De las antenas a los satélites o al revés ️📡🛰️

Hablamos de ganancia, directividad y diagramas de radiación

Para transmitir información a través del aire desde un punto A a un punto B y ser capaces de recoger dicha información en el punto B, necesitamos, principalmente, una antena en cada uno de los puntos. Uno de los parámetros característicos de estas antenas será su ganancia, directamente ligada al concepto de directividad. La ganancia de una antena es la relación entre la potencia que entra en una antena y la potencia que sale de esta. Cuanta más ganancia tenga una antena, la señal de salida tendrá una potencia mayor y por tanto, más lejos será capaz de llegar. La directividad de una antena es una medida de la concentración de la potencia radiada en una dirección concreta. Estando la ganancia directamente ligada con la directividad, cuanta más ganancia tenga una antena, más directivo será su diagrama de radiación, más concentrado hacia el lugar al que apunte la antena. El diagrama de radiación de una antena se puede representar por tanto como una gráfica tridimensional de la energía radiada desde esta. Si una antena radiara con la misma intensidad en todas las direcciones del espacio, su diagrama de radiación se representaría como una esfera alrededor de ella. Este caso es el caso de una antena ideal, utópica, no realizable y denominada antena isótropa, la cual se utiliza como referencia para definir los parámetros de las antenas reales.

En términos generales, una antena de alta ganancia emitirá una señal de alta potencia y lo hará hacia una dirección especialmente concentrada, llegando más lejos, pero a menos lugares de su alrededor. Por el contrario, una antena poco directiva, con poca ganancia, no llegará tan lejos, pero podrá llegar a casi cualquier lugar de su alrededor, según su diagrama de radiación. En caso de necesitar enviar una señal a un destino muy lejano, de conocida ubicación, deberemos utilizar una antena con mucha ganancia, muy directiva, para poder llegar lejos y no perder información en el camino. Sin embargo, si nuestro origen es un dispositivo móvil, que va a ser incapaz de apuntar su antena constantemente a un lugar concreto, tendremos que utilizar antenas poco directivas; a costa de perder ganancia, seremos capaces de enviar o recibir señales desde prácticamente cualquier lugar.

Los satélites y sus órbitas

Los satélites, principales responsables de que podamos distribuir información a lo largo de todo el planeta, pueden orbitar alrededor de la Tierra siguiendo recorridos diversos y desde alturas diferentes. Hay una gran variedad de órbitas en las que los satélites pueden ser colocados en el espacio, alrededor de nuestro planeta. Las más nombradas son las órbitas LEO, MEO, GEO y HEO. La órbita LEO se encuentra típicamente entre los 200 y 2000 kilómetros de altura. Los satélites de la órbita MEO orbitan entre los 2000 y 36000 kilómetros de distancia respecto de la superficie terrestre. Justo a 36000 kilómetros de altura encontramos la órbita GEO, la órbita geoestacionaria. La órbita HEO se encuentra por encima de la órbita geoestacionaria, a más de 36000 kilómetros de altura. Para conseguir que un satélite permanezca orbitando a cualquier altura, debemos evitar que caiga hacia la Tierra debido a la fuerza de la gravedad que esta ejerce sobre él. Cuanto más cerca se encuentre la órbita de estos satélites, mayor será la fuerza centrífuga necesaria para evitar que el satélite caiga en picado. Y esta fuerza centrífuga depende de la velocidad de traslación con la que el satélite orbita alrededor de la Tierra. Así pues, esta velocidad orbital deberá ser mayor cuanto más baja sea la órbita. Una velocidad más baja de la necesaria provocaría que el satélite cayera hacia la Tierra. Pero cuidado, porque una velocidad más alta de la necesaria puede provocar que el satélite salga de su órbita. De este modo, los satélites en órbita LEO se mueven a una gran velocidad, llegando a completar su vuelta alrededor de la Tierra en cuestión de pocas horas o incluso minutos. En esta órbita se encuentra la Estación Espacial Internacional además de la gran mayoría de satélites meteorológicos o de observación, y muchos satélites de comunicaciones. Los satélites en la órbita MEO tardan en promedio 12 horas en dar la vuelta completa a nuestro planeta. En esta órbita podemos encontrar también satélites de observación, además de satélites de posicionamiento como los encargados del sistema GPS. Los satélites colocados en la órbita HEO, especialmente alejados de la superficie terrestre tardan más de 24 horas en dar la vuelta completa alrededor de la Tierra. Así, como la Tierra rota más rápido de lo que ellos se trasladan, a lo largo del día, desde la Tierra, puede parecer como si retrocedieran.

Como habéis visto, a mayor altura de la órbita satelital, menor velocidad es necesaria para mantenerse en órbita sin caerse hacia la Tierra y, a su vez, sin salirse de la órbita. Hemos colocado satélites en la órbita LEO, que consiguen dar la vuelta a la Tierra en pocas horas o minutos, también satélites MEO cuyo periodo de traslación es de 12 horas, y satélites HEO que tardan más de 1 día en dar una vuelta entera alrededor de nuestro planeta, pero… ¿no sería perfecto encontrar una órbita en la que el periodo de traslación fuese exactamente 24 horas? Si así fuera, los satélites de dicha órbita tendrían un periodo de traslación equivalente al periodo de rotación de la Tierra y, de este modo, permanecerían visualmente inmóviles para la Tierra en todo momento. ¡Podríamos tener antenas en la Tierra que apuntaran directamente hacia un mismo satélite constantemente! Pues esta órbita es la órbita geoestacionaria, la órbita GEO, y se encuentra a unos 36000 km de distancia.

Los satélites utilizados para distribuir servicios de televisión, Internet, telefonía o datos, se encuentran situados en esta órbita geoestacionaria. De esta manera, podemos utilizar antenas transmisoras y receptoras en estos servicios sin necesidad de recolocar su posición o inclinación a medida que el satélite se vaya moviendo. ¿Os imagináis que tuviéramos que estar subiendo a cada rato a la azotea para recolocar la antena que da servicio a nuestras televisiones? Está claro que si se necesita acceso directo a un satélite específico que cubra una zona terrestre concreta, este satélite tendrá que estar en una órbita geoestacionaria.

Sin embargo, hay que tener en cuenta que el número de satélites que pueden estar colocados en la órbita geoestacionaria es limitado porque, además de tener una superficie de tamaño finito, dentro de esta superficie los satélites deben mantenerse separados cierta distancia para evitar interferencias entre ellos, especialmente si operan en la misma banda de frecuencias. Por ejemplo, satélites operando en la banda C deben permanecer separados 2 grados, dando lugar a 180 satélites trabajando en esta banda como máximo en esta órbita. En banda Ku puede existir una separación más pequeña entre satélites, en torno a 1 grado, y con ello el límite de estos satélites estaría en 360.

Pero yo, ¿para qué uso los satélites o las antenas?

La aplicación más directa de todo esto actualmente puede ser vuestro teléfono móvil o el acceso a Internet. ¿Cómo créeis que podéis buscar algo en Internet y encontrarlo rápidamente? ¿Y las llamadas telefónicas, incluso entre países separados por kilómetros y kilómetros de océanos?

Hablemos primero de routers WiFi. ¿Cómo pensáis que es la antena de vuestro router? ¿Si alguien os dice “me he comprado un router con mucha ganancia, es genial”, está en lo cierto o no? Pues bien, aunque no lo parezca, seguramente no lo esté. La antena del router de nuestras casas debe ser generalmente de baja ganancia, con un diagrama de radiación poco directivo, para que, al colocarlo en un lugar céntrico de la casa, sea capaz de distribuir la señal por todas las habitaciones. En caso de tener una antena muy directiva, deberíamos colocar el router en una de las puntas de la casa apuntando hacia la otra para intentar abarcar con ello todos los espacios. Así que, a no ser que vuestro amigo tenga una casa muy estrecha y alargada y coloque el router en la entrada, apuntando su antena hacia el fondo, estaba equivocado.

En cuanto a la telefonía móvil, para realizar o recibir una llamada telefónica en vuestro teléfono móvil, la antena utilizada en el dispositivo debe ser prácticamente isótropa, con un diagrama de radiación lo más omnidireccional posible, y por tanto de baja ganancia y directividad, para poder movernos y hablar desde cualquier lugar o posición con el mismo teléfono móvil sin necesidad de apuntar concretamente al lugar en el que esté la estación base que nos vaya a dar cobertura en cada momento. Las estaciones base son el eslabón principal que conecta a nuestros teléfonos móviles con el resto de la red de telefonía. La comunicación entre nuestro dispositivo móvil y esta estación base es inalámbrica, y por ello hemos necesitado el uso de antenas para establecer la comunicación. También lo será el camino entre la estación base destino y el móvil del usuario final que recibe la llamada. Sin embargo, desde que la estación base que nos da cobertura recibe nuestra intención de llamada, hasta que, tras un largo y complejo camino se llega a dirigir la llamada a la estación base del móvil del destinatario, la señal deja de transmitirse de forma inalámbrica para recorrer ciudades, países o incluso el mundo entero de forma cableada, generalmente a través de cables de fibra óptica terrestres y… ¡submarinos!

Sí, así es, el planeta entero está lleno de cables y no sólo bajo el suelo o en las fachadas de nuestros edificios, también atraviesan los mares y océanos. La empresa TeleGeography ofrece un mapa interactivo[1] con todos los cables submarinos que hay desplegados en todo el mundo. Y del mismo modo que todo este cableado permite, en la mayoría de los casos, conectar la red de telefonía móvil de todo el planeta, permite también dar acceso global a Internet, conectando los servidores de información de todo el mundo. Es cierto que el mundo puede interconectarse también a través de satélites, pero desde la irrupción de la fibra óptica los cables han empezado a ganarle el partido en algunos servicios, permitiendo transportar muchos más datos a un coste mucho menor. El tráfico internacional de Internet que aún se transporta por satélite es realmente pequeño, inferior al 1 %.

Aún así, los satélites son una solución perfecta para ciertas aplicaciones, pudiendo conectar y acercar las nuevas tecnologías a lugares que aún no hayan sido cableados por fibra óptica. También son una solución ideal para servicios que necesitan distribuir contenido de una fuente de origen a múltiples equipos de destino repartidos por diversas ubicaciones. ¿A qué os suena esto? Un servicio que se caracteriza por enviar información a múltiples destinos desde un mismo origen es la difusión de canales de televisión.

¿Cómo llegan los canales de televisión a nuestras casas? La transmisión televisiva por satélite comienza en la localización de la emisora en tierra. Esta envía la señal al satélite de comunicaciones encargado de distribuir su servicio de televisión, que estará generalmente en la órbita GEO. El envío de esta señal desde una estación en tierra hasta el satélite debe realizarse utilizando antenas parabólicas lo suficientemente grandes como para obtener una ganancia considerable y suficiente para alcanzar al satélite con la potencia y puntería necesarias.

El satélite recibe la señal emitida a través de uno de sus transpondedores, sintonizado a la frecuencia utilizada por la emisora de televisión. Un transpondedor en un satélite tiene la funcionalidad de recibir, amplificar y reenviar la señal recibida en una frecuencia distinta de la que tenía en recepción. De esta manera, además de amplificar la potencia de la señal para reenviarla a su destino, se adapta su frecuencia a la frecuencia de los equipos que deberán captarla finalmente en tierra. Este cambio de frecuencia se realiza también para evitar interferencias entre las señales procedentes de la emisora de televisión y las señales reenviadas desde el satélite a los destinos finales, en este caso, nuestros hogares.

Finalmente, esta señal es captada por una antena instalada en el hogar del usuario final. En el caso de la Televisión Digital Terrestre (TDT), trabajaremos con frecuencias del orden de MHz, para lo cual necesitaremos generalmente antenas tipo dipolo en recepción. En el caso del servicio de televisión propiamente denominado televisión por satélite, tendremos frecuencias en el rango de los GHz, siendo necesaria la colocación de una antena parabólica para poder recibir los canales. Esta señal, bastante debilitada debido a los miles de kilómetros que debe recorrer hasta llegar al destino y las condiciones climatológicas que haya encontrado en este largo camino, se refleja en la estructura parabólica de la antena y concentra los rayos en el punto focal de la parábola, donde se encuentra el dispositivo radiante o alimentador, generalmente una antena bocina conocida como bocina de alimentación. Una vez captada la señal, esta será de nuevo amplificada y recuperada para poder llegar a nuestros televisores adecuadamente.

Voy a hablaros finalmente de otro servicio cotidiano que requiere del uso de antenas y satélites. Estoy hablando de la tecnología GPS. Las antenas GPS de nuestros teléfonos móviles, por ejemplo, deben ser de poca ganancia ya que estamos hablando de un dispositivo móvil, el cual no vamos a tener constantemente apuntando a un satélite concreto. Sin embargo, no sólo es por esto que debe tener poca ganancia sino porque la tecnología GPS se basa en la recepción de datos provenientes de al menos 4 satélites distintos. Así que, aunque nuestro dispositivo GPS fuese fijo e inmóvil, no podríamos utilizar una antena muy directiva porque tendríamos que ser capaces de abarcar señales procedentes de 4 satélites distintos.

La información que recibimos de estos satélites se basa en su posición y el momento justo en el que se ha enviado dicho mensaje. En nuestro dispositivo, recibimos la información y, conociendo la hora precisa a la que lo estamos recibiendo, podemos calcular cuánto ha tardado en llegar. Sabiendo cuánto ha tardado en llegar el mensaje y que se transmitía a la velocidad de la luz, podemos saber a qué distancia estamos de cada satélite. Esto nos ubica en un punto de una esfera alrededor de cada satélite, ¿pero en cuál exactamente? Recibiendo información de posición y hora de emisión del mensaje de 4 satélites distintos, podremos encontrar el punto de corte de esas 4 esferas y habremos calculado perfectamente nuestras coordenadas.

Este método matemático que permite que hallemos nuestra posición a través de la distancia respecto a 3 o más puntos de referencia se denomina trilateración, análogo a la triangulación. En un problema bidimensional, de tan sólo dos dimensiones, podemos resolver la posición de un objeto dadas las distancias (r1, r2 y r3) respecto a, al menos, 3 puntos distintos (P1, P2 y P3). Trazando circunferencias alrededor de cada punto, cuyo radio sea la distancia a la que se encuentra el objeto respecto a ese punto, podemos encontrar el punto de corte entre las 3. Entre 2 circunferencias obtendremos 2 puntos de corte A y B y, para saber en cuál de esos 2 puntos se encuentra nuestro objeto, deberemos trazar la circunferencia alrededor del tercer punto.

En un problema tridimensional, como es el caso de GPS, debemos utilizar un cuarto punto, en este caso un cuarto satélite, que nos permita saber las 3 dimensiones de nuestra posición: latitud, longitud y altura respecto del nivel del mar.

“We need to understand that if we all work on inclusion together, it’s going to be faster, broader, better, and more thorough than anything we can do on our own.”

Ellen Pao