Nueva dimensión en amplificadores de enlace satelital

En 1945 Arthur C. Clarke previó el empleo de satélites en la órbita geoestacionaria para formar una red mundial de comunicaciones, lo cual dio inicio a la revolución satelital. Esta visión se convirtió en realidad en 1957, cuando la URSS lanzó al espacio el satélite Sputnik. Sin embargo, sólo en 1963 fueron lanzados los primeros satélites geoestacionarios para la retransmisión de las imágenes de los Juegos Olímpicos de 1964 al mundo entero.

En los años setenta, la transmisión de noticias en directo se hizo posible gracias a los primeros amplificadores transportables de enlace ascendente. Estos amplificadores evolucionaron en la década del ochenta para cumplir las nuevas exigencias de la industria: algunos de ellos ya contaban con características avanzadas tales como fuentes de potencia eficientes con modo de conmutación y control mediante microprocesador.

El requerimiento de que los enlaces ascendentes (uplinks) operasen a frecuencias mayores dentro de la banda Ku (de 14,0 a 14,5 GHz) permitió crear un sistema más transportable, debido al menor tamaño físico de sus componentes. La demanda de transportabilidad en aplicaciones como la recopilación de noticias por satélite requirió que la construcción de los sistemas fuese más liviana y de menor tamaño, así como más robusta.

El crecimiento de la industria en los últimos 20 años ha superado todos los pronósticos y expectativas. Este también parece ser el esquema que se impone a medida que se adentra el siglo veintiuno. La mayor demanda por el tráfico satelital la determinará su capacidad de competir, tanto en rendimiento como en costos, con otras tecnologías tales como las redes de fibra óptica.

Se podría afirmar que el presente constituye la línea divisoria para las telecomunicaciones por satélite, debido a la incursión de las comunicaciones digitales y a la coincidente decadencia de los sistemas analógicos, lo cual permite que se implanten y crezcan las redes de fibra óptica.

Para continuar su crecimiento dentro de la industria, los sistemas de comunicaciones por satélite deben conservar la ventaja comercial y tecnológica en relación con otros sistemas. La flexibilidad del sistema de comunicaciones satelitales es su ventaja más importante en comparación con otras tecnologías de comunicaciones, por lo cual se debe mantener y desarrollar dicha superioridad relativa.

Un sector del mercado en el cual sobresale esta ventaja es el de las comunicaciones móviles y desde sitios remotos. A medida que se extiende la red de comunicaciones para abarcar áreas cada vez más remotas del mundo, la demanda se orienta hacia sistemas más rentables y de mayor movilidad.

Los sistemas de enlace satelital móvil de respuesta rápida serán esenciales para incrementar el tráfico de las comunicaciones por medio de los satélites.

EEV llevó a cabo un exhaustivo estudio de mercado que les permitió a los integradores y usuarios aportar los datos necesarios que, después de analizados, formaron la base de las especificaciones del diseño para un amplificador de enlace de banda Ku, que cumpliera con las exigencias de la industria en el presente y en el futuro previsible.

Se ponderaron todos los requerimientos de las especificaciones para enfocar las decisiones relacionadas con el diseño hacia las demandas más prioritarias. Aplicar esta estrategia, llamada despliegue de la función de calidad (QFD, por sus siglas en inglés), a lo largo de las fases de diseño y manufactura, ha asegurado que las respuestas a las exigencias del mercado se encuentren incorporadas en el producto final.

Un ejemplo de esta estrategia se observó en la decisión del plano mecánico. Para obtener el plano mínimo sin sacrificar la confiabilidad del producto se empleó un diseño asistido por computador que permitiese las condiciones de manipulación y manejo térmico dentro de un volumen que se necesitaba verificar, así como definir los márgenes del diseño previamente acordados, antes de tomar decisiones relacionadas con el plano definitivo.

Todas las decisiones sobre diseño se tomaron únicamente luego de las consultas pertinentes con ingeniería de producción y manufactura, dado que tanto la fabricación como el diseño de manufactura se consideraron imprescindibles para controlar los aspectos de confiabilidad y costos en la fase de producción.

Uno de los principales componentes del nuevo amplificador es el Tubo de Ondas Progresivas (TWT) puesto que éste afecta todas las demás propiedades del diseño. El proyecto mismo del TWT es crucial para el rendimiento y la confiabilidad del amplificador, así como lo son las numerosas interfaces con el tubo, para maximizar la confiabilidad, el rendimiento y la duración del equipo.

Los TWT usados en el amplificador se basan, como circuito RF, en un alambre de enrollamiento helicoidal. La interacción básica entre un haz de electrones que viaja por el centro de la hélice y el RF de la hélice le imparten al tubo su ganancia. En el nivel de ganancia influyen no sólo el tiempo de interacción sino también la longitud de la hélice.

El haz de electrones que viaja por el centro de la hélice debe mantenerse orientado en todo momento mediante un enfoque magnético. El enfoque del haz de electrones es el factor más importante para el rendimiento y la duración del TWT.

Gracias a los adelantos logrados en los amplificadores de estado sólido en años recientes fue posible reducir el requerimiento de ganancia del TWT, manteniendo a la vez la ganancia general del amplificador. Esto redujo la longitud requerida de la hélice aproximadamente en una tercera parte y brindó la oportunidad de disminuir el tamaño del amplificador en general.

La duración de un TWT está definida principalmente por la permanencia que tenga su propio cátodo. Las características primordiales que afectan la vida de este último son: la función de salida de electrones, por una parte, y la temperatura del cátodo, por otra. Ambas afectan la proporción en la que se va desgastando la capa emisora con el uso.

Los TWT requieren cuatro fuentes de potencia: el cátodo, el colector, el calentador y el ánodo. Las interfaces que hay entre estas fuentes y los electrodos del tubo afectan el rendimiento final del amplificador así como la vida de los TWT.

Si se desea un desempeño óptimo y una larga vida del TWT se deben controlar ciertas condiciones tales como la exactitud de la fijación del punto de control, la estabilidad, la ondulación y el ruido, además de las características del conmutador.

Todas las fuentes de potencia están fijadas a un reloj común de 100 kHz que permite controlar y suprimir el ruido de la conmutación. El cátodo tiene las especificaciones más estrictas, puesto que cualquier variación suya aparecerá como un ruido o distorsión en la salida RF. Las fuentes tanto del cátodo como del colector utilizan técnicas de multiplicación de voltaje que ahora se encuentran bastante bien establecidas en muchas aplicaciones rigurosas.

Estas fuentes son alimentadas desde un prerregulador de factor de potencia unitario con una salida de 380 V. Este módulo acepta una entrada de potencia primaria en el dominio de 99 V a 264 V sin requerir ningún ajuste, e incorpora un arranque suave que garantiza que no se presente ninguna sobrecarga súbita en el encendido.

Estas propiedades le permiten al amplificador funcionar en cualquier lugar del mundo, incluso en generadores de baja capacidad con salidas no sinusoidales. A la vez, trabajando en combinación con un buen filtraje de línea y un diseño cuidadoso de las etapas de conmutación de potencia, estas características le permiten al amplificador cumplir con las más recientes normas referentes a compatibilidad electromagnética.

La mayor parte de los diseños de TWT emplean un sustrato aislante de alúmina para transferir el calor a un sumidero térmico. Aunque la alúmina es buena conductora de calor, es mucho más deficiente que el cobre. Si a esto se le suman las numerosas uniones térmicas presentes, este diseño se vuelve ineficiente.

Convertir el colector en sumidero de calor y usar aire directamente para enfriar las aletas radiadoras, logró mejoras considerables en relación con los diseños anteriores de TWT. La única desventaja del enfriamiento directo era que el sumidero de calor estaba al mismo voltaje del colector. Esto se pudo superar cambiando la naturaleza radical del empaque de los TWT: un tubo plástico a alta temperatura que cuenta con dos aletas axiales de alta velocidad que trabajan en paralelo para proporcionar el flujo de aire necesario.

El otro beneficio fue el ahorro en peso: se redujo el tamaño del sumidero de calor del colector y el peso del empaque en sí es más bajo. La disipación de la fuente de potencia de sólo 350 W se debe a los convertidores de alta eficiencia. Sin embargo, fue igualmente importante producir un buen diseño térmico para la fuente de potencia, con el fin de mejorar la confiabilidad de los componentes.

El control del amplificador se efectúa principalmente mediante una entrada con tecla de función programable al microprocesador en el panel frontal, en el cual se obtiene la retroalimentación del caso mediante la visualización de cristal líquido.

Las teclas del panel frontal ofrecen control y monitoreo durante la operación normal. También se ha tenido en cuenta el requerimiento de un control remoto mediante la incorporación de una interfaz paralela, una interfaz serial y un puerto lógico. Estos puertos se pueden configurar seleccionando el menú correspondiente al que se tiene acceso por medio de las teclas programables del panel frontal.

Se llevaron a cabo programas de prueba exhaustivos para la aprobación y calificación del diseño, entre los cuales hubo un programa de prueba de resistencia ambiental completa. Se definieron los niveles de las pruebas y los métodos respectivos utilizados buscando simular los tipos de condiciones ambientales a los que se verían sometidos los amplificadores durante su tiempo de servicio.

Por ejemplo, las pruebas de vibración exigieron que el amplificador vibrase al nivel requerido de un camión que recorriese 50.000 km de transporte por terreno destapado.

El rango del amplificador Stellar incluye TWT y SPA de salidas desde 10 hasta 500 vatios, en bandas de frecuencia C o Ku. En la actualidad se busca conseguir mayor retroalimentación del mercado para ofrecer nuevas opciones y ampliar aún más la gama.

En suma, este programa de desarrollo produjo una nueva dimensión de amplificadores de enlace ascendente, más confiable, rentable, de tamaño y peso menores, y a tono con las exigencias actuales y futuras del mercado en transmisiones, tanto analógicas como digitales, desde estaciones terrestres fijas, camiones SNG y estaciones aéreas.