Se explica la ganancia de proximidad y las elevaciones más probables, las conclusiones sobre la antena ideal, así como la ventaja que representa utilizar antenas de polarización circular.

Publicado con permiso de su autor: Luis A. del Molino, EA3OG

La ganancia de proximidad

Una gran ventaja de los satélites LEO consiste en que, cuando se asoman por el horizonte, se encuentran a una distancia considerable, pero luego se nos acercan más elevándose desde el horizonte a gran velocidad, hasta alcanzar una elevación máxima en grados respecto a nuestro horizonte visual, para a continuación volver a alejarse de nosotros hasta desaparecer por otro punto del horizonte. En esa aproximación que realizan cuando se elevan sobre el horizonte se produce un gran aumento de sus señales, dada por su mayor proximidad, ganancia que podemos calcular muy fácilmente (figura 1).

Aumenta +6 dB al dividir la distancia por 2.

Si un LEO orbita a una altitud de 500 km, la reducción de la distancia respecto a su aparición por el horizonte (que se encuentra a unos 2.000 km de distancia), nos mejoraría su señal si pasara exactamente por encima nuestro en 2000/500 = 4 veces = 2² (2 veces +6 dB) y por tanto la ganancia por proximidad sería Gp = +6 dB x 2 = +12 dB entre aparición por horizonte y pase por nuestro cenit.

Si un LEO orbita a una altitud de 1500 km, aparecerá por el horizonte a aproximadamente 4.500 km de distancia y la ganancia máxima de proximidad por encima nuestro sería de Gp = 4500/1500 = 3 = 2^1,5 y por tanto, Gp = +6 dB x 1,5 = +9 dB desde su salida por el horizonte hasta su paso por el cenit nuestro.

Es fácil calcular una tabla de ganancias de proximidad en función de la altura alcanzada sobre el horizonte para tres satélites muy representativos, uno de baja altitud, otro de gran altitud y la ISS que circula a una altitud aún más baja.

Las elevaciones máximas más frecuentes

Aquí tenéis también una gráfica (figura 2) de cómo se verían los pases de los satélites desde tu QTH, en función de la elevación máxima que alcanzan sobre nuestro propio horizonte visible y en ella también aparecen representados los porcentajes de órbitas que alcanzan esta elevación para este satélite en concreto, el AO-73.

La tabla estadística en que me basé para obtener esta gráfica la realicé pasando a una hoja Excel todas las alturas máximas alcanzadas en 100 órbitas sucesivas simuladas para cada satélite con dos altitudes muy distintas extremas, mediante el programa de seguimiento SatPC32 (mi favorito) y sumando el número de elevaciones que alcanzaban en cada tramo de elevación. El resultado lo tenéis en la siguiente tabla II, mientras que en el gráfico de la figura 13 solo refleja la estadística obtenida con el AO-73.

Tabla II de simulación de 100 pases por 42º Lat. N

Como podéis comprobar, podemos afirmar que aproximadamente en el 90% de los pases, las elevaciones máximas alcanzadas por casi todos los Cubesats comprendidos entre altitudes entre 550 km (la más baja) y los 1400 km (la más alta), se encuentra por debajo de los 60º de elevación.

Conclusiones sobre la antena ideal

Teniendo en cuenta que las órbitas que no se elevan más de 10º no son apenas operativas por su lejanía y corta duración (apenas 1 o 2 minutos), para determinar las antenas más simples y adecuadas para recibir satélites, necesitaremos que cumplan disponer de una buena ganancia en ángulos comprendidos entre los +10º, o sea más o menos hacia nuestro horizonte visible, y que la mantengan lo más constante posible hasta unos +60º de elevación, lo que nos permitirá comunicar bien a través del 90% de las órbitas de los Cubesat. No parece que interese que su lóbulo de ganancia trabaje por encima de los 60º, porque ya hemos comprobado que menos del 10% de sus órbitas alcanzan esa elevación sobre nuestro horizonte. Aquí tenemos (figura 3) un buen ejemplo de cuál sería el lóbulo de radiación que necesitaríamos,

La gráfica de elevación ideal se parece mucho a la mostrada en la figura 3, pero lo siento mucho tener que deciros que realmente esta gráfica es tramposa, porque corresponde a la de un dipolo para la banda de 20 metros colocada a 10 metros de altura (?/2). Resulta que no es tan fácil conseguir esa gráfica para antenas de 144 y 432 Mhz, como veremos más adelante.

Yagi de 2 elementos de polarización horizontal

Como es muy posible que tengamos alguna antena directiva con rotor para 144 y 432, pues comprobemos si su lóbulo de elevación es adecuado para ángulos entre 10º y 60º. Para empezar analicemos el lóbulo de una Yagi con tan solo 2 elementos situada a una altura muy normal de 3 metros, una altura muy habitual para antenas de 144 (figuras 4a, 4b y4c).

En el espacio libre de obstáculos (Free Space) esta Yagi ya tiene una ganancia máxima de 5.97 dBi y un ángulo de apertura de elevación muy ancho, pero sobre un suelo real, el efecto reflector del suelo, aunque sea de conductividad muy pobre, eleva su ganancia máxima a 11,24 dBi a 10º (figura 4c) y podríamos decir que mantiene una ganancia positiva más o menos entre 5 y 75º, con un par de huecos en 20º y 45º. Estos huecos, si esta antena está colocada en lo alto de una casa o un edificio, son bastante impredecibles, pero probablemente quedarán muy suavizados porque habrá poca reflexión en un suelo muy mal conductor, especialmente si nos encontramos en medio de los edificios de una gran ciudad.

Si la Yagi fuera más larga, aún tendría más ganancia en ángulos menores en detrimento de los mayores, pues su apertura de elevación sería mucho más estrecha, así que nos funcionará mucho peor para ángulos más altos, mientras su ganancia no sea excesiva, pero por supuesto tendremos el inconveniente de que necesitaremos un rotor para mantener bien dirigido el lóbulo de radiación hacia el satélite durante el pase y un buen control manual de su orientación en acimut (que probablemente ya tendremos) ya sea de de forma automática o mediante un PC.

Yagi en polarización vertical

Veamos cómo se comporta la misma Yagi de dos elementos, pero en polarización vertical:

Resulta que, al colocarla en posición vertical, los huecos en 20º y 45º ya se han rellenado considerablemente, puesto que el ángulo de apertura vertical en el espacio libre suele ser mucho mayor, pero la ganancia máxima ha disminuido a 5,4 dBi, debido a la falta de reflectividad de la polarización vertical en cualquier tipo de suelo que no sea un conductor perfecto o por lo menos excelente. Y no mantiene bien su ganancia para ángulos superiores a 40º. Nos podría salir a cuenta colocar una Yagi en posición vertical, pero su colocación mecánica en un mástil también vertical complica la instalación.

Colineales: no, gracias

Las colineales, por muy cortas que sean, tienen la mala costumbre de radiar muy bien hacia ángulos muy, pero que muy bajos. A mí se me ha ocurrido modelar una simple Ground Plane de ?/4, prolongada verticalmente en una media onda mediante un desfasador intermedio de 180º para enfasar los dos tramos (figura 6a), de modo que forman una colineal más bien pequeña de tan solo ¾ de ?. El resultado es que enfoca demasiado bien hacia el horizonte con un ángulo muy bajo (figura 6b), con una ganancia más bien pobre si la comparamos con una Yagi de dos elementos, pero excesivamente escasa para ángulos de mayor elevación.

Antenas mixtas portables de mano:

Un modo muy popular de iniciarse en la operación en satélites de FM consiste en operar en portable mediante antenas de mano mixtas, que puedan sostenerse y apuntar con la mano, mientras que con la otra mano se opera el micro de mano con el PTT. No podemos llamarlas antenas bibanda, porque realmente todos los modelos funcionan las dos antenas por separado, con dos bajadas coaxiales independientes (figuras 7a, 7b y 7c).

Con ellas, es muy fácil apuntar al satélite buscando constantemente el máximo de la señal en recepción, después de haber visualizado previamente su trayectoria en el mapa de un programa de seguimiento, con el que habremos estudiado la trayectoria aproximada que seguirá el satélite durante cada minuto del pase en relación a nuestra propia ubicación. Yo conozco por lo menos tres antenas de mano que detallo en las figuras 8a, 8b y 8c:

La más fácil de fabricar sería la Moxon con reflector y un excitado rectangular de una onda completa para cada banda, y la más difícil de diseñar serían las dos Yagis entrelazadas, porque los elementos de 144 resuenan también en el tercer armónico y afectan a los elemento de 432. La más manejable es la mixta cruzada perpendicular de la que os puedo recomendar la antena comercial Arrow, una antena excelentemente diseñada para portable, muy ligera y manejable, aunque sea una opción más bien cara.

Inconveniente de las antenas lineales

Solo los satélites más sofisticados (por ejemplo la ISS) se permiten el lujo de disponer de un par de dipolos cruzados para emitir y recibir con polarización circular (en realidad dispone de una antena de ranuras cruzadas). La mayoría de los cubesats se conforman con un dipolo de media onda, realizados con dos brazos de cinta de flexo que se despliegan en caras opuestas y para cada una de las bandas (VHF y UHF), lo que da como resultado que realmente emiten con una polarización lineal que gira en el espacio a medida que el satélite también gira lentamente sobre sí mismo para estabilizarse, giro obtenido ya sea por métodos activos o pasivos.

La polarización lineal (vertical u horizontal) que recibiremos de un Cubesat será por tanto imprevisible por culpa de ese giro estabilizador, cuyo objetivo es mantener una actitud adecuada, preferentemente con su eje de giro (Z-Z’) lo más paralelo posible al eje N-S de giro de la Tierra, de modo que se consiga la máxima iluminación en sus paneles solares laterales (caras X-X’ y Y-Y) a lo largo de todas las estaciones del año.

Esta polarización lineal giratoria da lugar a un fading o QSB continuo lento con unos mínimos muy pronunciados cuando se reciben con una antena de polarización lineal, porque en algún momento siempre la polarización nos llega desde el satélite perpendicular a la de nuestra antena receptora, si ésta última también es lineal. Por esto se prefiere utilizar antenas de polarización circular en la estación base para trabajar los satélites.

La solución: la polarización circular

Recurrimos a antenas de polarización circular, pues estas antenas son mucho más insensibles a este fading periódico de las antenas lineales producidas por el giro de la polarización del satélite, porque solo pierden -3 dB en la recepción de cualquier polarización lineal, sea vertical u horizontal, respecto a una antena con la misma polarización lineal. Se prefiere sacrificar esos -3 dBs de ganancia para conseguir una recepción más estable y menos sensible a los cambios de la polarización lineal.

En el siguiente capítulo analizaremos más a fondo las antenas omnidireccionales con polarización circular que nos permitirán solventar el problema del QSB por giro del satélite.