues esta fuera de banda.


2. Distorsión de intermodulación ) B d ( a r o d a t r o p a n u a a v i t a l e r a d i l a s e d F R a i c n e t o P


Potencia RF de entrada relativa a una portadora (dB)

Distorsión de intermodulación • Se debe entender de la figura mostrada lo siguiente: – En operación multiportadora, la potencia en saturación no será la misma potencia que se requiere con una portadora.

– La distorsión de intermodulación se reduce en las regiones de pequeña señal, pues esta región es más lineal. • Los amplificadores de potencia deben trabajar entre 2 a 10 dB debajo de su nivel de potencia de saturación para minimizar los efectos de intermodulación (IM).


2. Subsistema de Comunicaciones - Output Backoff [OBO] Si dos ó mas portadoras se transmiten simultáneamente en un amplificador, el punto de operación debe ser retornado (backoff) a una región lineal de la curva de característica de transferencia para reducir los efectos de distorsión de intermodulación. El Output backoff (OBO) de salida es la relación en dB, entre la potencia de salida de saturación y cualquier potencia de salida menor que la de saturación. Este valor es determinado por los requerimientos de intermodulación (IM). Si los niveles máximos de IM, permitidos son de -26 dBc, el valor resultante de Output backoff típico es de 7 dB.


Ejemplo Si un TWTA de 600 vatios, (27.8 dBW) maneja 3 portadoras, se requiere que tenga un nivel de 7 dB de backoff de salida, para evitar la intermodulación. Entonces la salida máxima obtenible con multiportadoras es: Potencia disponible de salida = Potencia en dBW de salida en saturación – backoff de salida = +27.8 dBW – 7dB = 20.8 dBW ó 119.7 W Los restantes 480.3 vatios no se usan debido a la respuesta no lineal del TWTA Como una regla general, se usa que el backoff de salida de un TWT es de 7 dB para operación en multiportadora, para mantenerse en la región lineal de la curva de transferencia. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

2. Subsistema de Comunicaciones- Input Back-Off Es el nivel de una señal a la entrada de un amplificador relativa al nivel que dicha entrada debería tener para causar el máximo nivel de salida:

Por ejemplo: Si un nivel de entrada de – 20dBm causa una salida máxima, y el nivel actual de la señal de entrada es de -25 dBm, entronces el IPBO es 5 dB.


2. Subsistema de Comunicaciones - OPBO y IPBO

• Los valores de OPBO y IPBO se emplean para determinar los niveles de operación del TWTA de un transpondedor satelital. • El valor de OPBO también se usa al calcular los niveles de distorsión de intermodulación a la salida de los SSPA ó TWTA. • Para los SSPA, el punto de referencia 0BP es el punto de 1 dB de ganancia con compresión de potencia, mientras que para los TWTA es la potencia de salida de saturación.

• Las figuras de intermodulación a menudo se plotean en niveles de intermodulación vs OPBO.


OPBO y IPBO B d , f f O k c a B r e w o P t u p t u O

Input Power Back-Off, dB


Rango dinámico de operación lineal para un SSPA Este es el nivel de la señal de salida al cual la ganancia del amplificador es reducida en 1 decibelio.


Amplificadores: Punto de intersección de tercer orden (IP3)


Un transponder básico

Mezclador

Antena de recepción

LNA

Filtro de transponder (36 MHz) 2225 MHz Oscilador


TWTA

Antena de transmisión

Configuración típica de un satélite


Plan de frecuencias y de polarización de un transponder del satélite Anik F1 – América del Sur

14000 /11700

14100 /11800

14200 /11900

14300 /11200

14400 /12100

14500 /12200

ANIK F1 (107.3W )

14.25

T17

5 . 3

14027.75 /11727.75

14000 /11700


T18 14058.25 /11758.25

T19 14088.75 /11788.75

T20 14119.25 /11819.25

14100 /11800

T21 14149.75 /11849.75

T22

T23

14180.25 14210.75 /11880.25 /11910.75

14200 /11900

T24

T25

T26

T27

T28

T29

T30

14241.25 /11941.25

14271.75 /11971.75

14302.25 /12002.25

14332.75 /12032.75

14363.25 /12063.25

14393.75 /12093.75

14424.25 /12124.25

14300 /12000

14400 /12100

T31 14454.75 /12154.75

T32

V/H

14485.25 /12185.25

14500 /12200

Sección del plan de frecuencias y polarización de subida. Los números de refieren a frecuencia en MHz


Canales de un transponder


Diagrama típico de niveles relativos en un transpoder

a: atenuador conmutable b: amplificador de transmisión de alta potencia


3. Subsistema de antenas Contorno de cobertura (configuración de haz): Tipos de antenas: • Omnidireccional: Usada para TT&C (durante fase de lanzamiento único medio disponible). Generalmente UHF- 2 GHz • Global ó de bocina : Angulo de apertura típico de 17.4 grados. – Hemisférica/Regional

– Uso de reflectores/antenas • Spot beam

Uso de reflectores de mayor diámetro: el ángulo de apertura es inversamente proporcional al diámetro de la antena.


3. Subsistema de antenas El subsistema de antena del Intelsat VI


3. Subsistema de antenas Tipos de antenas • Conformación de haz (Beam shaping): – Múltiples alimentadores a un solo reflector


3. Subsistema de antenas Subsistema de antena para el satélite INTELSAT VI


3. Subsistema de antenaz para el satélite INTELSAT VI


3. Subsistema de antenas Subsistema de antena para el satélite INTELSAT VI


3. Subsistema de antenas Tipo de pisadas de un satélite (footprint)

Pincel DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

Zonal

Hemisférico

4. Subsistema de Control Térmico El control térmico es necesario para proteger los sistemas electrónicos del satélite. • Dos desafíos:

– Efectos externos: controlar las variaciones de temperatura que en el espacio son de -100 a +100 grados centígrados. – Efectos internos: remover el calor generado por los dispositivos eléctricos y mecánicos dentro del satélite • Dos sistemas de control térmico: – Pasivo – Activo


Anatomía de un satélite


4. Subsistema de Control Térmico • Control Térmico Pasivo: Uso de paneles que reflejan el calor del sol.

• Control Térmico Activo: este control se provee a través de 2 subsistemas: – Calentadores Internos: se usa durante los eclipses de sol.

– Equipo de refrigeración: para refrigerar el calor producido por el sol, y de los amplificadores de potencia (HPA).


4. Subsistema de Control Térmico

Cara

La cara apunta

X

Este y Oeste a lo largo del ecuador

Sábanas metalizadas

Y

Norte y Sur: Arreglo solares pegados

Espejos de revestimiento

Z

Hacia y fuera de la tierra

Sábanas metalizadas


Observaciones

5. Subsistema de Energía Eclipse solar: • La tierra hace sombra sobre el satélite (12,000 km de ancho). • Durante el periodo de eclipses el satélite llega a estar 70 minutos por día sin recibir energía solar.


5. Subsistema de Energía – banco de baterías • El banco de baterías es proporcional a los requerimientos de potencia del satélite. • Son baterías especiales; livianas y de tiempo de vida largo.

• El dispositivo de control del banco se encarga de regular la carga de las baterías, así como del estado de las mismas. • Se dimensiona el banco de baterías considerando los periodos de eclipse solar: – Equinoccio de primavera (Set-Oct). – Equinoccio de otoño (Mar-Abr). – Duran aproximadamente 20 días cada uno.


5. Subsistema de energía • La energía del sol es capturada por paneles solares, la cual sirve para varios propósitos, tales como alimentar a un sistema de baterías (energía DC).

• La superficie de los paneles siempre apuntan al sol. • Eficiencia de los paneles es de alrededor de 15% • Se diseñan con una capacidad superior a la requerida.


5. Subsistema de Energía Los paneles solares están sujetos a un número de factores que pueden afectar de manera significativa la cantidad de potencia disponible: Estos factores son: a) Variación de la distancia al sol. b) Variación del ángulo de incidencia de la energía solar. c) Disminución de eficiencia durante los eclipses solares. d) Degradación de los paneles solares con el tiempo.


5. Subsistema de Energía – Paneles solares a) Variación de la distancias • La variación de la distancia de la tierra al sol es de 0.983 Unidades Astronómicas (1UA = 149´597,870km) a 1.067UA durante el año. Si 1 UA es 100 % entonces la energía recibida varía entre 97 % y 103 %


Subsistema de Energía – Paneles solares d) Degradación de las celdas solares • Debido al polvo solar y ambiente espacial existe una degradación progresiva de las celdas solares y su cubiertas ópticas:

– Cubiertas ópticas: 7% el primer año. – Celdas solares: 3% el primer año y luego 2% por año. • Para el dimensionamiento de los paneles solares se toman en cuenta tiempo de vida del satélite y los requerimientos de potencia del mismo.


Segmento terrestre


Contenido

I.

Elementos tos de la estación terrena

II. Antenas III. III. Modo Modoss de de acces acceso o múltip múltiple le


La estación terrena Componentes de una estación terrena Una estación terrena esta compuesta por: • Sistema de antena •

Sistema de seguimiento de antena

• Amplificadores de potencia (Sentido de transmisión) •

Amplificadores de bajo ruido (Sentido de recepción)

•

Conversores de frecuencia

• Modems


I. Elementos de la estación terrena


Organización de una estación terrena - Hub

Amplificadores de potencia Alimentador de antena

diplexer OMT

Motores de control

Amplificadores de bajo ruido Señales de error

Señales de comando

C o m b i n a d o r

D i v i s o r

Up converter

Down converter

Modulador Modulador Modulador

Demodulador Demodulado Demodulador r

E q u i p o d e s p e r ñ o a c l e e s s a m i e n t o d e

M u l t i p l e x e r / D e m u l t i p l e x e r

C o n e x i ó n c o n l a r e d t e r r e s t r e

Tracking

Programación del Tracking SUBSISTEMA DE ANTENA

EQUIPO RF

EQUIPO DE COMUNICACIONES TERRESTRES

EQUIPO DE INTERFACE TERRESTRE

OMT: Orthogonal Mode Transducer

Radio frecuencia


Frecuencia intermedia

Banda base

Organización de una estación terrena – Estación terrena redundante


II. ANTENAS


Parámetros característicos de las antenas parabólicas El subsistema de antena debe tener: 1.

Alta ganancia

2.

Alta eficiencia en el uplink y en el downlink

3.

Alto aislamiento entre las polarizaciones ortogonales

4.

Baja temperatura de ruido

5.

Alta directividad en el dirección al satélite y baja directividad respecto a otras direcciones (buena característica de bandas laterales)

6.

Excelente funcionamiento de autoseguimiento

7.

Limitación del efecto de los condiciones meteorológicas locales tales como viento, hielo, etc. sobre su performance.


Antenas - Ganancia La ganancia es máxima en la dirección de la radiación máxima y tiene el valor de:

Gmax Donde λ=c/f.

 4     Aeff    2

Aeff = apertura efectiva de la antena Para una antena circular tenemos: A =πD2/4 y Aeff = ηA donde η es la eficiencia de la antena. De aquí, tenemos: 2

Gmax DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

  D    Df   n   n      c 

2

Antenas – Patrón de radiación y ancho anular del haz

Angular beamwidth

(a) Representación polar


(b) Representación cartesiana

Antenas - Ganancia • El ancho del haz de media potencia (- 3 dB) esta dado por:  3dB

 k



D

• Donde k depende de la ley de iluminación de la apertura. Para antenas de alta eficiencia k ≈ 65 (ó k≈ 70).

• Para ángulos pequeños (θ entre 0 y θ3dB/2) se tiene la expresión en dB:

G(θ)dBi=Gmax,dBi – 12(θ/ θ3dB)2 • Combinando con la ecuación de Gmax, tenemos que 2

  65  27000   Df     n   n  dB   c    dB  2

Gmax

2

3


3

Antenas - Polarización

---- : Diagrama de referencia (Rec. ITU-R S.465-5)

θmin

= 1° ó 100 λ/D

NOTE: en la Rec. ITU-R S.580.4 el valor viene a ser G(θ) = 29 – 25 log θ (dBi) DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

Antenas – Parámetros de caracterización de la polarización de una onda electromagnética

Inclinación

• Dirección de rotación : en sentido de las agujas del reloj, o en contra de las agujas del reloj • Radio axial (AR): AR = Emax/Emin, Si AR = 1 es polarización circular • Inclinación (τ) de la elipse DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

Amplitud de los campos eléctricos transmitidos y recibido para el caso de dos señales con polarizaciones ortogonales

a y b: amplitudes de campos eléctricos de dos señales polarización lineal aC y bC : amplitudes recibidas con la misma polarización de su transmisión aX y bX: amplitudes recibidas con polarización ortogonal DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

Amplitud de los campos eléctricos transmitidos y recibidos para el caso de dos señales con polarizaciones ortogonales Aislamiento de polarización cruzada (lineal): XPI = aC/bX ó bC/aX . De aquí:

XPI (dB) = 20 log (aC/bX ) dB ó 20 log (bC/aX ) dB Discriminación de polarización cruzada (lineal): Cuando una sola señal es transmitida XPD = aC/aX . De aquí:

XPD (dB) = 20 log (aC/aX ) dB Discriminación de polarización cruzada en polarización circular : Para una polarización quasi circular, caracterizada por su valor de relación Axial AR, la discriminación de polarización cruzada esta dada por:

XPD = 20 log [(AR + 1)/ [(AR - 1)] dB


Transmisión y recepción de los componentes copolarizados [(LHCP)co y (RHCP)co] y crosspolarizados [(RHCP) x y (LHCP)x] de dos enlaces RF para un sistema de resuso de frecuencia que emplea polarización dual (circular)

OMT: Orthomode transducer (RHCP): Right Hand Circular Polarization (LHCP): Left Hand Circular Polarization co: Co-polarization x: Cross-polarization

NOTA: La misma figura se aplica a la polarización lineal dual en un sistema de reuso de frecuencia, si por ejemplo, se cambia (LHCP) por Vertical (V) y (RHCP) se cambia por horizontal. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

Tipos de antenas Las antenas satelitales más comunes son las antenas de reflector. Estas antenas se clasifican por su configuración: –

Por la simetría con el eje: • Con simetría al eje •

–

Offset

Por el número de reflectores: • Un solo reflector •


Dos reflectores

Tipos de antenas: Eje simétrico Tipo de antena

Eje simétrico Un solo reflector

Ejemplo Esquema


Parabólica

Tipo de doble reflector Cassegrain

Cassegrain alimentada por WG de 4 reflectores

Gregoriana

Tipos de antenas: Con simetría al eje - Axisymmetric Tipo de antena

Tipo offset Reflector único

Ejemplo Características

Parabólica •

•

Patrón con excelente radiación y baja temperatura de ruido debido al no tener bloqueo Excelente VSWR

Torus •

•

•

•

•

Aplicaciones DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

Antena pequeña para estación terrena (TVRO)

Reflector doble

Hace seguimiento de satélites quasi estacionarios sin mover su reflector principal. La variación del haz puede ser hecha moviendo solo el radiador primario Pobre eficiencia de apertura Muy pobre patrón de radiación Capacidad de haces múltiplex con radiadores primarios múltiples TVRO Antena para recepción de múltiples satélites

Cassegrain •

•

• •

•

Patrón con excelente radiación debido al no tener bloqueo Alta eficiencia y baja temperatura de ruido debido a la forma del reflector Excelente VSWR Pequeña carga al viento si se selecciona un montaje adecuado Buena accesibilidad debido que el Feed y el LNA pueden ser instalados en un lugar libre de rotaciones El y Az

Estación terrena de tamaño mediano

Gregoriana •

•

• •

•

Patrón con excelente radiación debido al no tener bloqueo Alta eficiencia y baja temperatura debido al no bloqueo y forma del reflector Excelente VSWR Pequeña carga al viento si se selecciona un montaje adecuado Buena accesibilidad debido que el Feed y el LNA pueden ser instalados en un lugar libre de rotaciones El y Az

Estación terrena de tamaño mediano

Reflector paraboloide Prime focus


Reflector paraboloide dual tipo Cassegrain


Sistema de alimentador (Feed) Tipo de corneta

Corneta de apertura libre Cónica convencional

Forma

Forma de apertura de campo


Modo dual (tipo de paso)

Cónica corrugada


Corneta de apertura libre Cónica convencional

Modo dual (tipo de paso)

Cónica corrugada

Características de frecuencia

Amplia

Menos del 5 %

Aproximadamente 1 octava

Simetría del haz con el eje

Pobre

Buena

Excelente

Lóbulo lateral

Pobre

Buena

Excelente

Nivel de polarización cruzada

Pobre (-18 a 20 dB)

Buena (menos de -25 dB)

Excelente (menos de -30 dB)

Potencia en el haz

Pobre

Buena

Excelente



Corneta de apertura rectangular Piramidal

Forma

Forma de apertura de campo


Corneta diagonal

Cónica de ensanche múltiple


Corneta de apertura libre Piramidal

Corneta diagonal

Cónica de ensanche múltiple

Características de frecuencia

Amplia

Amplia

Aproximadamente 20 %

Simetría del haz con el eje

Pobre

Buena

Excelente

Lóbulo lateral

Pobre

Buena

Excelente

Nivel de polarización cruzada

----------

----------

Buena

Potencia en el haz

Pobre

Pobre

Buena

Observaciones

Solo para usar con polarización lineal

Solo para usar con polarización lineal

----


Tipos de montaje de antena Montaje Azimuth – elevación

Tipo con torre y yugo


Tipo rueda y track

Tipo manejado por tornillo

Montaje X-Y y Polar

Montaje X-Y


Montaje polar

Geometría de Antenas

OFFSET DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

Ejemplos de antenas


Tipos de estación terrena – Estándares


Posicionamiento de haz de antena – Sistema de tracking


AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES DE POTENCIA - HPA AMPLIFICADORES DE BAJO RUIDO - LNA


AMPLIFICADORES DE POTENCIA – HPA SSPA - TWT


Amplificadores: Estructura básica, una etapa


Amplificadores: Estructura básica, una etapa


Amplificadores: PA Diagrama básico y definición de eficiencias


Amplificadores: PA


Amplificadores de potencia La función básica de un amplificador de potencia en una estación terrena es amplificar portadoras de RF de bajo nivel provistas por los modems a un nivel de potencia que asegure que una correcta EIRP por portadora radiada hacia el satélite. Los equipos más comunes de amplificadores de potencia que se usan en las estaciones terrenas son: • Amplificadores de tubo ondas progresivas (TWT) • Amplificador de estado sólido (SSPA)


Amplificadores de potencia Los amplificadores de potencia usan una etapa de potencia a tubos ó a transistores, la cual puede estar asociada con una preamplificador y un linealizador. También incluye sistemas de protección y control, además de sistemas de enfriamiento.


Amplificadores de potencia: TWT y Klystron Los tubos usados en las estaciones terrenas medianas y grandes son tipo klystron o tubos de ondas viajeras (Traveling Wave tubes - TWT). Su organización general es muy similar; la cual consiste en : • Una pistola de electrones • Un sistema para focalizar a los electrones, lo cual habilita obtener un haz cilíndrico extendido • Un dispositivo que permite que la energía cinética de los electrones sea convertido en energía electromagnética • Un colector de electrones


Amplificadores de tubo onda progresiva (TWT) Un TWTA es un amplificador con un gran ancho de banda y con una ganancia de potencia típicamente de 25 a 50 dB. Su eficiencia, en general es una función del ancho de banda y tiene un rango de 20 % a 40% (valores típicos). Tienen anchos de banda de 500 MHz o incluso hasta 750 MHz, y manejan potencias hasta 1.3 Kw


Diagrama de un TWT con fuentes de alimentación


Parámetros que afectan a la performance del sistema

Las consideraciones para seleccionar un amplificador de potencia para una aplicación específica son: • la frecuencia central • el ancho de banda • la potencia de salida

• otros parámetros adicionales.


Linealizadores • Cuando se emplean los TWT en sistemas de acceso múltiple por modulación de frecuencia de multiportadoras, resultan productos de íntermodulación. Al respecto un linealizador se usa para mejorar la distorsión de intermodulación y mejorar la potencia de salida. • El linealizador se combina con el preamplificador o se localiza antes, y produce una distorsión de fase y amplitud de la señal para compensarla para las características específicas del amplificador de potencia. • Para un determinado nivel de ruido de intermodulación el linealizador permite la reducción del back-off, la cual provee una mayor disponibilidad de la potencia de portadora para el amplificador en una potencia dada de saturación produciendo una reducción de costo potencial, consumo de potencia y de volumen.


Linealizador del tipo de predistorsión no lineal


Amplificadores de potencia de estado sólido - SSPA Los SSPAs, basados en transistores de efecto de campo, tipo GaAsFET, tienen estas ventajas sobre los TWTs: –

Performance superior en distorsión de intermodulación

– Alta confiabilidad –

Costos menores de mantenimiento y de repuestos

–

Vida operativa más larga comparada con los TWTA (un SSPA sobrevive a varios tubos TWT)

–

Menor potencia de consumo

–

Estos amplificadores se usa cada vez más por su bajo costo, linealidad y ancho de banda amplio.


Amplificadores de potencia de estado sólido • Estas características unidas a un adecuado diseño, nos producen amplificadores que tiene alta frecuencia, relativa alta potencia manejada y bajo ruido.

• Son comparativamente más baratos y confiables, sin embargo su potencia es menor (hasta 100W). • Operan típicamente 2 a 4 dBs de backoff bajo operación multiportadora, en vez de los 7 dB requeridos por los TWTAs. • Es posible incrementar la capacidad de la potencia de salida poniendo en paralelo varios GaASFET, pero siempre se debe tener en cuenta que existen compromisos entre potencia de salida, eficiencia y ganancia.


Aplicaciones de gran potencia


Comparación de tecnologías de amplificadores de potencia TWTA Ventajas

Desventajas

Potencias de salida medianas Producción limitada de TWTs a grandes (35 – 3000 W) Probada robusta performance en el campo

No tiene capacidad de falla leve en caso de falla

Buena eficiencia RF/DC de 30 No lineal, pero existen – 50 , la cual no disminuye linealizadores para operación en rápidamente con el back-off. back-off Performance estable sobre la temperatura Capacidad de banda ancha instantánea Larga vida No tiene efecto de memoria (no linealidad) DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

Requiere altos voltajes para su operación

Comparación de tecnologías de amplificadores de potencia SSPA Ventajas

Desventajas

Capacidad de producción en altos volúmenes

Potencias de salida limitadas (cientos de vatios en banda C y K. Decenas de vatios en banda Ka.

Performance inherentemente lineal para transmisión multiportadora

Tamaño y peso incrementados a niveles altos de potencia, debido a los requerimientos de enfriamiento añadidos (ventiladores, sumideros de calor, etc.) Altar corrientes Requiere ser compensado en temperatura Problemas de disipación. Grandes cantidades de calor en locaciones concentradas. Altamente ineficiente (10 – 30 %)


Comparación de tecnologías de amplificadores de potencia Klystron Ventajas

Desventajas

Alta potencia (varios KW), que Ancho de banda estrecho producen reserva para una instantáneo (40 – 90 MHz), pero performance lineal optima en sintonizable sobre más de 500 MHz. back-off Buena performance lineal para multiportadoras Costo-efectivo, confiable Buena eficiencia (50 %)


AMPLIFICADORES DE BAJO RUIDO LNA - LNB


Amplificadores de bajo ruido Introducción •

El LNA (Low Noise Amplifier) es un amplificador de bajo ruido, que recibe la señal del alimentador (feeder) y la amplifica. La señal recibida tiene muy bajo nivel, por lo cual el amplificador tiene un nivel de ruido muy bajo.

•

La figura de mérito de sistema para una estación terrena esta determinado virtualmente por la figura de ruido (Noise Figure – NF) y la ganancia del LNA, además de la ganancia de la antena.


Low Noise Block Converter - LNB

• El LNA no cambia la frecuencia de la señal, solo la amplifica. Para transmitir esta señal amplificada de muy alta frecuencia de 3.7 a 4.2 GHz para banda C (11.7 a 12.2 GHz para banda Ku) es necesario un cable Heliax muy grueso, costoso, pesado y dificultoso de instalar y que atenúa la señal. Por lo cual se debe usar guia de onda. • Una alternativa económica es emplear el LNB. • El LNB (Low noise Block converter) lleva a cabo la amplificación y traslación a una frecuencia intermedia de 950 a 1450 MHz la cual puede ser enviada por un cable RG-6, el cual es económico y fácil de instalar.


Diagrama de bloque de un conversor de bajo ruido Low Noise Converter - LNC

VCXO: Oscilador VCO a cristal


Temperatura de ruido típica de los LNA en base a FET


Amplificadores: LNA


Amplificadores: LNA


Amplificadores LNA:


Amplificadores LNA:


Amplificadores: LNA


Amplificadores: LNA


Amplificadores: LNA


LNA: Potencia de ruido y temperatura equivalente de ruido

En ambos casos, la potencia de salida es No =GkTeB. Entonces Te Te es la temperatura equivalente de ruido del amplificador DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

Amplificadores: LNA – Figura de ruido


Amplificadores: LNA Figura de ruido de un sistema con componentes en serie


Amplificadores: LNA


Amplificadores: LNA


CONVERSORES DE FRECUENCIA: MEZCLADORES Y SINTETIZADORES


Conversores de frecuencia


Mezcla de potencia ( Multiplexaje)

En una estación terrena típica habrá más de un amplificador de potencia conectador a la puerta de alimentación de la antena, que sirve a determinado tipo de polarización. Por lo cual, es necesario combinar las salidas de los amplificadores en una sola señal que ingrese al alimentador de antena. La salida del amplificador es una guía de onda y esta se conecta a uno ó más combinadores de RF. Un combinador puede ser de uno de tres tipos: • Híbridos • Circuladores • Diplexers DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

Principio de conversión de frecuencia El dispositivo encargado de la conversión de frecuencias es el mezclador que genera frecuencias que son las sumas o diferencias de las dos frecuencias de entrada, tal como se muestra: Mezclador

Señal de

Señal de

entrada

salida

Oscilador local


Convertidores de frecuencia Convertidor hacia arriba (Upconverter – U/C)

Usando los principios descritos, el U/C traslada las señales de frecuencia intermedia (IF) a la región de las señales de RF (es decir a la banda de 6 o 14 GHz). A la inversa, un convertidor hacia abajo (D/C) traslada las frecuencias de RF en la banda de IF.


Doble conversión de transmisión y recepción


Mezcladores


Mezcladores - Introducción

Armónicos no aparecen


Mezcladores – Subida de frecuencia en el transmisor

WLO y WIF eliminadas


Mezcladores – Bajada de frecuencia en el transmisor

WRF > y WLO


WLO y WRF eliminadas

Sintetizadores de frecuencia: Introducción


Sintetizadores de frecuencia: Características


Sintetizadores de frecuencia: Características


Elementos pasivos


Guías de onda


Atenuación de guías de onda. Curvas basadas en WSWR:1.0 temperatura ambiental 290 K


Terminaciones


Terminaciones


Atenuadores


Circuladores


Circuladores


Divisores y acopladores Símbolo del acoplador direccional


Divisores y acopladores


Acoplador híbrido en cuadratura de – 3 dB


Anillo híbrido 180°


Filtros


Metodos de acceso


FDMA (Frequency Division Multiple Access)

Transmisión

Recepción Info1(t) f 1(t)

Info1(t) f 1(t) Info2(t)

f 2(t)

Info2(t) f 2(t) Info3(t)

Info3(t) f 3(t)


f 3(t)

TDMA (Time Division Multiple Access)

Recepción Info1(t)

Transmisión f c(t)

Info1(t)

Info2(t)

Info2(t) Info3(t)

f c(t) f c(t) f c(t)


Info3(t)

CDMA (Code Division Multiple Access)

Recepción Info1(t)

Transmisión f c(t)

Info1(t)

C1(t) Info2(t)

C1(t) S

Info2(t) C2(t) Info3(t)

C2(t)

f c(t)

Info3(t) f c(t)

C3(t)


f c(t)

C3(t)

Métodos de acceso al medio




Acceso aleatorio


Acceso controlado

ALOHA Network


Procedimiento del Protocolo ALOHA puro


Tiempo de vulnerabilidad del protocolo ALOHA puro


Procedure for Procedimiento Procedimiento del Protocolo ALOHA ranurado Slotted ALOHA Network


Tiempo de vulnerabilidad del protocolo ALOHA ranurado


Diferentes capas de protocolos usados en redes VSAT


Formas básicas de técnicas de acceso


Acceso múltiple por asignación por demanda - DAMA Sistema de reservación por ráfagas: • Los usuarios solicitan la reserva de una futura ranura de tiempo • Cuando viene la ranura, el usuario transmite sin contención • Intercambia mayor utilización por una mayor latencia n e ó d i s o i d r m a s t n e a r R t

Canal O/H requerido Para mensajes: de reserva y Ack

Tres RTTs: Petición/Ack/ Transmisión

Utilización de canal DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

Protocolos de acceso múltiple desde la perspectiva de acceso Portadoras TDM/TDMA


Operación de protocolos de acceso múltiple


Operación del DA-TDMA Asignación por demanda con protocolo TDMA


Comparación de eficiencia de protocolos de acceso

) . g e s ( o d r a t e R

C au d al (t h r o u g h p u t ) DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

Esquema de acceso FTDMA Acceso múltiple en tiempo y frecuencia f



Otras redes todaría trabajan con el tradicional TDMA (Slotted Aloha.)



En caso de colisión, el VSAT retransmite inmediatamente, a una frecuencia diferente, evitando el retardo aleatorio

RA

11

31 14 21 21

14 25 14

25

t DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

14

Comparación de performance entre técnicas de protocolos de acceso

Técnica

Caudal máximo

Retardo Típico

Aplicación

Notas

Aloha

13 ~ 18 %

< 0.5 s.

Mensajes de longitud variable

S-Aloha

25 ~ 36 %

< 0.5 s.

Mensajes de longitud fija

Aloha SREJ

20 ~ 30 %

< 0.5 s.


Su capacidad compite con S-ALOHA

DA-TDMA

60 ~ 80 %

< 2 s.


Atractivo para mensajes largos (datos en lote, voz)


Temporización no es requerida

Visión general de los protocolos VSAT


Emulación típica de un protocolo de datos terrestre


Frame Relay:

3 0 1

2 0 1

1 0 1

1 0 1

3 0 1

2 0 1

1 01 1 0 1 1 01 1 01 1 0 2 1 0 2 1 1 0 0 2 3 1 0 1 2 0 3 1 0 3

CENTRAL

REMOTE 1

103 102 101 101 103 102

REMOTE 2

103 102 101 101 103 102

1 0 3

2 Mb/s F1

REMOTE 3

101 101 101 101

64kb/s F2

102 102 102 102

32kb/s F3

103 103 103 103

64kb/s F4


103 102 101 101 103 102

•

Cada FRAD difunde una sola portadora

•

Cada FRAD filtra los paquetes recibidos basados en el DLCI

•

2 Mb/s F1

2 Mb/s F1

Optimización del ancho de banda: el tráfico para todas las remotas es compartido en el mismo ancho de banda

Segmentos Espacial y Terrestre

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