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CAPITULO V
ANTENAS PARABOLICAS
INDICE
5.1 INTRODUCCIÓN
5.2 FABRICACIÓN DE ANTENAS PARABÓLICAS
5.3 PARÁMETROS DE ANTENAS
5.4 TIPOS DE ANTENAS PARABÓLICAS
5.4.1 De foco primario
5.4.2 Off-set
5.4.3 Cassegrain
5.4.4 Antena Plana
5.5 PARTES PRINCIPALES DE UNA ANTENA
5.5.1 Reflector o plato parabólico
5.5.2 Mecanismo de alimentación
5.5.2.1 El alimentador
5.5.2.2 Bloque de bajo ruido
5.6 BANDAS DE FRECUENCIAS UTILIZADAS
5.7 ORIENTACIÓN DE LA ANTENA
5.7.1 cálculo de azimut
5.7.2 cálculo de elevación
5.7.3 Desplazamiento
5.1 INTRODUCCIÓN
Las antenas utilizadas para UHF (0.3 a 3 GHz) y μondas (1 a 100 GHz) deben ser altamente directivas.
Estas antenas tienen ganancias altas por que concentran la potencia irradiada en un haz angosto en vez
de enviarlo en forma uniforme en todas las direcciones y el ancho de haz se reduce con los incrementos en la ganancia de la antena. Las antenas de μondas casi siempre tienen anchos de haz de media
potencia del orden de 1° o menos. Un ancho de haz angosto minimiza los efectos de la interferencia de
fuentes externas y antenas adyacentes. Sin embargo, para transmisión de línea de vista, como las utilizadas con los radios de μondas, un ancho de haz impone varias limitaciones, como la estabilidad
mecánica y el desvanecimiento, que pueden producir problemas en la alineación de la antena.
Toda la energía electromagnética emitida por una antena de μondas no se difunde en la dirección del
lóbulo principal, parte se concentra en los lóbulos laterales que pueden ser fuentes de interferencia en
o desde otras trayectorias de señales de μondas. La fig. 5.1 muestra la relación entre el haz principal y
los lóbulos laterales para una antena de μondas típica como un reflector parabólico. El tipo más común
de la antena utilizada para transmisión y recepción de μondas es el reflector parabólico.
Las antenas reflectoras parabólicas proporcionan una ganancia y una directividad extremadamente
altas y son muy populares para los radios de μondas y el enlace de comunicaciones por satélite.
5.2 FABRICACIÓN DE ANTENAS PARABÓLICAS
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.
Debe soportar bien las contracciones y dilataciones debidas a los cambios de la temperatura ambiente
y a las inclemencias metereológicas.
Los fabricantes suelen emplear duraluminio, chapa de acero, malla metálica o bien fibra de vidrio
epóxica (u otros materiales plásticos) recubierta de una capa metálica, para que reflejen con eficacia
las señales que llegan de un satélite.
Se pueden fabricar de una sola pieza o por sectores (pétalos) como lo muestran las figuras 5.2 y 5.3.En
la actualidad, 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 con sectores de 240 cm.
Fig. 5.2 Antena parabólica por sectores
Fig. 5.3 Antena parabólica de una sola pieza
Los reflectores de malla metálica o de chapa de acero perforado tienen una buena consistencia debido
a nervios que se colocan para impedir la deformación. Presentan buena resistencia al viento si la velocidad de este es reducida, pero son poco consistentes a esfuerzos mecánicos.
El tamaño de las perforaciones debe ser menor que 1/10 de la longitud de onda de la señal que se
desea captar lo que supone diámetros de perforación inferiores a 0.27 mm en la banda Ku de acuerdo a
la ecuación
3 x 108 m/s
= 0.0027 m = 2.7 mm
11 x 109 Hz
Si las perforaciones son de mayor diámetro se producen considerables pérdidas, además pueden llegar
al alimentador de 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.
λ=
Los reflectores para antenas parabólicas se pintan de un color que no es brillante, pues si así fuera,
concentraría la luz solar sobre el iluminador que se deformaría y hasta se 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.
5.3 PARÁMETROS DE ANTENAS
Para elegir la antena parabólica adecuada deben tenerse en cuenta una serie de características técnicas
enumeradas a continuación:
Diámetro del reflector
Ganancia
Rendimiento
Angulo de radiación
Relación diámetro/foco (D/f) y foco/diámetro (f/D)
Lóbulos principal y secundarios
Ancho de banda
Relación señal a ruido
Factor de ruido
Diámetro del reflector
El diámetro del reflector de una antena parabólica depende de donde se va ha colocar y del nivel de
señal del satélite que deseamos captar.
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, mas 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 recomendaciones del organismo explotador del satélite a través de sus mapas de huella, que son publicadas por dicho organismo. 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.
Ganancia
La ganancia de una antena parabólica indica la cantidad de señal captada que se concentra en el
alimentador. La ganancia depende del diámetro del plato, de la exactitud geométrica del reflector y de
la frecuencia de operación. Si el diámetro aumenta la ganancia también lo hace por que se concentra
mayor energía en el foco.
La exactitud geométrica está relacionada con la precisión con la que se ha fabricado el reflector.
Recordar que la antena debe ser parabólica de modo que exista uno y sólo un foco y que en el 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 hacía 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 define con respecto a una antena isotrópica.
En la tabla 5.1 se relacionan las ganancias de antenas parabólicas comerciales de foco centrado. En las
mismas puede comprobar que cuanto mayor es el diámetro del reflector mayor es la ganancia.
Rendimiento
Se define como rendimiento de una antena parabólica la relación entre la cantidad de energía incidente
en el reflector y la concentrada en el foco.
El rendimiento está determinado, fundamentalmente por el reflector, el alimentador y por las desviaciones mecánicas que pueda sufrir el reflector con relación a una parábola perfecta. Tengamos en
cuenta que desviaciones de unos cuantos 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.
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 2 miliwat de señal que llega al reflector, al alimentador sólo le llega 1 miliwat).
Relaciones D/f y f/D
Para lograr un rendimiento alto, es necesario que el perfil del reflector se acerque lo máximo posible a
la parábola y para que esto se cumpla debe existir una relación exacta en entre el diámetro, el foco y la
profundidad del reflector parabólico, pues estos tres parámetros están estrechamente vinculados entre
si. 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 (figura 5.5) 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.
fig. 5.5 relación D/f
Muchos fabricantes de antenas parabólicas prefieren indicar en sus catálogos la relación f/D, con lo
cual tendríamos valores comprendidos entre 0.37 y 0.43.
Ejemplo: si D/f es igual a 2.3, entonces
f/D = 1 = 1 = 0.43
D/f 2.3
Ángulo 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 hacía el satélite hasta que la señal sufre una atenuación de 3 dB. Por lo que la más mínima
desviación supone una considerable pérdida de señal.
En la fig. 5.6 se muestra el caso en que una antena está apuntando en una dirección incorrecta pero
que, de todos modos, la señal se recibe con el 50% (-3dB) de la potencia que arrojaría una antena
apuntando correctamente.
fig. 5.6
Si suponemos que la ganancia de la antena es de 40dB lo que hace que, cuando esta perfectamente alineada posea una ganancia de potencia de
40dB
Gp = antilog -------- = antilog 4 = 10, 000
10
al mover ahora la antena, desviándola de la posición ideal un ángulo f, hasta que la potencia captada
por la antena descienda aproximadamente a la mitad, es decir, que la ganancia de potencia pase a ser
unas 5000 veces, lo que supone una ganancia en decibeles de
GdB = 10 log. 5,000 = 10 x 3.7 dB = 37 Db
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.
Esto suele ser un problema para los aficionados, quienes creen que una antena grande asegura una
mejor recepción y esto puede ser perjudicial y hasta desalienta al instalador nuevo.
Lóbulos principal y secundarios
Lóbulo de radiación es el espacio en que puede captar energía una antena sin que su ganancia caiga a
más de 3 dB, es decir, 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 el satélite (fig. 5.7)
fig. 5.7 lóbulos principal y secundarios
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 del eje X y su amplitud máxima se corresponde con la ganancia de la antena, que en nuestro
ejemplo es de 40dB. 3dB por debajo de la ganancia máxima; es decir, a 37dB, se traza una recta
que corta el lóbulo principal en 2 puntos (P y P´). Una proyección de estos puntos sobre la absisa
nos permite determinar el ángulo de radiación de la antena (ángulo α en la figura 5.8).
fig. 5.8
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. Estos lóbulos 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).
Los lóbulos secundarios deben tener una amplitud mucho menor que la del lóbulo principal, pues
de lo contrario la señal de otro satélite interferirá 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 10.9 a 12.8GHz está diseñada
para captar todas las frecuencias comprendidas entre los dos límites citados lo que indica que tiene
un ancho de banda de 1.9GHz a partir de 10.9GHz.
Relación señal/ruido
Tanto el ruido del medio ambiente como el del espacio exterior pueden ser captados por una
antena parabólica.
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.
En las antenas parabólicas también debe tenerse presente el ruido que la propia antena genera.
Toda onda EM 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,
formando 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 no quede totalmente enmascarada por el ruido de la propia antena.
En el caso de antenas parabólicas, para recepción de emisiones de radio y TV vía satélite, en las
que las potencias que llegan son muy pequeñas, es muy importante alcanzar un factor de ruido
muy pequeño.
5.4 TIPOS DE ANTENAS PARABÓLICAS
Consideramos la parábola como única forma para un reflector de antena parabólica. Sin embargo,
a partir de ésta figura geométrica se obtienen otros tipos de reflectores que incluso son más
eficaces que el parabólico. De acuerdo con esto y refiriéndonos a las antenas para recepción de
señales de radio y televisión podemos clasificar a las antenas en los siguientes tipos:
Antenas parabólicas de foco centrado
Antenas off-set
Antenas cassegrain
Antenas planas
5.4.1 De foco centrado o primario
La antena parabólica de foco centrado es la más común (fig. 5.10). En ésta, el alimentador se
encuentra situado en el foco del reflector tal como muestra la figura 5.10.
fig. 5.10 antena parabólica de foco centrado
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 reflectora del plato, lo que
significa una ligera pérdida en el rendimiento de la antena. Este fenómeno se muestra en la fig. 5.
Las antenas de foco centrado son las más utilizadas en instalaciones colectivas, especialmente
cuando el diámetro del reflector supera los 90 cm.
fig. 5.11 Parabólica de foco centrado mostrando la sombra de varillas de sujeción y alimentador
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.
Antenas off-set
Esta antena se emplea mucho en sistemas de TV doméstica (figura 5.12). 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 5.12 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 plano 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 una antena off-set. Notar que la superficie del reflector
off-set es mucho menor que la del reflector parabólico que lo produce.
De la figura 5.13 se deduce que toda señal que incida sobre el plato quedará reflejada hacía 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 5,13), 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.
fig. 5.13 Antena tipo Off-set
El rendimiento de las antenas off-set alcanza el 70% con lo cual, a igualdad de ganancia, el
diámetro del reflector es menor que el de la antena de foco centrado. La atenuación a los lóbulos
secundarios es muy buena y 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 los 90 cm ( es muy común verlas de unos 45 cm para recepción
doméstica de TV satelital).
5.4.3 Antena Cassegrain
Es similar a la de foco centrado, solo que tiene dos reflectores (figura 5.14), el mayor se localiza en
o justo detrás de una pequeña abertura en el vértice de la parábola y apunta al lugar de recepción,
y las ondas al chocar, se reflejan y van al reflector menor (subreflector cassegrain) localizado entre
el vértice y el foco. Al chocar las ondas van al foco, donde estará colocado el detector.
fig. 5.14 antena parabólica cassegrain
El subreflector debe tener una curvatura hiperboloide para reflejar los haces hacia el foco. La
antena cassegrain se utiliza por lo regular para recibir señales extremadamente débiles o cuando se
requieren líneas de transmisión extremadamente largas o corridas de guías de onda y es necesario
colocar preanplificadores de bajo ruido tan cerca de la antena como sea posible.
5.2.4 Antena Plana
Se fabrican agrupando pequeñas antenas elementales (dipolos) en configuración arreglo. 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 30 dB.
Una particularidad de estas antenas es la de llevar el conversor incorporado, así resultan más
compactas y por tanto, ocupan un espacio muchísimo menor.
Este tipo de antenas no requiere de un apuntamiento al satélite tan preciso, aunque lógicamente
hay que orientarlas hacía el satélite determinado.
Otro inconveniente de esta s antenas es que solo 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
algún de espacio siempre y cuando la antena apunte al satélite sin que existan obstáculos entre
ellos.
5.5 PARTES PRINCIPALES DE UNA ANTENA
Una antena parabólica se compone de dos partes principales: un reflector parabólico y el elemento
activo llamado mecanismo de alimentación o unidad exterior. El mecanismo de alimentación aloja
la antena principal (por lo general un dipolo o una tabla de dipolo).
5.5.1 Reflector o plato parabólico
El reflector parabólico es probablemente el componente más básico de una antena parabólica. Los
reflectores parabólicos se asemejan a la forma de plato; por eso, se les llama antenas parabólicas de
plato. Para comprender como funciona un reflector parabólico, es necesario primero comprender la
geometría de una parábola. Una parábola es una curva plana que se expresa matemáticamente
como y = ax2 y se define como el lugar geométrico de un punto que se mueve de tal forma que su
distancia a otro punto (llamado foco) agregado a su distancia de una línea recta (llamada directriz)
es de longitud constante. La figura 5.17. Muestra la geometría de una parábola cuyo foco está en el punto F y cuyo eje esta en la línea XY.
Figura 5.16
fig. 5.17 parábola
Para dicha parábola existe la siguiente relación:
FA + AA´ = FB + BB´ = FC + CC´ = k (una longitud constante)
y FX = longitud de foco de la parábola ( metros)
k = constante para una parábola determinada (metros)
WZ = Longitud de la directriz (metros)
La relación de la longitud focal al diámetro de la boca de la parábola (FX/WZ) se llama la relación
de apertura o sólo apertura de la parábola. Un reflector parabólico se obtiene cuando la parábola se
gira alrededor del eje XY. El plato de superficie curva que resulta se llama parabólico.
Si se irradia energía EM hacía el reflector parabólico desde el foco, todas las ondas irradiadas
viajaran la misma distancia para cuando lleguen a la directriz; sin importar desde que punto de la
parábola se hayan reflejado. Por tanto, todas las ondas irradiadas desde el foco estarán en fase
cuando lleguen a la directriz. Un reflector parabólico utilizado para recibir energía EM exhibe
exactamente el mismo comportamiento (principio de reciprocidad)) funciona igual de bien cuando
se usa para recibir las ondas que llegan a la dirección XY. Los haces recibidos de todas las otras
direcciones se cancelan en este punto.
5.5.2 Mecanismo de alimentación
La unidad exterior o mecanismo de alimentación es el dispositivo que se instala en el foco del
reflector parabólico, sujeto por un portaalimentador y cuya finalidad es tomar la señal captada por
la parábola y convertirla en una frecuencia intermedia (FI) cuyo valor dependerá de la banda que
se esté operando.
Recordar que el proceso de conversión de frecuencia es necesario debido a que es imposible
conducir una señal de 4 GHz por un cable coaxial.
La unidad exterior se compone de dos partes: el alimentador, también llamado iluminador y el
bloque de bajo ruido (LNB por sus siglas en ingles) o conversor.
El alimentador recoge la señal captada por el plato para conducirla adecuadamente hacía el LNB.
El LNB amplifica la señal que le suministra el alimentador y la convierte en una frecuencia más
baja, (denominada FI), para que pueda ser transportada por cables coaxiales hacía el receptor.
En la figura 5.18 puede apreciarse un dibujo de una unidad exterior colocada en el soporte de una
antena off-set.
fig. 5.18 alimentador
El iluminador no puede ser de cualquier tipo debe ser adecuado a la relación f/D de la parábola,
para obtener el máximo rendimiento. Un mismo iluminador puede utilizarse con dos antenas de
distinto diámetro pero igual cociente f/D, pero no será adecuado para reflectores que, aunque
tengan el mismo diámetro, su distancia focal sea diferente.
5.5.2.1 El alimentador
El alimentador está formado por los siguientes elementos:
La bocina
La guía de ondas
La antena
El polarizador
La bocina
Es la parte del alimentador donde entran las ondas EM. Para las antenas parabólicas de foco
centrado. Las bocinas son de tipo choke, mientras que para las de tipo off-set se utilizan bocinas
cónicas.
La bocina de un alimentador choke esta formada por un cilindro con una serie de anillos
concéntricos para hacer que las ondas entren en la guía de ondas en forma de un frente con fase
constante. El ángulo de abertura de la bocina, debe ser tal que cubra toda la parábola para que
recoja la máxima señal. Sin embargo, debe evitarse que reciba señales reflejadas por el borde del
plato, pues provocaría una difracción de la señal que recibe el nombre de spillover.
La entrada de la bocina se protege con un material que evita, la entrada de agua, polvo, etc. pero
que no se opone al paso de las ondas de radio hacía la guía de ondas. Suele utilizarse para este
propósito el teflón (se coloca una tapa de éste material).
La guía de ondas
Es la encargada de conducir la señal recogida por el alimentador hasta la antena propiamente
dicha.
Se trata de un conductor muy especial que se utiliza en el manejo de frecuencias superiores a 1
GHz, donde el empleo de cables coaxiales no es adecuado debido a la elevada atenuación que
presentan a estas frecuencias.
Las guías de onda se construyen de latón, cobre, plata, aluminio, etc., en forma de tubo rectangular
o circular, tal como muestran las figuras 5.19 y 5.20. La dimensión de una guía depende de la
frecuencia de operación. Las paredes interiores de estas guías están pulidas y plateadas.
fig. 5.19 guía de onda circular
fig. 5.20 guía de onda rectangular
En los iluminadores de las antenas parabólicas para recepción de señales de radiodifusión y TV las
bocinas y las guías de onda forman una única pieza. Los extremos de las guías de onda están provistos
de sendas bridas atornillables. Las uniones deben ser perfectas (inmunes a campos extraños) ya que
una pequeña rendija da lugar a radiaciones indeseables y perturbaría al mismo tiempo la propagación
de las ondas en el conductor hueco.
Dependiendo de la forma (ya sea circular o rectangular) y de la longitud, existe una frecuencia de corte
por debajo de la cual ninguna onda puede transmitirse por el interior de la guía. La frecuencia de corte
es inversamente proporcional a la longitud de la guía, es decir, que cuanto mayor sea la frecuencia
menor deberá ser su longitud. La forma en que se conduce una señal por la guía se muestra en la figura
5.21 se indica mediante flechas las direcciones de los campo eléctrico y magnético. En una guía de
ondas rectangular polarizada verticalmente la dirección del campo eléctrico indica el sentido de la
polarización.
De esto último se deduce que la guía de ondas debe disponerse según el sentido de la polarización de
la señal que se desea captar, para lo cual deberá modificarse mediante su posición un polarizador.
En el caso de guías circulares aparecen dos formas de oscilación (figura 5.21) en la figura 5.21c las
líneas de campo eléctrico tienen un curso transversal con respecto a la dirección de propagación de las
ondas, por lo que recibe el nombre de transversales eléctricas TE, mientras que las líneas de campo
magnético forman bucles muy alargados en dirección axial, por lo que se denominan ondas H.
En la figura 5.21c las líneas del campo magnético tienen un curso transversal con respecto a la
dirección de propagación de las ondas, por lo que se denominan transversales magnéticas TM,
mientras que las líneas del campo eléctrico terminan perpendicularmente a las paredes del conductor
hueco, alargadas en sentido axial por lo que se denominan ondas E.
En la figura 5.22 puede observarse la posición que debería ocupar la
antena receptora.
La guía de ondas está cerrada en uno de sus extremos por una pared.
La antena se ubica a una distancia λ/4 delante de ésta pared. Como
consecuencia las ondas solo pueden propagarse hasta el fondo cerrado
de la guía de ondas. Las ondas que entran en la guía de ondas se
reflejan continuamente en las paredes interiores, recorriéndola en un
movimiento de zigzag y por ello cruzándose continuamente. Debido a
éste movimiento en zigzag, la velocidad de propagación Vp de la
onda por el conductor es menor que la velocidad Vc de propagación
de las ondas EM en el vacío. Esta velocidad (Vp) se denomina velocidad del grupo.
La longitud de la onda λA en dirección del eje de la guía de ondas,
comparado con al longitud de ondas “libre” λ = Vc / f es siempre
mayor que λo es decir, λA > λo.
El ancho b de la guía de ondas debe tener un valor comprendido entre
0.5λ y λ mientras que el alto a debe ser menor que 0.5λ.
Como conclusión podemos decir que:
a) si a es mayor que 0.5λ las ondas pueden propagarse
tanto con polarización vertical como horizon-tal, lo cual
da lugar a confusas condiciones de propagación.
b) si a es menor que 0.5λ la polarización de las ondas en
la guía de ondas es vertical.
c) si a es demasiado pequeña se corre el riesgo de interrumpir el campo eléctrico a través
de chispas.
fig. 5.22
La antena
La antena es la encargada de transformar las ondas EM que recibe de la guía en una señal corriente
eléctrica de alta frecuencia. Es una antena dipolo como las utilizadas en las transmisiones terrestres, pero de tamaño mucho menor debido a la pequeña longitud de onda con la que se trabaja.
La antena está situada en el interior de la guía de ondas. Al quitar la tapa de teflón que cubre la
entrada del alimentador se ve la antena que es una pequeña varilla situada cerca del fondo y cuya
posición (vertical u horizontal) depende de la polarización de la señal que se desea recibir (figura
5.23).
figura5.23
La antena consiste en un conductor que está aislado de la guía de ondas por un dieléctrico. Las
señales EM captadas por la antena se transportan hasta el amplificador de bajo ruido mediante un
microstrip o guía de ondas tipo cinta. La figura 5. muestra un dibujo de un microstrip donde se
aprecia el punto de conexión de la antena. Como se puede observar un microstrip consiste en una
pequeña línea formada por dos conductores de cobre, planos y paralelos con sus caras enfrentadas
a muy poca distancia y separadas por una lámina de material aislante, como el teflón.
figura 5.24
Una de las dos cintas, considerada el plano de tierra, tiene mayor superficie que la otra. El microstrip conduce la señal con unas pérdidas mínimas de energía.
En instalaciones individuales suelen emplearse guias de ondas dotadas de dos antenas, una de estas
en posición vertical y otra en posición horizontal, que permite recibir señales polarizadas vertical y
horizontalmente. La selección de la polaridad se efectúa desde la unidad interior a través del cable
coaxial que lleva la señal desde la unidad exterior aplicando un voltaje de 13 V para la polarización vertical y de 18V para la horizontal.
Polarizadores
La polarización de una onda EM está determinada por la dirección del campo eléctrico.
Todos los satélites (excepto los DBS que emiten en polarización circular, es decir, haciendo girar
el campo eléctrico hacía la derecha o hacía la izquierda) emiten algunos canales en polarización
vertical y otros en polarización horizontal. El polarizador se coloca entre el iluminador y el LNB,
tal como lo muestra la figura 5.25 en el caso de polarización circular forman parte del propio
alimentador.
Fig. 5.25
Según la clase de polarización, los polarizadores se dividen en polarizadores de polarización lineal
y de polarización circular. Los de polarización lineal se subdividen a su vez en:
Polarizador ortomodo
Polarizador discriminador o polarotor.
El polarizador ortomodo se utiliza para la recepción simultanea de de dos polaridades lineales con
una sola antena parabólica. Es ideal para instalaciones colectivas donde los usuarios puedan ver a
la misma hora emisiones distintas que no siempre coinciden en polarización y que son captadas por
una misma antena. El polarotor se emplea sólo en instalaciones individuales y con el se selecciona
la polarización desde el receptor situado en el interior de la vivienda.
Polarizador ortomodo
El polarizador ortomodo tiene una entrada de señal y dos salidas. En una de las salidas se obtienen
las señales con polarización vertical y en la otra las de polarización horizontal (figura 5.26).
Consiste en una doble guía de onda que separa las dos polarizaciones. El desacoplamiento entre
salidas de este tipo de polarización supera los 30 dB, es decir, que en cada una de las salidas se
obtiene la señal con un nivel 30dB más bajo. Debe tener la mínima atenuación de inserción que
puede alcanzar 0.4 dB para algunas frecuencias.
Cuando se utiliza un polarizador ortomodo se deben disponer dos LNB, uno para cada salida como
se muestra en la figura 5. Uno de los LNB amplificara y efectuará la conversión de frecuencia de
las señales con polarización vertical mientras que el otro hará lo mismo con las señales con
polarización horizontal por lo tanto se precisan dos cables de bajada.
figura 5.26 polarizador ortomodo
Los polarizadores ortomodo son eficaces tanto para instalaciones individuales como colectivas
puesto que se obtienen simultáneamente todas las señales emitidas por el satélite al que se orienta
la antena.
Polarizador polarotor
También se emplea para recibir señales con polarización diferente, pero en este caso y a diferencia
del polarizador ortomodo no es posible obtener las señales con distinta polarización al mismo
tiempo, por lo que no es válida para instalaciones de antenas colectivas.
La principal ventaja de este tipo de polarizador es que utiliza un solo LNB pero de diseño más
complejo por lo que corre el riesgo de sufrir más averías.
Existen dos tipos de polarizadores polarotor mecánico y magnético.
El mecánico consiste en un mecanismo accionado por un pequeño motor eléctrico que hace girar
90° todo el conjunto de la unidad exterior o, bien, una lámina polarizadota (normalmente de teflón)
instalada en el interior de la guía de ondas. Esta lámina produce un desfase entre los campos
eléctrico y magnético de las ondas, cambiando el sentido de la polarización. Para obtener el
cambio de la polarización, la lámina aislante cambia de posición (vertical u horizontal) mediante
un pequeño motor eléctrico.
El motor del polarotor mecánico se pone en funcionamiento desde la unidad interior a través de un
voltaje continuo de 5V
El polarotor magnético está constituido por una barra o núcleo de ferrita, introducido en el interior
de un solenoide. La ferrita es un material fabricado con polvo de hierro y una sustancia cerámica
que tiene propiedades ferromagnéticas. Esto significa que si se somete a la acción de un campo
magnético, ya sea de un imán o generado por una corriente eléctrica, se convierte en imán durante
el tiempo que dura la influencia de dicho campo magnético.
Alrededor del núcleo de ferrita se dispone una bobina formada por un gran número de espiras de
alambre de cobre barnizado con una capa de laca. Al circular una corriente eléctrica continua por
esta bobina se genera un campo magnético que hace que se magnetice la ferrita. Como
consecuencia, la ferrita cambia su polaridad norte-sur en 90° por lo que las ondas verticales pasan
a ser horizontales y viceversa.
Este tipo de polarotor tiene la ventaja de no estar fabricado con ninguna pieza mecánica móvil, por
lo que no presenta ningún tipo de avería, ni desgaste y no introduce ruido en el sistema. Como
inconve-niente cabe citar que el desacoplamiento entre polarizaciones horizontal y vertical no es
tan efectivo como el que se consigue con el polarotor mecánico.
Al disponerse de un polarotor ya sea mecánico o magnético, deben tenerse en cuenta tres factores:
que sea adecuado a las frecuencias que se desean recibir; que posea muy pocas pérdidas de
inserción y que la separación V/H sea efectiva.
figura 5.27
Las pérdidas de inserción suelen ser bastante bajas (unos 0.5dB), la aislación V/H es el dato que
nos indica que diferencia de nivel de señal existe entre una y otra polarización. Se mide en dB y
debe ser lo más alta posible.
Polarizador circular
En el caso de la recepción de señales de satélites DBS con polarización circular y debido a la
simetría eléctrica de estas transmisiones, es indistinta la posición que adopta el iluminador con
respecto a la antena parabólica.
En el caso de señales polarizadas circularmente (tanto a la derecha como a la izquierda), la
discriminación se efectúa mediante una lámina de material aislante (normalmente teflón),
dispuesta en el propio alimentador.
En la fig. 5.28 puede verse el corte en sección y la vista frontal de un iluminador dotado de una
lámina polarizadora de teflón. La posición de la lámina determina la discriminación entre
polarización circular a la izquierda y a la derecha.
Figura 5.29
5.5.2.2 Bloque de bajo ruido
El LNB (del ingles Low Noise Block que en castellano significa bloque de bajo ruido), consiste en
un circuito electrónico que realiza la amplificación y la conversión a una frecuencia más baja de
las señales muy débiles captadas por el reflector parabólico.
En la actualidad. se fabrican LNB con ganancias que superan los 50dB y factores de ruido por
debajo de 1,5dB.
A la entrada del LNB se conecta el polarizador y a su salida, mediante un conector coaxial tipo F y
cable coaxial de bajas pérdidas se conecta la unidad interior tal como lo muestra la figura 5.30
figura 5.30 LNB
Es aconsejable sellar con silicón o cable termocontraible, la conexión del cable coaxial a la salida
de los LNB (figura 5. ), para obtener un sellado perfecto que evite la entrada de humedad y el agua
de lluvia, ya que los LNB forman parte de la unidad exterior y, por tanto, están sometidas a las
inclemencias del tiempo.
Los principales elementos constituyentes de un LNB son:
El preamplificador o amplificador de bajo ruido (LNA)
El conversor; formado por una etapa mezcladora y un oscilador local.
El amplificador de FI
Amplificador de bajo ruido
El LNA (Low Noise Amplifier) es la parte del LNB que amplifica la señal de radiofrecuencia
captada por la antena.
La etapa preamplificadora es la que proporciona mayor nivel de ruido al conjunto, por lo que los
fabricantes del LNB diseñan los LNA con niveles de ruido muy bajo (por debajo de los 2dB). Para
obtener etapas preamplificadotas con bajo nivel de ruido se utilizan, preferentemente transistores
especiales, de efecto de campo de arseniuro de galio (Gaas-FET).
El circuito se realiza en técnica microstrip, al igual que la antena, con el teflón o la cerámica como
material base. La ganancia del amplificador es de aproximadamente unos 10dB.
Conversor
Es la parte del LNB que convierte la frecuencia captada por la antena en una frecuencia de valor
más bajo, comprendida entre 950 y 2,050MHz o 70 MHz, dependiendo de la banda de operación
(11Ghz o 4GHz), se denomina frecuencia intermedia(FI).
El conversor es necesario para poder transportar la señal mediante cable coaxial hacia el receptor.
Las señales captadas por la antena en la banda Ku y que llegan al conversor, tienen valores
comprendidos entre unos 10,750 y 12,750 MHz. Estas frecuencias se mezclan en el conversor con
la generada por un circuito oscilador, llamado oscilador local, de valor muy estable que produce
una frecuencia interme-dia cuyo valor es el resultado de la diferencia entre ambas frecuencias.
Existen conversores con valores de frecuencia del oscilador local de 10. 10.75 y 11GHz, así como
modelos en los que es posible obtener dos frecuencias del oscilador local (10 y 11GHz) que
permiten la recepción de toda la banda Ku.
Los de 10GHz se utilizan para le reopción de la banda FSS inferior (de 10.950 a 11.750GHz).
Los conversores con dos frecuencias del oscilador local (10 y 11GHz) se denominan globales, ya
que con ellos es posible la recepción de todas las bandas FSS inferior, DBS y FSS superior en que
se sub-divide la banda Ku.
En el conversor se obtiene siempre una FI comprendida entre 950 y 1750MHz (aunque en la
actualidad este rango de frecuencia se está extendiendo hasta 2050MHz). Estas señales de FI
pueden ser enviadas sin dificultad alguna hacia la unidad interior mediante el cable coaxial
adecuado (de baja atenuación), previa una nueva amplificación y acoplamiento de impedancia a
75Ω, puesto que la impedancia de las etapas anteriores es de 50Ω.
El amplificador y conversor de la unidad exterior precisa un voltaje de alimentación para su
correcto funcionamiento, que oscila, según modelos, entre 12 y 24V. Es preciso suministrar el
voltaje correcto al circuito para obtener así un buen funcionamiento de la unidad.
Amplificador de FI
Este amplificador es la última etapa del circuito exterior. Se encarga de amplificar la FI obtenida a
la salida del conversor, dado que el nivel de ésta es muy bajo.
La ganancia de estos amplificadores oscila entre 30 y 40dB que sumados a los 10dB de la etapa
preamplificadota suponen de 40 a 50dB de ganancia total para el LNB.
El factor de ruido del amplificador de FI no suele alcanzar los 2dB, valor que influye muy poco en
el factor de ruido total de la LNB.
5.6 BANDAS DE FRECUENCIAS UTILIZADAS
5.6.1Asignación de Frecuencias
La asignación de frecuencias se refiere al ancho de banda que se utiliza en una antena, La
frecuencia asignada puede depender del tamaño de nuestra antena, a continuación se mostrara la
frecuencia en que posiblemente pueda operar la antena parabólica:
Los barcos utilizan antenas parabólicas con una recepción de señales de 30 Khz. y
300 Khz.
Las frecuencias que utiliza las emisoras de radio locales son de 300 Khz. y 3000
Khz.
Las emisoras internacionales utiliza frecuencias de 3000 Khz. a 30000 Khz.
Las frecuencias VHF* es muy utilizada en las antenas parabólicas la que utilizan
un rango de 30 Mhz y 300 Mhz.
Las ondas UHF* son utilizadas en las estaciones terrenas en la comunicación Vía
Satélite y utilizan una frecuencia de 300 Mhz a 3 Ghz.
Estos datos nos serán de gran utilidad al momento de hacer nuestra antena parabólica. Para
determinar la fabricación de nuestro reflector parabólico
Las frecuencias utilizadas en los satélites están comprendidas en las bandas “C” y “Ku” de microondas. Dentro de las bandas “C” y “Ku”, para el enlace descendente se utiliza la gama de frecuencias de los 4 GHz en banda C y los 12GHz en banda Ku.
Las señales llegan al satélite desde la estación en tierra.
Las señales llegan al satélite desde la estación en tierra por lo que se llama “haz ascendente” y se
envían a la tierra por el satélite por el “haz descendente”. Para evitar interferencias entre los dos
haces, las frecuencias de ambas son distintas. Las frecuencias del haz ascendente son mayores que
las del haz descendente, debido a que a mayor frecuencia se produce mayor atenuación en el
recorrido de la señal, y por lo tanto hay que transmitir con mayor potencia, y en la tierra se dispone
de ello.
Para evitar que los canales próximos del haz descendente se interfieran entre si, se utilizan polarizaciones distintas.
5.7 ORIENTACIÓN DE LA ANTENA
El ángulo de error para recibir adecuadamente el satélite es muy pequeño, del orden de 0.2°. Por
este motivo, para recibir la señal correctamente, hay que mover un poco la antena hasta encontrar
el satélite con el máximo nivel de señal.
Para la orientación de una antena, hay que tener en cuenta la situación geográfica del lugar de
recepción y la situación del satélite.
3* VHF: Frecuencias muy altas
4* UHF: Frecuencias Ultra Altas
El Ecuador divide la tierra en el hemisferio norte y el hemisferio sur, y el meridiano de Greenwich
divide la tierra en este y oeste.
Las divisiones paralelas al Ecuador se denominan paralelos, y el ángulo considerado se llama latitud; bien norte o bien sur, según sea del hemisferio norte o del hemisferio sur. Las divisiones
alrededor de Greenwich se denominan meridianos, y el ángulo considerado se llama longitud, bien
este o bien oeste.
5.7.1 cálculo de azimut
El acimut (o azimut) es el ángulo horizontal al que hay que girar la antena, desde el polo norte
terrestre hasta encontrar el satélite. A veces se indica este ángulo con relación al polo sur.
5.7.2 cálculo de elevación
La elevación es el ángulo al que hay que elevar la antena desde el horizonte para localizar el
satélite en cuestión.
5.7.3 Desplazamiento
El desplazamiento de la polarización es el ángulo al que hay que girar el conversor de la antena
para que la polarización horizontal y vertical incida perfectamente en el conversor. En el caso de
los satélites DBS, debido al uso de polarización circular no es necesario este parámetro.
Los ángulos de azimut, elevación y desplazamiento de la polaridad, se pueden determinar básicamente de tres formas:
a) mediante cálculo matemático
b) mediante tablas o gráficas realizadas para cada satélite y cada país
c) mediante ábaco realizado por las expresiones del inciso 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.