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Viernes 4 de mayo de 2018

Weekly Tip ISC: Filtros en guía de onda rectangular para satélites de comunicaciones

Por Txema Lopetegi

El lanzamiento y puesta en órbita de un satélite marca el comienzo de su vida útil, pero supone al mismo tiempo la culminación de años de trabajo en su diseño, fabricación y testeo. Entre los muchos componentes que se deben embarcar en un satélite de comunicaciones (Fig. 1) para su correcto funcionamiento destacan los filtros, que son dispositivos que permiten limpiar convenientemente en frecuencia tanto la señal recibida por el satélite desde la tierra (enlace ascendente) como la señal que se trasmite desde el satélite a los receptores situados en tierra (enlace descendente).

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 1. Satélite de comunicaciones en órbita

 

Una de las tecnologías más utilizadas para la implementación de filtros en los satélites de comunicaciones es la guía de onda rectangular (Fig. 2). Aunque en un primer momento se podría pensar que esta tecnología no es la más conveniente para espacio por su peso y volumen, presenta dos ventajas cruciales que la hacen muy ampliamente utilizada. En primer lugar, ofrece unas prestaciones excelentes para tratar con los muy bajos niveles de señal que se reciben desde la tierra (debidas a las muy bajas pérdidas que caracterizan esta tecnología de guía rectangular). En segundo lugar, permite manejar correctamente (sin daños en los componentes ni efectos espurios) los altos niveles de potencia que son necesarios para las señales transmitidas desde el satélite hacia la tierra.

a)

                     

 

 

 

 

b)

     

 

c)

 

 

 

               

 

 

 

 

Fig. 2. (a) Dibujo esquemático de una guía de onda rectangular, (b) filtro implementado en guía de onda rectangular para comunicaciones por satélite y (c) detalle interior del filtro.

 

En colaboración con TESAT Spacecom GmbH (Airbus Group) y el grupo de Componentes de Microondas (MCG-UPNA), se ha conseguido desarrollar un nuevo estándar para la etapa de salida de los equipos de telecomunicaciones (la carga útil o payload) de los satélites de comunicaciones. En este nuevo estándar se utiliza un único filtro, desarrollado al efecto y componente clave del sistema, capaz de manejar la elevada potencia obtenida tras la combinación de los distintos canales del satélite. De esta manera es posible evitar la utilización de un filtro de armónicos por cada canal del satélite, tal y como se venía realizando en las arquitecturas tradicionales, sustituyéndolos todos por un único filtro de armónicos común de muy alta potencia (Fig. 3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 3. Comparación entre la arquitectura tradicional y la nueva arquitectura propuesta para la etapa de salida de los satélites de comunicaciones.

 

Además, las nuevas necesidades de comunicaciones demandan una mayor flexibilidad y eficiencia de las comunicaciones por satélite (satélites multihaz para distintas regiones del planeta con reutilización de frecuencias y mayores tasas de bit). Esto lleva a un aumento tanto en la cantidad de filtros utilizados por los satélites como en la bandas frecuenciales en las que deben operar. En la actualidad, las bandas Ku (ascendente 14-14,5 GHz, descendente 11,7-12,2 GHz) y Ka (ascendente 27,5-30,5 GHz, descendente 17,7-21,7 GHz) son frecuencias estándar para las comunicaciones por satélite, pero ya hay payloads que funcionan en banda Q (33-50 GHz), e incluso bandas superiores, como la V (40-75 GHz) y W (75-110 GHz), están despertando un gran interés. Esto supone un importante reto para el diseño y fabricación de nuevos componentes de muy alta frecuencia (dimensiones muy reducidas) que estamos abordando actualmente en el MCG-UPNA en contratos con la Agencia Europea del Espacio (ESA) y la compañía Thales Alenia Space. El objetivo es diseñar dispositivos con muy buena tolerancia a los errores de fabricación, que operen en estos rangos frecuenciales muy elevados, y que puedan seguir siendo fabricados con las técnicas habitualmente empleadas hoy día en el sector aeroespacial.

El MCG-UPNA aborda así, en sus proyectos de filtros para alta frecuencia y alta potencia, dos de los retos que se plantean en el sector espacial internacional en colaboración con empresas líder. También realiza proyectos en otros ámbitos alineados con la evolución futura del sector espacial como el desarrollo de componentes fabricados aditivamente o mediante impresión 3D para constelaciones de satélites como OneWeb, Starlink u otras, que implican decenas de satélites de órbita media o baja (MEO/LEO) alrededor de la Tierra.



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