Como veo que te interesa el tema, te envío esta información:

DISEÑO DE GRANDES ANTENAS




Las grandes antenas son muy costosas de diseñar y construir. Además, el hecho de que crezcan de igual manera en las tres dimensiones conforme el diámetro del plato es mayor, hace que sea necesario un soporte para la misma que incrementa considerablemente el coste total. Para hacernos una idea, supongamos una antena de 25 metros de diámetro en la que queremos incrementar su ganancia 1 dB. Ello nos llevará a que la antena debe medir sobre 28 metros de diámetro, lo que supone un coste adicional de unos 400000 dólares americanos. Ello sin considerar que además dichas antenas deberán tener una gran eficiencia y baja temperatura de ruido.
Las primeras antenas de las estaciones terrenas utilizadas con el satélite TELSTAR tenían aperturas de unos 25 metros de diámetro. Los laboratorios Bell construyeron más tarde un gran reflector con bocina que situaron en Andover, Maine, y que era una versión ampliada de las utilizadas en los enlaces directos por microondas. El reflector con bocina posee unos lóbulos secundarios muy bajos y provee un mejor rechazo a las interferencias que las antenas de reflector abierto. La experiencia demostró que, eligiendo adecuadamente la localización de la estación terrena, las interferencias no eran un problema y por tanto no era justificable el alto coste de este tipo de antenas.

El paraboloide alimentado frontalmente (front-fed) es ampliamente utilizado en las configuraciones de estaciones terrenas pequeñas, pero en antenas grandes el guiado de la señal hasta el centro del plato es demasiado complicado debido a las grandes pérdidas que sufre con el consecuente empeoramiento de la relación G/T. Desde el experimento TELSTAR, la configuración más ampliamente extendida para el diseño de grandes antenas ha sido la Cassegrain, que emplea unas guías de mucha menor longitud que su homónima front-fed, aunque también es muy utilizada la configuración Gregoriana. Todos estos tipos de antenas se muestran en la siguiente figura:









La antena Cassegrain es popular en el diseño de grandes estaciones terrenas por los siguientes motivos:
La ganancia puede incrementarse aproximadamente 1 dB, relativo al reflector front-fed, mediante el dimensionamiento del sistema de alimentación dual.
Pueden conseguirse bajas temperaturas de ruido en las antenas mediante el control del spillover y la utilización de guíaondas más corta o alimentadores de guiado de haz.
Dichos alimentadores permiten además disponer los amplificadores de bajo ruido en posiciones más convenientes para reducir la temperatura de ruido resultante.
ANTENAS CASSEGRAIN
La geometría básica de las antenas Cassegrain se muestra en la figura siguiente:






El reflector principal es un paraboloide que refleja la radiación incidente hacia el foco primario. El reflector secundario hiperbólico, llamado también subreflector, posee un foco en común con el reflector parabólico, y el sistema de alimentación está situado en el foco secundario, de manera que el centro de fases del alimentador coincide con el foco secundario del hiperboloide. El paraboloide convierte una onda plana incidente en una esférica dirigida hacia el foco primario, que es entonces reflejada por el subreflector para formar una onda esférica incidente en el alimentador, como se muestra en la figura anterior.

El diseño de la antena Cassegrain se lleva a cabo asumiendo normalmente que el alimentador se comporta como transmisor, y aplicando entonces el teorema de reciprocidad para conocer cómo la antena se comporta en recepción. Así, es necesario un alimentador con un diagrama de radiación tal que el subreflector intercepte la mayor parte de la potencia transmitida. Típicamente, el borde del subreflector es iluminado con un nivel de potencia de entre 10 y 15 dB por debajo del nivel del centro del mismo. Esto mantiene el spillover del alimentador, pasado el borde del subreflector, en un nivel bajo. El spillover reduce la eficiencia de la antena e incrementa la temperatura de ruido, por lo que debe mantenerse a un nivel tan bajo como sea posible. Con una bocina corrugada como alimentador, el spillover puede ser reducido hasta aproximadamente el 3 por ciento en una antena

Cassegrain diseñada correctamente. El spillover también sucede cuando el subreflector radia hacia el receptor primario. Puede mantenerse su valor al mínimo utilizando un reflector de gran diámetro que proporcione cierto control sobre el diagrama de radiación del plato menor y manteniendo la iluminación sobre el borde del subreflector a un nivel bajo.

La ganancia de la antena es el producto de muchos parámetros que contribuyen a la eficiencia de su apertura. En general, dicha ganancia viene dada por



Donde A es el área de la apertura de la antena y h es la eficiencia de apertura, que puede ser calculada a partir de las eficiencias de varias partes de la antena. La mayor contribución a este factor es la eficiencia de iluminación de la apertura primaria hI, la eficiencia de spillover para el subreflector y el reflector primario, hss y hms y la eficiencia de bloqueo hb que da cuenta de las pérdidas de radiación por scattering del subreflector y su soporte después de la reflexión del plato primario. Otras pérdidas contribuyen a la eficiencia de apertura en menor grado. Las más importantes son las pérdidas óhmicas en el alimentador y los componentes de guiado y las irregularidades en la superficie del reflector primario.

Muchas otras pérdidas, como las de polarización, reflexiones en el alimentador, errores de fase, hendiduras entre los paneles del reflector, etc... pueden ser introducidas para refinar el cálculo de la eficiencia de apertura. Para los factores de eficiencia dados anteriormente, tenemos






Un cálculo de este tipo es una parte esencial del diseño de una antena de gran tamaño. La ganancia puede ser entonces calculada a partir de la expresión anterior, teniendo en cuenta que los factores de eficiencia anteriores o pueden calcularse mediante la simple aplicación de óptica geométrica a la antena. Las pérdidas por difracción alrededor del reflector, y las pérdidas por errores de fase y por polarización únicamente pueden ser calculadas mediante métodos numéricos.

El primer paso en el proceso del cálculo de la ganancia de la antena y de los factores de eficiencia es encontrar el diagrama de radiación bidimensional del alimentador. Dicho diagrama debe ser conocido, tanto en amplitud como en fase y polarización, en un sistema de coordenadas polares centrado en el origen de fases nominal del alimentador. El diagrama del alimentador se utiliza para calcular la corriente inducida en la superficie del subreflector utilizando una aproximación de óptica geométrica:



donde K es el vector densidad de corriente superficial, n es el vector unitario normal a la superficie del reflector y Hi es el campo magnético incidente. La corriente debe calcularse a lo largo de muchos puntos sobre la superficie del reflector con el fin de obtener una buena aproximación del diagrama de radiación del subreflector. Si el subreflector y el alimentador están muy cercanos, el diagrama del alimentador tendrá que ser corregido considerando los efectos de campo cercano.

El diagrama de radiación del subreflector debe ser entonces calculado en un gran número de puntos del reflector principal de manera que la ecuación anterior pueda ser utilizada para establecer la distribución de corriente en la superficie del reflector principal. De esta manera puede ser calculado finalmente el diagrama de radiación del reflector principal. Los factores de eficiencia anteriormente mencionados pueden calcularse a partir de la comparación de la potencia radiada total por el alimentador y la potencia incidente en la superficie del subreflector y del reflector principal, en la polarización requerida. Las pérdidas por errores de superficie pueden calcularse introduciendo errores de superficie aleatorios a lo largo de la superficie del reflector, con un valor rms dado, y sopesando su efecto en el eje principal del campo.

Como muestra de la capacidad de estas técnicas de cálculo, en la figura siguiente se muestra el cálculo del diagrama del subreflector de una antena Cassegrain considerando errores en la superficie del reflector principal. Dicha figura incluye también la medida del plano de azimut del diagrama. Nótese que la inclusión de los errores de superficie en el cálculo del diagrama produce un rellenado de los nulos del diagrama teórico y modifica la localización de los lóbulos secundarios.

Esta técnica, como la mayoría, sume que la superficie de los reflectores es plana en la región alrededor del punto de cálculo de la reflexión, e introduce errores en los bordes del reflector, donde se asume que la corriente decrece de manera abrupta, lo que no es en absoluto cierto. Los errores introducidos por ignorar el efecto de bordes no son muy importantes en antenas de gran tamaño en las que la iluminación en estos puntos es relativamente baja. La teoría geométrica de difracción puede utilizarse para mejorar la precisión en el cálculo del diagrama al considerarse los efectos de bordes.




OPTIMIZACIÓN DE LA GANANCIA EN ANTENAS DE GRAN TAMAÑO

La simetría del diagrama de radiación de las antenas es de gran importancia por dos razones. El spillover del reflector no puede mantenerse bajo a menos que el alimentador radie con un diagrama circularmente simétrico (asumiendo un alimentador circular). Si se consiguen reducir estas pérdidas por debajo del tres por ciento, la ganancia aumentará de manera significativa.

La simetría del diagrama de radiación es también útil en el control de la polarización cruzada. En la mayoría de las grandes antenas de estaciones terrenas, la señal puede ser transmitida y recibida a la misma frecuencia con polarizaciones ortogonales con el consiguiente incremento de al capacidad total del sistema. La antena debe mantener una separación de ambas polarizaciones de al menos 27 dB, haciendo sumamente importante el control del diagrama de polarización cruzada.

Para proporcionar un diagrama de radiación con la simetría antes mencionada se han utilizado dos tipos de alimentadores. La bocina multimodo proporciona simetría circular del diagrama de radiación asumiendo modos de guíaonda en la boca de la misma, para obtener una distribución de campo en la apertura con simetría circular. Este tipo de bocinas suma los modos TE11 y TE31 en guías circulares, pero dichos modos no se propagan a la misma velocidad, y por tanto sólo llegarán a la apertura con las fases relativas apropiadas en un estrecho margen de frecuencias (sobre 500 MHz), lo que hace que su diseño simultáneo a las frecuencias de trabajo de 6 y 4 GHz sea difícil.

Las bocinas corrugadas utilizan modos híbridos para obtener la simetría circular deseada en su apertura. Los modos híbridos son realmente una combinación de los modos TE11 y TM11 de una guía circular excitados y mantenidos en la bocina mediante pequeñas hendiduras de la cara interna de la apertura, de profundidad típica l/4 y separados l/3. la bocina corrugada proporciona una excelente simetría circular y, buen comportamiento ante la polarización cruzada y un gran ancho de banda, por lo que son ampliamente utilizadas en el diseño de antenas Cassegrain.

El dimensionamiento de los reflectores de antenas Cassegrain y Gregorianas puede incrementar la ganancia hasta 1 dB mediante la mejora de la eficiencia de iluminación. En una antena de reflector alimentado frontalmente existen conflictos en los requerimientos del diagrama del alimentador. Por una parte, es deseable una iluminación uniforme del reflector principal para obtener una alta eficiencia de apertura, pero al mismo tiempo se ha de evitar la iluminación de los bordes para reducir el spillover. Cuando la apertura de la bocina tiene un diámetro de tan sólo unas longitudes de onda, un control tan preciso de su diagrama de radiación no es posible. Sin embargo, si cambiamos el tamaño del subreflector en una antena de reflector dual, podemos redistribuir la energía radiada por el alimentador de manera que una mayor fracción de la misma se dirija hacia el borde externo del reflector principal. La figura siguiente explicará la manera en la que debe realizarse:






Un sistema de alimentación con un alto grado de afilado en borde del subplato es utilizado con el fin de obtener unas bajas pérdidas por spillover, siendo típica una iluminación de los bordes de entre –15 y –10 dB. El redimensionamiento del subreflector produce una redistribución del campo en la apertura del reflector principal que es uniforme en el centro y fuertemente afilado en su periferia. La eficiencia de iluminación resultante puede llegar a ser prácticamente del cien por cien.

Cambiar el tamaño del subreflector puede conllevar errores de fase en la apertura principal a menos que se realice un redimensionamiento compensatorio del reflector principal. Estamos sin embargo obligados a controlar tanto el módulo como la fase del campo en la apertura mediante el dimensionamiento de dos reflectores, por lo que tenemos infinidad de soluciones. El procedimiento de diseño más ampliamente utilizado es partir de la combinación inicial hiperbólica-parabólica de una Cassegrain y rediseñar la superficie hiperbólica con el fin de redistribuir la energía de manera apropiada, para un diagrama de alimentación dado. El reflector principal será entonces modificado de manera que se corrijan los errores de fase. Este proceso debe realizarse de manera numérica e iterarse para conseguir una forma final que se aleje lo menos posible de la original. Ello asegura que se introduzcan únicamente pequeñas variaciones en la distribución de la amplitud del campo en la apertura de la antena.



TEMPERATURA DE RUIDO DE ANTENA

Los dos factores que más influyen en la temperatura de ruido del sistema son la antena y el amplificador de bajo ruido (LNA). El cálculo de la temperatura de ruido de la antena bajo las condiciones de operación es una parte esencial del diseño de estos sistemas, e implica la adición de las diferentes fuentes de ruido existentes tales como ruido térmico o la contribución del cielo. Este último no es un factor constante, si no que depende del ángulo de elevación y de las condiciones atmosféricas, y por tanto su cálculo a de realizarse a un determinado valor de dicho ángulo y suponiendo cielo despejado, de manera que la temperatura de ruido se corregirá cuando la atenuación atmosférica sea mayor debido a causas climatológicas tales como la lluvia.

Para calcular la contribución del ruido celeste a la temperatura de ruido de la antena con suficiente precisión tendríamos que convolucionar el diagrama de ganancia bidimensional de la antena con la distribución del ruido del cielo en el hemisferio superior y con la distribución del ruido de la Tierra en el hemisferio inferior, lo que no es en la práctica posible.

Un procedimiento alternativo consiste en tomar cada factor de pérdidas en el cálculo de la eficiencia de la antena y asociarle una temperatura de ruido, que deberá ser estimada mediante modelos que han sido resultado de numerosos análisis. En estos modelos, la temperatura de ruido Tl asociada al factor de pérdidas Gl viene dada por la ecuación







donde Tp es la temperatura física del dispositivo pasivo, que se toma normalmente de 290°k. La contribución al ruido de cada una de las fuentes de pérdidas se obtiene multiplicando el factor de pérdidas por la temperatura de ruido.

La ganancia del LNA se hace normalmente suficientemente alta como para que al incluirlo el efecto de las subsiguientes etapas a la temperatura de ruido sea despreciable, de manera que pueda aproximarse la temperatura de ruido del sistema a la entrada del LNA mediante:



Si la guíaonda existente entre la antena y el amplificador de bajo ruido es tan larga como para introducir pérdidas Gw considerables que incrementen el efecto de la temperatura de ruido de la antena, la temperatura de ruido del LNA deberá ser corregida por un factor 1/(1-Gw) y sumada a la de la antena para obtener el resultante en el puerto de salida de la misma.

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