Antenas & propagación

ANTENAS EN AVIONES

Carolina Tamayo Arciniegas Cod:20102273006Iván Darío Villalba Sánchez Cod:20102273009Universidad Distrital Francisco José De CaldasFacultad TecnológicaIngeniería en Telecomunicaciones

Antenas en Aviones• Una antena es un dispositivo que proporciona los medios para

irradiar o recibir de ondas de radio.

• Las Antenas de transmisión convierten la energía eléctrica de alta frecuencia que se les suministra en energía electromagnética que se irradia en el espacio que rodea la antena.

• Las antenas de recepción, captura la energía electromagnética en el espacio circundante y la convierten en energía eléctrica de alta frecuencia que luego se transmite al sistema de recepción. La ley de la reciprocidad indica que una antena va a tener la misma ganancia y propiedades direccionales cuando se utiliza para la transmisión como lo hace cuando se utiliza para la recepción.

La comunicación entre las aeronaves y los aeropuertos deben util izar la propagación en el espacio l ibre, al igual que los sistemas de radar y navegación.

En las comunicaciones aeronáuticas se util izan unas bandas de frecuencias especificas para la transmisión y la recepción de señales.El uso de las diferentes frecuencias de radio en todo el Mundo es asignado por ITU ( Unión Internacional de Telecomunicaciones).

Las frecuencias util izadas para la aviación están dentro del rango de las frecuencias altas HF y las frecuencias de ultra alta frecuencia UHF.

HF-alta frecuencia

• HF-alta frecuencia (3-30 MHz)

• HF es la banda base para comunicaciones de largo alcance, principalmente porque su transmisión se refleja en la ionosfera.

• HF1 = Normalmente se utiliza en larga distancia en comunicaciones ATC (Control de trafico aereo).

• HF2 = Copia de seguridad en HF1.

• HF se somete a la «Onda Ionosferica" donde los fenómenos de la ionosfera refractan las ondas de radio de alta frecuencia y se utilizan para la radio de alcance medio y largo de las comunicaciones

• Desventaja de HF 

• La eficiencia de la banda de HF se ve afectada por: 

• Todo tipo de interferencias eléctricas causadas por perturbaciones en la ionosfera, como las tormentas. 

Esto proporciona el ruido de radio típico. 

• Otros fenómenos meteorológicos: 

- La luz del sol 

- Temporada 

- Actividad Solar

VHF: muy alta frecuencia 

• VHF-de muy alta frecuencia (30 - 300 MHz) 

• Normalmente, VHF entre 100 y 200 MHz se utilizan para las comunicaciones de control de trafico aéreo (ATC), de emergencia y ayudas a la navegación. 

Para las comunicaciones: 

Radio • El sistema de ayuda que utiliza el VHF 

• VHF1 = Se utiliza para las comunicaciones ATC 

• VHF2 emergencia = frecuencia del monitoreo. 

• VHF3 = Normalmente se utiliza para las transmisiones de datos. 

Para Navegaciones: 

• El sistema de ayuda a la navegación que utilizan las bandas VHF son 

• VOR - VHF omnidireccional (VOR) 

• Localizador de Sistema de Aterrizaje por Instrumentos (ILS )

Características de las radios VHF 

• Las características de propagación de ondas métricas se han Optimizado para las comunicaciones de corto alcance. 

• El rango varía según las condiciones atmosféricas, pero normalmente es de aproximadamente 180 millas náuticas. 

• Sin embargo, es más propenso a la obstrucción de las características del terreno, los edificios, y sus frecuencias más bajas del espectro

UHF: Ultra High Frequency 

• UHF-ultra alta frecuencia (300MHz-3GHz) 

• UHF: similar a la VHF, pero está restringida principalmente para uso de la aviación militar militares 

• El UHF es utilizado principalmente por aviones de combate de la de las Fuerzas aéreas . 

• Otras aplicaciones incluyen Navegaciones / Ayudas para el aterrizaje como  el componente de trayectoria de planeo del ILS (Sistema de aterrizaje instrumental). 

• las frecuencias que se uti l izan específ icamente para servicios aeronáuticos son las siguientes:

El uso específ ico • VHF Voz de comunicación del operador de origen

• 118-121.4 MHz Control de Tráfico Aéreo.

• 121,5 MHz emergencia.

• 121,6 a 121,9 MHz de control de t ierra del Aeropuerto.

• 123.1 MHz de búsqueda y salvamento.

• 123.675-128.8 MHz Control del tráf ico aéreo.

• 128.825-132.0 MHz en ruta.

• 132.05-135.975 MHz Control del tráf ico aéreo.

Antenas En aeronaves• Esas son las bandas para el uso de

frecuencias para la trasmisión y recepción de señales en sistemas de aviación, la antenas que se utilizan en los aviones varían en tamaño y tipo dependiendo del diseño de la aeronave, al igual que la localización de la misma

En general las antenas hacen parte del sistema de ayudas para la navegación de las aeronaves y así tener vuelos satisfactorios.

Existen diferentes mecanismos que intervienen en las comunicaciones de las aeronaves, sistemas de navegación como:

El radar (Permite coordinar el trafico aéreo y evitar colisiones)

El sistema VOR (Very High Frequency Omnidirectional Range): Es un sistema de navegación radiolectrico, se basa en la comparación de diferencia de fases entre dos señales radiales de radiofrecuencia, variando la diferencia de fase con el azimut. Esta diferencia de fase entre las dos señales se interpreta en el receptor del avión como un rumbo en brújula respecto al norte magnético o respecto a un rumbo 0º predeterminado proporcionando al piloto en todo momento su línea de situación con relación al emisor.

Las señales de VOR tienen la ventaja de estar libres de interferencias estáticas, pero presentan el inconveniente de que su alcance queda limitado a la línea visual, no pueden evitar accidentes geográficos, por lo que la distancia a la que se puede utilizar depende de la altura de vuelo y de la clase de estación que la recibe. Otro inconveniente de la recepción es que la estructura presenta encima un cono de silencio (donde no hay señal).

El sistema consta de dos equipos, uno situado en tierra (emisor) y otro en el avión (receptor).

El sistema DME (Distance Measuring Equipment). Sistema electrónico que mide la distancia oblicua directa ente el avión y la ayuda situada en tierra. Su funcionamiento consiste en lo siguiente: el transmisor del avión empieza el proceso de interrogación emitiendo las señales de distancia, pulsadas a una frecuencia de repetición baja. Estas señales las reciben y descifra el equipo de tierra y, luego de pasar un retardo fijo, se activa un emisor que enviará una respuesta codificada con la misma separación ente impulsos que la emitida por el avión. El equipo de a bordo del avión solo admite las señales correspondientes a las características de su emisión.

Sistema GPS (Global Positioning System) El llamado GPS es el sistema mundial de posicionamiento por medio de satélites. Es un sistema de medición en un solo sentido, basado en la alta estabilidad de la frecuencia del oscilador en el transmisor situado en el satélite. Está constituido por tres segmentos operativos diferenciados: el segmento espacial, el segmento de control y el segmento usuario. Es un sistema fiable.

Sistema ILS (Instrumental Landing System). El sistema está constituido por cuatro unidades: localizador, que es una estación radio-direccional visual VHF, rayo direccional de planeo, que proporciona una trayectoria inclinada un ángulo de 2º aproximadamente con respecto a la horizontal, dos radiofaros verticales y radiobalizas de compás, o radiofaros no direccionales.

El método Standard de aproximación más usado hasta ahora reside en volar hasta la estación radio-direccional del aeropuerto efectuando una serie de virajes para ubicar el rayo direccional del localizador e hincar la aproximación final

ADF (Automatic Direction Finder) Es un receptor de radio que procesa las señales de radiofrecuencia, moduladas en amplitud (AM), entre los márgenes de 190 a 1750 Kc/s. Consta de dos antenas, una de CUADRO y otra de SENTIDO. La antena de sentido recibe la señal omnidireccionalmente del equipo de tierra, denominado Radiofaro no direccional o NDB (Non Directional Beacon), así como el indicativo de la estación en código morse. También pueden recibir las emisoras de radio AM que estén dentro del mismo ancho de banda de trabajo. La antena de cuadro da una muestra angular entre la estación de radio y el avión. Con la mezcla de las dos Señales y otra procedente del oscilador local del equipo se calcula la resultante de la dirección del avión hacia la estación. El indicador del avión que muestra al piloto la dirección hacia donde está la estación es el RMI.

Ejemplo de antenas en aeronaves.

Antenas Utilizadas.Las antenas en los aviones utilizan como polo a

tierra el revestimiento de la aeronave (en los aviones de metal), algunos utilizan un papel de aluminio o chapa de aluminio en el interior del avión, algunos utilizan una bobina de cable integrado en la base de la antena y otros utilizan cables que irradia de la base de la antena.

ANTENAS VHF

antenas de fibra de vidrio o látigo de acero inoxidable: Antenas de  ¼  de onda adecuada para aviones ultraligeros, aviones deportivos, etc.

Antenas de fibra de vidrio rígida - antenas de ¼ de onda más costosas como el modelo 121 Comant que ofrecen lecturas de ROE muy buenas, a través de la banda aviación y ofrecen un excelente rendimiento.

Antenas de dipolo interno, antenas que tienen dos "polos" de ¼ de onda, colocados de espaldas. El dipolo más común es el dipolo de ½ Onda. Estas antenas utilizan uno de los polos como el plano del suelo y en general son colocados en posición vertical, especialmente para aviones planeadores, no son usadas comúnmente en aviones metálicos.

Antenas de estaciones base - por lo general más largas que estándar para las antenas de ¼ de onda, la mayoría de las  antenas de las estaciones base son de ½ onda, aproximadamente de 1,2 m de longitud y una sección de base. Normalmente son "plano de tierra independiente" , están montados verticalmente en las torres o en el lado de los edificios

Cable CoaxialEn las instalaciones de antenas es primordial el uso de cable

coaxial, entre el radio y la antena, en la aeronaves se debe utilizar un cable coaxial con una impedancia de 50 Ohmios

• Para la instalación de las antenas en las aeronaves se deben tener en cuenta unas recomendaciones, la ubicación de la antena es primordial para evitar

• (1) Obstrucción a la recepción de la señal de las aeronaves o componentes de aeronaves. (2) Ruido de encendido (captación de RF de radiación). (3) Ruido por vibración. (4) Flutter. (5) Interferencia estática. 

VHF ANTENNA - WHIP.Este tipo de antenas pueden ser instaladas en la parte superior o inferior, en la parte delantera no son recomendables, deben ser ubicadas lo mas cerca posibles de los radios de comunicación.

VHF ANTENNA - RIGID• Este tipo de antenas se utilizan cuando se necesitan

cubrir un rango de frecuencias mas amplio, este tipo de antenas no se deben usar con transmisores de baja potencia ya que no tienen un ancho de banda tan eficiente.

PATRONES DE RADIACIONPara los aviones en las antenas se debe tener el cuenta la forma el tamaño y el peso de las mismas para las instalación de las antenas , y de fácil mantenimiento.

Otra característica interesante de los sistemas de antena el la ganancia directiva;

Este parámetro es importante debido a determina los efectos del desempeño del radar o el sistema de comunicaciones de la aeronave. El patrón de ganancia directiva se puede ver afectado dependiendo la instalación de la antena

Otro factor importante es la directividad , es utilizado para estimar el rendimiento de un sistema teniendo en cuenta el alcance del radar.

En aviacion es importante que la antena pueda radiar en todas las direcciones para facilitar las comunciaciones con la torre de control y con las otras aeronaves

Patron de radiacion comun.

Las antenas externas deben ser mas resistentes, debido ala vibración, se debe tener en cuenta que las antenas deben estar separadas considerablemente para que no hayan interferencias electromagnéticas

Telemetría en el avión

Patrón de radiación de un radar

Dispersión de los mecanismos de interacción entre la antena

y la plataforma

Solución a los problemas de dispersión

Antena λ/4

Patrón de radiación Antena λ/4

Patrón de radiación Antena λ/4

Avion Cessna 172 con antena TCAS

Patrón de Cessna 172 en A

Patrón de Cessna 172 en B

Patrón de dos dipolos

Patrón de Cessna 172 con dos dipolos en A y B

Antena tipo bocina en un F-18

Patrón de radiación F-18 en A

Patrón de radiación F-18 en B

Patrón de radiación F-18 en A y B

Patrón de radiación F-18 en A y B con acople de microonda

Patrón de radiación F-18 en C

GRACIAS.