“Creo que la adición de un transpondedor de banda S en el Fase-3C ayudaría al usuario medio del satélite en su transición a las frecuencias de microondas.”
Bill McCaa, K0RZ. Diseñador y creador del transpondedor Modo S del AO-13. Mayo, 1985.El transpondedor de Modo S del satélite AMSAT OSCAR-13 (AO-13) retransmite en la banda de 2,4 GHz las señales que recibe en el enlace ascendente (uplink) de 435 MHz. El enlace descendendente (downlink) en 2,4 GHz es la frecuencia más alta disponible en los satélites OSCAR. Durante mucho tiempo este modo de operación ha sido el menos conocido del AO-13, debido a la popularidad del Modo B (uplink en 435MHz y downlink en 145 MHz) y la competencia del modo L (uplink en 1269 MHz y downlink en 435 MHz) . La avería del transpondedor de modo L hizo que muchos aficionados volviesen su vista al más desconocido de los modos y que había sido incluido en el último momento y a título experimental en el AO-13. En los últimos años de vida del AO-13 muchos hemos descubierto el modo S, disfrutado de las prestaciones del transpondedor y hemos intuido el enorme potencial que tiene este modo de cara al futuro. Este artículo describe los equipos necesarios para iniciarse en modo S y como utilizar el transpondedor de modo S del AO-13.
En sentido estricto, o al menos como se definió en un principio, el modo S consiste en un enlace ascendente en la banda de 24 cm (1269 MHz) y el descendente en la de 13 cm (2400 MHz). De hecho el modo S sería la la evolución lógica del modo L ya permitiría un mayor ancho de banda en el enlace descendente, manteniendo la misma banda para el ascendente.
Durante las últimas fases de diseño y construcción del Fase 3C (AO-13) un grupo de radioaficionados de Colorado (EE.UU.) propuso la inclusión de un transpondedor de modo S al que calificaron como híbrido, ya que no tendría su enlace ascendente en la banda de 1,2 GHz sino en la de 435 MHz, de esta forma se podría aprovechar el receptor del transpondedor de modo B. El objetivo primario era experimentar con la retransmisión de señales de FM en banda estrecha y evaluar el rendimiento del enlace descendente en la banda de 13 cm desde una distancia comparable a la de la órbita geoestacionaria. Esta es la razón por la que el transpondedor del modo S del AO-13 tiene un banda pasante estrecha (36 Khz a 3 dB) , es ‘limitante’ (reduce su potencia de salida por modulación cruzada cuando recibe señales fuertes) y ‘no-inversor’ cuando retransmite las señales que recibe en banda lateral única, a diferencia de los transpondedores inversores que retransmiten en banda lateral superior las señales que reciben en banda lateral inferior (Banda Pasante del Transpondedor de Modo S del AO-13, 5KB). La potencia de salida es de 1,25 W y la antena transmisora es una hélice de 5 vueltas con polarización circular derecha lo que da lugar a una potencia radiada isotrópica efectiva (EIRP) de 10 W.
Cuando a finales de 1990 me empecé a interesar por el modo S del AO-13, el capítulo equipamiento, especialmente en el apartado antenas, era el que más me disuadía de intertar el trabajar en modo S. Por entonces había cuarenta estaciones en la lista la lista de estaciones activas en Modo S. Analizar los equipos que utilizaban resultaba bastante desesperanzador para alguien a quien una parábola de 1,20 m de diámetro le parece de tamaño respetable. Había algunos ‘usuarios’ con parábolas de 4 e incluso ¡seis metros de diámetro! Las antenas más pequeñas eran, en general, parabólicas de 1,20 m. Este elevado nivel de equipamiento me parecía razonable: ¿Cómo si no se podría escuchar una señal de apenas 1 W en 2400 MHz emitida desde 40000 Km de distancia? Así que pensé que esto del modo S era para superestaciones tipo rebote lunar y dejé mi proyecto en stand-by a la espera de mejores tiempos. Entre tanto me dediqué a los microsats, que orbitan más cerca y ponen señales más fuertes, aunque descubrí a posteriori que requieren de estaciones más complejas. Como ya se ha mencionado antes, la avería del transpondedor de Modo L hace un par de años hizo que mucha más gente prestase atención al modo S y que lo que intentasen estaciones menos equipadas que las de los pioneros. En el año 1992, James Miller, G3RUH (controlador del AO-13 y universalmente conocido por sus modems) empezó a comentar en la lista de correo de AMSAT en Internet sus experiencias en modo S con una pequeña antena parábolica de 60 cm que había construido a partir del reflector de una lampara de iluminación doméstica comprada en las rebajas de una mueblería. Estos comentarios y un artículo posterior en OSCAR-News y The AMSAT Journal fueron un importante revulsivo para muchos que estabamos en stand-by a la espera de tener una gran antena para trabajar en modo S. La experiencia de G3RUH nos hizo ver que, como ocurre con frecuencia, es más importante hacer que sólo pensar, y que merece la experimentar con lo que se tenga a mano y comprobar lo que da de si. Esto es algo que con frecuencia ocurre cuando se habla de satélites, mucha gente cree que si no tiene toda la parafernalia (p.e. polarización circular conmutable, rotor de elevación, etc.) que suele aparecer en libros y artículos sobre el tema nunca podrá trabajar vía satélite. Con esto quiero significar que el equipo que se requiere para recibir el Modo S del AO-13 es mucho más sencillo de lo que uno podría imaginar o deducir de la lectura de determinados artículos.
Después de probar varias antenas de pequeño tamaño (hélices, Yagis y parabólicas) en el Modo S del AO-13, creo que para iniciarse lo ideal es una parábola de por lo menos 60 cm de diámetro. La propiedad básica de un reflector parabólico es que concentra toda la energía recibida (radiofrecuencia) de una fuente distante (satélite) en un punto que se corresponde con el foco del paraboloide, donde se coloca el elemento activo de la antena. Como se puede ver en la figura (3KB) el foco de la parábola se calcula a partir del diámetro(D) y la profundidad de la parábola en el centro (c).
Para alimentar la parábola se puede utilizar una pequeña antena de hélice (cómo la descrita por G3RUH, Antena helicoidal para 2,4 GHz. 7KB ) de entre 2,25 y 5 espiras enrrolladas hacia la izquierda, con lo que al situarla en el foco de un reflector parabólico se consigue una antena de polarización circular derecha ya que la reflexión en la superficie del paraboloide invierte el sentido de la polaridad. Este tipo de antena es muy fácil de construir y es difícil que no funcione más o menos bien a la primera.
Además de la ganancia y la eficacia, que dependen de la superficie del reflector y la precisión de su curvatura respectivamente, existe otro parámetro importante de los reflectores parabólicos, se trata de la relación foco-diámetro (f/D). Esta relación es una forma de medir la concavidad del reflector (o la distancia focal) y es el factor que gobierna el diseño del alimentador.
Los paraboloides muy concavos (f/D<0,4) se alimentan mejor con pocas vueltas en la hélice (p.e. 2,25 vueltas) ya que necesitan antenas con lóbulos de radiación anchos para iluminar bien toda la superficie del reflector. Si el reflector parabólico es más plano (por ejemplo, f/D="0,7)" es más recomendable utilizar una hélice de cuatro o cinco vueltas ya que tiene un lóbulo de radiación más estrecho.
Los libros dicen que las parábolas con una f/D grande son preferibles, en el campo amateur, por diferentes razones: ser más fáciles de alimentar, tener mayor tolerancia, eficiencia, etc. Pienso que a pesar de toda la teoría no hay que complicarse mucho la vida con la relación f/D, hay que utilizar lo que se tenga a mano y probar con diferentes alimentadores, si la antena está eficazmente iluminada la relación f/D es poco relevante. Como este tipo de antena que estamos describiendo siempre funciona, es mejor empezar con una hélice de cuatro o cinco vueltas y cortar hasta lograr el mejor rendimiento, recuerdese una vez más que el rendimiento de la antena depende más de la buena iluminación de la parábola que de la ganancia del iluminador, por lo que no debe importar el cortar las espiras necesarias para lograr una optima iluminación.
Mi primera antena para modo S (Foto 1, 58KB) la hice con el reflector de una antena parabólica de foco primario de 60 cm y 0,4 f/D, de las que se venden para la recepción de TV vía satélite, alimentada con una hélice de 2,25 espiras ( Foto 2. 60KB ). Busqué una parábola de foco primario porque me resulta más fácil saber a donde apunta la antena que si el reflector fuese del tipo offset, aunque obviamente se puede utilizar también este tipo de reflector. Con esta antena he hecho bastantes contactos en Modo S y la relación tamaño-rendimiento es excelente.
Una duda que tuve durante la construcción es dónde situar exactamente la hélice, obviamente en el foco, pero ¿qué hay que poner en el foco? la primera espira, la última, el reflector de la hélice... Como siempre en estos casos lo mejor es el método ‘ensayo-error’ en una situación real, así que probe a desplazar todo el conjunto del iluminador en el eje de la parábola durante una sesión de modo S mientras escuchaba la baliza del AO-13. Descubrí que esta antena tiene una tolerancia enorme, podía escuchar la baliza con el iluminador situado a más de 15 cm del foco geométrico. En mi antena el rendimiento máximo se obtiene situando el reflector de la hélice 3 cm más allá del foco geométrico del paraboloide.
Jon Urrutia, EA2PF, ha diseñado una antena para 2,4 GHz de tipo microstrip, se trata de una antena plana que se utiliza mucho para la recepción de los satélites GPS. Después de verla me quedé maravillado con el diseño y construí una que he utilizado para iluminar un pequeño reflector parabólico de 50 cm y 0,7 f/D que distribuye AMSAT España . Pensaba que dado que la microstrip tiene unos 7dB de ganancia, esto compensaría la pérdida en superficie reflectante con respecto a la antena de 60 cm , por lo que recibiría de forma parecida. ¡Craso error! Al probar la antena, observé que el rendimiento era muy inferior al de la parábola de 60 cm iluminada con la hélice, aunque las señales recibidas eran suficientes para hacer QSO en CW y un poco justas para SSB. La razón de este bajo rendimiento está en que la microstrip, que radia en un plano y por tanto tiene un lóbulo ancho, no es adecuada para un reflector con un f/D tan grande y por tanto no lo ilumina bien . No he tenido oportunidad de probar esta antena con el reflector de 60 cm (foto 2), pero estoy seguro de que el rendimiento será superior al de la hélice porque este reflector tiene un f/D de 0,4 que es mucho más adecuado para la microstrip.
Para los que gustan de antenas pret a porter mi recomendación es una antena parabólica de modo S fabricada por Conifer (Burlington, Iowa, EE.UU.) que distribuye Bob Myers Communications (Arizona, EE.UU.). El reflector es una sección rectangular de 60 por 90 cm de un paraboloide de unos 92 cm de diámetro teórico con un f/D de 0,37 aproximadamente. El iluminador es una antena de polarización lineal, cortada a medidad para la banda de 2,4 GHz, que lleva un pequeño subreflector en la parte delantera. La ganancia anunciada es de 25 dBi y el rendimiento es excelente pese a que el uso de polarización lineal suponga una pérdida de 3 dB teóricos en comparación con un iluminador de polarización circular. Una ventaja de esta antena es que el reflector no es ‘sólido’ por lo que presenta menor resistencia al viento, no sobrecarga los rotores en exceso, y se puede instalar con comodidad en el boom transversal donde tenemos las otras antenas.
Otra antena que he probado es una Yagi de aros, una versión escalada para 2400 MHz de la de 23 cm que aparece en el Handbook de la ARRL. Monté una versión ‘corta’ ( 23 elementos, 1m de boom) de esta antena y puedo decir que esta antena no es adecuada en absoluto para el AO-13 aunque se puede usar para recibir la baliza de 2,4 Ghz de los microsats. Las versiones largas, 55 elementos, son adecuadas para recibir CW pero para SSB en muchos casos el rendimiento es marginal. (Antenas para Modo S. 238KB )
Dado que todavía no existen equipos de 2,4 GHz resulta necesario utilizar un conversor para poder recibir en esta banda. La práctica habitual consiste en montar el conversor muy próximo a la antena y utilizar coaxial estándar para llevar la señal convertida a la frecuencia intermedia, normalmente 144-194Hz, hasta el interior del cuarto de radio. Esta es una práctica muy deseable en microondas ya que nos evita el tener que utilizar costosos cables de muy bajas pérdidas.
Como se ha indicado, la mayoría de los conversores disponibles convierten las señales de 2,4 GHz a 144-194 MHz, con lo que podemos utilizar un equipo multimodo de 2 metros para la recepción del modo S. Otra alternativa consiste en hacer una conversión más, de 144 MHz a 28 MHz, y recibir en un equipo de HF. Esta práctica es especialmente adecuada si uno no dispone de un equipo de 2 metros de grandes prestaciones y si dispone de un buen equipo de HF, como sucede con frecuencia. El hacer dos conversiones permite disfrutar de todas las prestaciones del receptor del equipo de HF que difícilmente se encuentran en los de VHF. En mi estación de satélites utilizo diferentes conversores para todas las bandas (2,4 GHz, 435 MHz y 145 MHz) y un transceptor de HF (Kenwood TS-850S) como receptor común de FI.
Actualmente existen en el mercado varios conversores de 2,4 Ghz. Los dos más populares, y que he tenido la oportunidad de probar, son los fabricados por SSB Electronic en Alemania (UEK-2000SAT) y Down East Microwave (DEM) en EE.UU. , Bob Myers Communications (Arizona, EE.UU.) ha puesto recientemente a la venta otro conversor ( Conversores para 2,4 GHz, tabla comparativa. 10KB ).
El UEK-2000SAT es la versión de mástil (a prueba de inclemencias metereológicas) del conversor de SSB Electronic. El diseño de este equipo representa bien el estado de la técnica en el campo de las microondas. Lleva incorporado un preamplificador HEMT, filtros helicoidales de dos polos y una segunda etapa de preamplificación con GaAsFET además de un doble mezclador balanceado (DBM) de tipo Schottky. La placa sobre la que esta construido es de teflon y la construcción es con montaje de superficie según especificaciones para microondas. El UEK-2000SAT tiene un NF de conversión de 1.0 dB (0,8 dB en la versión no-mástil) y 20,0 dB de ganancia en conversión, opcionalmente se puede solicitar con 30,0 dB de ganancia (opción 01). La versión de mástil va recubierta con una caja de plástico, lleva dos conectores N (antena y salida de FI en 144 MHz) y un conector PL hembra para la alimentación (13,8VDC) que tambíen se puede hacer a través del vivo del coaxial de FI. La versión no-mástil lleva conectores SMA (tal vez sean estos los que bajan en 0,2 dB el NF de conversión global) y va en una caja que no es adecuada para montajes en el exterior.
El conversor SHF-2400 se puede adquirir en kit, que incluye dos placas (la principal y la del oscilador local) y los componentes de ambas pero no conectores y caja, o ya montado en una caja que hay que impermeabilizar para poder utilizarlo en el exterior. El diseño del conversor DEM se basa en el oscilador y conversor de recepción de un transverter de tipo no-tune (sin sintonía) para 2304 MHz diseñados por Rick Campbell, KK7B y Jim Davey, WA8LNC (QST, Diciembre, 1992). DEM fabrica toda una serie de equipos y kits basados en este principio para frecuencias que van desde los 435 MHz hasta los 5 GHz.
El diseño no-tune ,muy popular en microondas, simplifica la construcción de forma notable ya que los circuitos sintonizados se hacen en la propia placa de circuito impreso y no requiere de ningún ajuste salvo en el oscilador local. El montaje del kit requiere de cierta habilidad ya que hay que trabajar con componentes muy pequeños de montaje en superficie, la parte más compleja es el oscilador local. Otros asuntos delicados son el alojamiento del montaje en una caja, con frecuencia ocurre que un montaje de microondas que funciona perfectamente ‘al aire’ deja de funcionar al meterlo en una caja porque se desintoniza, y la conexión adecuada de los conectores. El alojamiento se solucciona haciendo una caja a medida con placa de circuito impreso o lámina de cobre. Con respecto a los conectores, hay que soldarlos directamente a las pistas del circuito impreso.
El SHF-2400 tiene un NF de conversión de 5dB y la ganancia de conversión es de 16 dB. Dado que el NF es relativamente alto resulta necesario un preamplificador, que también puede ser suministrado por DEM, para rebajar la cifra de ruido cuando se utilizan antenas pequeñas como las anteriormente descritas.
Bob Myers Communications ha puesto recientemente a la venta un conversor para modo S con 40 dB de ganancia que, al igual que el de SSB, lleva dos etapas de preamplificación separadas por filtros. Tal y como se suministra, el conversor es adecuado para montarlo en el exterior. Lleva un conector N en la entrada de la antena y un conector F en la salida de FI. La alimentación se hace a través del vivo del coaxial de FI y se suministra un adaptador, con dos conectores F, para tal fin.
He tenido la oportunidad de utilizar el conversor UEK-2000SAT de SSB y el SHF-2400 de DEM, este último montado a partir de un kit por Javier Sarmiento, EA4CMV. He probado los dos conversores con la misma antena, una parabólica de 60 cm de diámetro (f/D 0,4) alimentada por hélice de 2,25 vueltas. La primera impresión es que la calidad de materiales de SSB es muy superior, también lo es sobre el papel en cuanto a diseño radioeléctrico. El conversor de DEM necesita delante un preamplificador para rebajar el NF y estar a la par con el de SSB. Una vez provisto del preamplificador el conversor de DEM es perfectamente adecuado para recibir el AO-13 y comparable, a oído, al de SSB.
El problema se plantea cuando se analizan los precios. Dado que el UEK-2000SAT (399,95 dólares) no se suministra en kit lo lógico es compararlo con la versión ya montada del SHF-2400 (255 dólares). En estas condiciones el precio del conversor SHF-2400 más el preamplificador (255 más 150 dólares del preamplificador) es superior al UEK-2000SAT, lo que pone en gran desventaje a la combinación de DEM, ya que, en mi opinión, el equipo de SSB tiene una relacción calidad-precio muy superior. Sin embargo, si uno está dispuesto a enchufar el soldador, desea experimentar y tiene espacio para una antena grande (90 cm de diámetro o más), merece la pena el kit de DEM sin preamplificador.
El transpondedor de modo S del AO-13 funciona durante los periodos orbitales en que al ángulo de squint (el ángulo que forma el eje de la antena del satélite con el eje imaginario que pasa por el centro de la tierra y el satélite) es mínimo, es decir durante el apogeo de la órbita cuando la actitud (ALON/ALAT) es 180/0. Antes de conmutar al transpondedor se pone en funcionamiento la baliza de modo S, la baliza y el transpondedor no pueden funcionar la vez, durante un breve periodo de tiempo (normalmente dos unidades MA) lo que permite ajustar la recepción en nuestro sistema. La baliza emite en 2400,664 MHz (habrá que sumar o restar el efecto doppler ) por lo que debemos sintonizar nuestro receptor en 144.664 MHz o en 28.664 MHz, según las conversiones que estemos haciendo. Es importante recordar que la frecuencia es 144 MHz y no 145 MHz, si uno está acostumbrado al modo B es fácil errar y ponerse en 145.664 MHz, donde sólo hay ruido. Una vez situados en la banda se puede apreciar que las señales en modo B son débiles, aunque la recepción es confortable. En mi sistema el ruido suele ser de 7 unidades S y la señal de la baliza suele estar un poquito por encima de S9, lo cual es un buen rendimiento para modo S. Es muy importante recordar la señal que pone la baliza para que luego al transmitir no excedamos en nuestro retorno de este nivel de señal.
Cuando el transpondedor conmuta a modo S se deja de oir la baliza en 2,4 GHz, aunque se puede recibir en 145,812 MHz (¡curioso eh!). En este momento podemos preparanos para transmitir. Lo mejor es buscar un hueco libre alrededor del centro de la banda pasante (2400,729 MHz), a continuación, con el receptor en USB, se pone el transmisor de UHF en CW en 435,621 MHz y se transmite con 25 watios de portadora buscando la señal de retorno, en este momento hay que comprobar que la señal de retorno no es superior a la de la baliza. Nuestra señal tiene que estar unos 10 dB por encima del ruido. Si la señal de retorno es más fuerte hay que bajar la potencia, esto último es obligatorio, de lo contrario restamos potencia de salida del transpondedor a las otras estaciones y podemos saturar el limitador del transpondedor lo cuál dejaría a todos en ‘fuera de juego’. Moraleja, como siempre en radio lo fundamental es recibir bien. Para trabajar en USB se sintoniza hasta lograr batido cero y ahora se puede conmutar ya el equipo transmisor a USB (¡recuerda, este transpondedor no invierte las señales!) y llamar CQ. Como el número de estaciones EA es muy pequeño (tres en la última lista de usuarios de modo S) se es estación DX, así que a buen seguro que alguien te responderá. Durante el QSO la operativa es como en modo B, se mantiene fija la frecuencia de recepción y el doppler, que aquí si que es fuerte, se corrige con la frecuencia de transmisión.
Para los acostumbrados al modo B es importante recordar que el receptor de modo S es unos 3 db más sensible que el de modo S y que el transpondedor es limitante, por lo que hay que ser muy cuidadosos con la potencia de subida, ¡Fuera lineales!. En mi estación, 20W en la antena de 435 MHz (una sóla Yagi de 19 elementos en polarización horizontal) es más que suficiente para hacer QSO en SSB en modo S cuando el satélite está a más de 40000 Km de distancia. Si con potencias de esta magnitud no escuchas tu retorno es que tienes un problema de recepción. Recuerda, en el satélite no hay que hacer el cocodrilo, que por cierto, es un animal con boca grande y orejas pequeñas.
El transpondedor de modo S del AO-13 puede funcionar de forma simultánea con el de modo B, cuando así sucede el modo se llama BS. En estas circustancias la banda pasante del enlace ascendente no se corresponde con la de modo S ( Transpondedor Modo S del AO13, 5KB ). Este modo permite hacer QSOs en banda cruzada con estaciones que operan en modo B y es una opción muy buena cuando tienes mucho QRM en la banda de dos metros, cosa que con frecuencia sucede en mi QTH. Para trabajar estaciones que están en modo B hay que hacer el uplink en LSB para que el downlink en 145 Mhz sea en USB ya que el transpondedor de modo B es inversor.
El transpondedor de modo S del AO-13 permite experimentar en las frecuencias de microondas de forma sencilla y con un importante valor añadido: los QSO son verdaderos DX. La satisfacción que produce recibir estaciones desde el otro lado del planeta con pequeñas antenas en la banda de 2,4 Ghz es inversamente proporcional al tamaño de la antena. Para los habituales del modo B en el AO-13, especialmente los que habitamos en la proximidad de grandes urbes, uno de los grandes avances del modo S es decir adios al QRM que producen los insensatos que ocupan el segmento de satélites en la banda de dos metros. Afortunadamente todavía no hay transceptores de 2,4 Ghz, así que el único QRM es el que producen los hornos microondas, que también tienen asignada esta banda.
Desgraciadamente los días del AO-13 están contados, cuando escribo esto queda prácticamente un año para que el AO-13, y con él la pequeña maravilla que es su transpondedor de modo S, se desintegren al chocar con la atmósfera terrestre. En cualquier caso la inversión en equipos de modo S y la experiencia adquirida no habrán sido inútiles porque es muy probable que, si todo sale como está previsto, a principios de Junio de 1996 ya los estemos usando en nuestro nuevo supersatélite, el Fase III D.
Bob Myers Communications P.O.Box 17108 Fountain Hills, AZ 85269-7108 USA Tel (602)837-6492 Fax (602)837-6872 e-mail: bmyers@primenet.com o w1xt@amsat.org WWW:Bob Myers Communications WWW Page Down East Microwave 954, CR 519 Frenchtown, NJ 08825 USA SSB Electronic GMBH Panzermacherstr. 5 58644 Iserlohn Alemania
Nota: Este artículo ha sido originalmente publicado en CQ Radio Amateur (Edición Española), Octubre, 1995. Los fondos obtenidos con la publicación del artículo han sido destinados por AMSAT a la finaciación del satélite Fase 3-D
Copyright © 1995 Antonio Fernandez, EA4LE.
