Las antenas de satélite son el eje de las modernas tecnologías de comunicación espacial, radiodifusión, navegación y teleobservación. Estos dispositivos electromecánicos convierten las señales de radiofrecuencia (RF) entre las corrientes eléctricas en líneas de transmisión y las ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio libre. La diversidad de tipos de antenas satélites refleja la amplia gama de requisitos de la misión, desde el punto de un rayo geoestacionario hasta el seguimiento de los tres

Parámetros de rendimiento fundamentales

Antes de bucear en tipos específicos de antena, es importante entender las métricas que cuantifican el rendimiento de la antena. Los parámetros más críticos para las antenas satelitales incluyen ganancia, directividad, ancho de haz, polarización, impedancia ancho de banda y patrón de radiación angular. Ganancia, medida en dBi (decibeldes relativas a un radiador isotropico), describe lo bien que la antena concentra la energía RF en una dirección en una dirección en particular.

Antenas de antena parabólicas

Las antenas parabólicas, también llamadas antenas reflectoras, son los caballos de trabajo de las comunicaciones satelitales. Su alto rendimiento y ancho de haz estrecho los hacen ideales para enlaces de punto a punto con satélites geoestacionarios. El diseño básico comprende una superficie reflectora en forma parabólica y una antena de alimentación situada en el punto focal.

Diseños de primera generación y fuera de serie

Los platos parabólicos pueden configurarse como de enfoque primario o offset. En un plato de primer enfoque, la antena de alimentación se monta en el centro de la abertura del reflector, con soporte de struts. Este diseño es mecánicamente simple y rentable pero sufre de bloqueo de apertura, el alimento y los struts arrojan una sombra en el reflector, reduciendo ligeramente el rendimiento y aumentando los lobos laterales.

Configuraciones de Cassegrain y Gregorian

Para los grandes platos utilizados en teleports, comunicación profunda y astronomía radio, diseños de doble reflector como Cassegrain o Gregorian son comunes. Estos utilizan un reflector secundario (subreflector) colocado cerca del punto focal del reflector primario. En una antena de Cassegrain, el subreflector es hiperbólico y convexo, redirección de la onda de vuelta a través de un agujero en el primario

Aplicaciones de Antenas de Presa parabólica

Televisión Radiodifusión:] La TV vía satélite de entrada directa (DTH) es la aplicación de consumo más conocida. Los pequeños platos offset (45-60 cm en la banda Ku) reciben cientos de canales de satélites geoestacionarios como Astra, Hot Bird o DirecTV. El ancho de haz estrecho permite reutilizar frecuencia a través de diferentes ranuras orbitales sin interferencia.

Broadband Internet and VSAT: Muy pequeñas terminales de abertura (VSAT) usan platos de 75 cm a 2.4 metros para la conectividad de dos vías y de Internet residencial en áreas que carecen de infraestructura terrestre. Las redes de cúmulo VSAT sirven a empresas marítimas, de aviación y rurales; los sistemas de bandas Ka (20–30 GHz) ofrecen mayor rendimiento de lluvia, pero son más susceptibles.

] Comunicación de espacio de profundidad: Los platos DSN de la NASA (34 m y 70 m) se comunican con naves espaciales más allá de la órbita terrestre. Sus enormes ganancias y amplificadores criogénicos de baja altura permiten la recepción de señales que son miles de millones de veces más débiles que una señal de teléfono móvil.

Radio Astronomía: Grandes reflectores parabólicos como el Observatorio de Arecibo (305 m, esférico fijo) y el Telescopio del Banco Verde (100 m, totalmente esteerables) mapa de fuentes de radio celestiales. La Square Kilometre Array (SKA) incorporará miles de antenas de platos en dos continentes.

Antenas helicales

Las antenas helicales consisten en una herida de alambre conductora en un eje central (spiral) alrededor de un eje central, con un plano de tierra en un extremo. Son reconocidos por su polarización inherentemente circular, una propiedad que reduce las pérdidas de polarización desprendiéndose cuando el satélite o terminal terrestre cambia la orientación, como ocurre a menudo en plataformas móviles o orbitales.

Modo normal Helix

En modo normal, las dimensiones helix son pequeñas en relación con la longitud de onda (circunferencia mucho menos que λ). El patrón de radiación se asemeja a un dipolo corto o monopolio, con polarización lineal o casi circular dependiendo del ángulo del tono. Las helixinas normales de modo se utilizan en teléfonos satélites portátiles, receptores GPS y terminales de IoT de baja calidad de dximaro.

Helix de modo axial

Cuando la circunferencia helix es aproximadamente una longitud de onda (C ♥ λ) y el ángulo de lanzamiento es entre 12 y 15 grados, la antena funciona en modo axial. Produce un rayo direccional a lo largo del eje helix con polarización circular casi pura. Gain escala con el número de vueltas, aproximadamente 10–15 dBi para un helix de 10 vueltas.

Aplicaciones de Antenas Helicales

Telemetría de la nave: Muchos satélites pequeños (incluyendo el factor popular de la forma CubeSat) utilizan antenas helicales de movimiento axial desplegables para la comunicación con estaciones terrestres en las bandas UHF y VHF. La polarización circular es robusta contra las variaciones de la agitación o la actitud.

Servicios de satélites móviles: Los terminales portátiles y los teléfonos marítimos de satélite suelen incorporar antenas helicales. La polarización circular elimina la necesidad de que el usuario oriente el dispositivo precisamente en relación con el satélite, simplificando el funcionamiento en el campo.

Sistemas Globales de Navegación Satélite (GNSS): Las antenas helicales sirven como antenas de referencia en la calibración de GNSS y como antenas de alta precisión para el reconocimiento y geodesia. Su estabilidad del centro de fase y rechazo multipático son valiosos para el posicionamiento del subcentímetro.

Radio Frequency Identification (RFID) in Space: Algunas misiones experimentales utilizan antenas helicales para etiquetas RFID pasivas adjuntas a componentes de naves espaciales para el seguimiento de inventarios en microgravedad.

Antenas de Array Fase

Las antenas de matriz de fases comprenden una serie de muchos pequeños elementos radiadores (normalmente cientos a miles) cuyas fases relativas se ajustan electrónicamente para dirigir el haz compuesto sin movimiento mecánico. Esta dirección electrónica de haz proporciona una reposición de haz casi instantánea, múltiples haces simultáneos y la capacidad de rastrear los satélites de movimiento rápido, capacidades que los platos mecánicos no pueden combinar.

Arraigos escaneados por vía electrónica (PESA)

En un PESA, un único transmisor/receptor de alta potencia alimenta todos los elementos a través de una red de transmisores de fase. El haz está dirigido ajustando los transmisores de fase. Los PESA son más simples y baratos que los AESA, pero sufren pérdidas mayores en la red de alimentación y capacidad limitada para formar múltiples rayos independientes. Se utilizan en algunos sistemas de radar más antiguos y en aplicaciones de seguimiento de satélites de baja ganancia.

Arrays escaneados electrónicos activos (AESA)

Los arrays modernos esfáciles son casi siempre AESA, donde cada elemento (o pequeño grupo de elementos) tiene su propio módulo de transmisión/recibimiento que contiene un amplificador de potencia, amplificador de baja altura, conmutador de fases y a menudo control de amplitud. Esta arquitectura elimina las pérdidas de red de alimentación, mejora la figura de ruido y permite la degradación de la gracia - si algunos módulos fallan, el array continúa operando con una vez menor ganancia o degradación de radar.

Informaciones digitales

Los sistemas de seguimiento de los cables KyWat son un ejemplo de la evolución de los paneles de control digital. En un array digital, cada señal de elementos se convierte en datos digitales y se procesa en software. Esto permite la forma de vigas adaptables, la dirección nula para suprimir interferencias, y la capacidad de crear cualquier forma de vigas arbitrarias.

Aplicaciones de Antenas de Array Fase

Constelaciones de satélites de LEO: El terminal de usuarios de Starlink utiliza una antena de matriz gradual con aproximadamente 1.000 elementos para rastrear los satélites de Starlink que se mueven rápidamente a través del cielo. El panel plano (alrededor de 22×22 pulgadas) proporciona una ganancia comparable a un plato de 40 cm, pero con dirección de haz instantánea y sin piezas motorizadas.

Military and Defense: Los radares AESA son estándar en aviones de combate modernos (F-35, F-22, Gripen E). Los arsenales de fase terrestre rastrean misiles y satélites balísticos; el radar de Fence de la Fuerza Espacial de los Estados Unidos utiliza un arsenal de banda S para detectar y rastrear los desechos espaciales y los satélites en LEO.

Satellite Tracking, Telemetry y Command (TT divididaC):] Las estaciones terrestres de los satélites LEO emplean cada vez más conjuntos graduales para manejar la rápida transferencia entre satélites a medida que pasan por encima. La matriz PIXL de la Agencia Espacial Europea en Kourou proporciona un seguimiento flexible para pequeños lanzadores y CubeSats.

5G y Redes no terrestres: Las redes integradas de satélite-5G prevén el uso de antenas de matriz graduales en las cargas de pago por satélite y terminales de usuarios para proporcionar cobertura sin problemas, especialmente en las zonas remotas. La norma 3GPP Release 17 incluye soporte para el acceso por satélite, desarrollo de matriz gradual de conducción para dispositivos portátiles.

Tipos de antena especializada

Más allá de las tres familias principales, varios otros diseños de antenas sirven nicho pero funciones críticas en los sistemas de satélites.

Antenas de Cuerno

Las antenas de cuerno son secciones de guía de onda con hilos que proporcionan ganancia moderada (10–25 dBi) y patrones de radiación lisos. Se utilizan como piensos para platos parabólicos, en estándares de medición, y como antenas primarias para el seguimiento de satélites en las bandas de onda milímetro (por ejemplo, banda Q/V 40–50 GHz).Su ancho ancho ancho ancho ancho ancho ancho de banda y bajo VSWR los hacen ideales para aplicaciones de calibración y de alimentación.

Antenas de parche (Microstrip)

Las antenas de parche consisten en un parche metálico en un sustrato dieléctrico sobre un plano de tierra. Son de bajo perfil, ligero y fácil de fabricar, haciéndolos populares para antenas de terminales satélite en aviones, drones y dispositivos portátiles. Un solo parche ofrece bajos beneficios (típicamente 5-7 dBi), pero los arrays de parches pueden alcanzar mayor ganancia y dirección electrónica.

Reflectarrays

Los reflectores combinan el factor de forma plana de una matriz escalonada con la eficiencia de un reflector. Consisten en una gran variedad de elementos impresos en una superficie plana que se ilumina con un cuerno de alimentación. Cada elemento está diseñado para reflejar la onda de incidentes con un cambio de fase específico, creando un haz concentrado. Los reflectores son más ligeros que los paraboloides y se pueden desplegar para pequeños satélites.

Criterios de selección: Tipo de antena de emparejamiento a la aplicación

Elegir el tipo de antena de satélite adecuado requiere un equilibrio entre el rendimiento técnico, la robustez ambiental, el costo y las limitaciones físicas.

  • Banda de frecuencia: Las frecuencias inferiores (L-band 1–2 GHz, S-band 2–4 GHz) permiten diseños de antena más simples, como helixes y pequeños parches, pero requieren reflectores más grandes para obtener una alta ganancia. Las bandas más altas (Ku, Ka, Q/V) permiten una mayor cantidad de platillos y sus fajas de lluvia cortas
  • Requisitos de ganancia y ancho de haz: La alta ganancia ( √≥ 30 dBi) suele dictar un plato parabólico, especialmente para enlaces GEO. Para las constelaciones LEO, un array escalonado con ganancia moderada (20-30 dBi) basta debido a la longitud de la trayectoria más corta y la necesidad de una dirección de haz rápido.
  • Movilidad y puntería: Si el terminal es estacionario, un plato dirigido mecánicamente es rentable. Para plataformas móviles (vehicular, aérea, marítima), una matriz electrónicamente dirigida o una antena helical de bajo perfil es mejor.
  • Polarización: La polarización circular es preferida para aplicaciones móviles y espaciales donde la orientación es impredecible. La polarización lineal se utiliza a menudo para enlaces de punto fijo con una alineación cuidadosa.
  • Condiciones ambientales: Las antenas en regiones tropicales deben soportar una alta humedad, cargas de viento y relámpagos. Los reflectores deben tener radomas o revestimientos resistentes a la corrosión. Los arrays en fase necesitan una gestión térmica para los módulos T/R.
  • Costo y Complejidad: Las antenas de disco son hardware de productos básicos para la TV de consumo, que cuesta decenas de dólares para unidades pequeñas. Las antenas de fase son complejas y costosas, pero la producción de masa y la ley de Moore están disminuyendo los costos; la terminal de usuarios de Starlink se calcula que cuesta alrededor de $600 para fabricar.

Tendencias futuras en tecnología de antena de satélite

Varios desarrollos están conformando la próxima generación de antenas satélites. Lo más significativo es el movimiento hacia destellos de bandas planas, antenas electrónicamente manejables basados en metamateriales, cristales líquidos o materiales de cambio de fase. Estas antenas prometen ser más delgadas, más ligeras y más baratas que los actuales sistemas de frecuencias escalonadas.

Comunicación óptica y terahertz] empujará antenas hacia terminales láser de espacio libre, pero las antenas RF seguirán siendo dominantes para la transmisión y navegación. La integración de la antena y el panel solar] (el llamado “antetar”) se está explorando para satélites pequeños para salvar la zona.

Por último, sistemas de satélites distribuidos como los enjambres CubeSat utilizarán enlaces intersatélite con pequeñas matrizs escalonadas, permitiendo la formación autónoma volando y la detección distribuida. Estas tendencias asegurarán que los tipos de antenas satelitales sigan evolucionando, proporcionando a los ingenieros herramientas cada vez más capaces para conectar el mundo de la órbita.

Conclusión

Las antenas de satélite son un campo maduro pero dinámico, con platos parabólicos, helicales y arrays graduales cada uno ocupando nichos distintos en el ecosistema de comunicación. Los reflectores parabólicos ofrecen ganancias sin igual para enlaces GEO y misiones de espacio profundo. Las helicales proporcionan una polarización circular simple y de bajo contenido para aplicaciones móviles y espaciales.

Enlaces externos: