24GHz EME - ¡El reto!
La banda de 24 GHz presenta diferencias significativas respecto a las bandas inmediatamente anteriores. Mientras que en 10GHz hay contactos casi diarios a través de la troposfera a distancias muy razonables, ¡en 24GHz estos contactos sólo ocurren de vez en cuando!
La propagación a 24 GHz es diferente de la propagación a frecuencias más bajas porque hay una atenuación significativa de las señales debido a la absorción de energía tanto por el oxígeno como por el vapor de agua.
La absorción debida al oxígeno aumenta lentamente desde un valor de 0,004 dB/km a 1 GHz hasta 0,03 dB/km a 30 GHz. Por encima de 30 GHz, hay un pico pronunciado a 60 GHz, donde la atenuación aumenta a 15 dB/km. A 24 GHz, la atenuación por oxígeno atmosférico es de aproximadamente 0,0235 dB/km a una presión barométrica de 760-mm Hg y una temperatura de 20°C. La absorción debida al vapor de agua a 24 GHz es considerablemente mayor que la debida al oxígeno; de hecho, 24 GHz está cerca de un pico en el espectro del agua. Con una concentración de agua de 10 g/m³ (correspondiente a una humedad relativa del 54% a 20°C), la atenuación es de aproximadamente 0,175 dB/km.
Existe una diferencia significativa en la atenuación atmosférica entre un día frío y seco y uno caluroso y húmedo. La elevación del sistema de antenas desempeña aquí un papel muy importante: cuanto mayor es la elevación, menor es la distancia que la señal de radiofrecuencia tiene que recorrer en la atmósfera. Me refiero, por supuesto, a las comunicaciones espaciales...
En la reflexión lunar hay otros factores a tener en cuenta: el efecto Doppler y la libración. Estos dos efectos, al ser proporcionales a la frecuencia, son más del doble en relación con la banda de 10GHz.
El efecto Doppler tiene remedio, pero la libración no. Es necesario analizar previamente la hora y el día del contacto, teniendo en cuenta todos estos factores.
Por ejemplo, aunque al salir y ponerse la luna la libración es menor, también lo es la elevación, con lo que aumentan las pérdidas en la atmósfera. Lo ideal sería que la libración fuera menor cuando la Luna está a mayor elevación...
La libración hace que la señal se disperse. A medida que el eco se ensancha, la relación señal/ruido disminuye, lo que hace que la señal sea más difícil de detectar y, por tanto, si se trata de una señal digital, más difícil de decodificar. A 10GHz, la señal CW parece propagación Aurora, a 24GHz es como si a veces se tratara de un aumento del ruido de fondo...
Si suponemos un ruido de fondo uniforme, la potencia total de este ruido es proporcional al ancho de banda en el que se mide. Hay el doble de ruido (más 3dB) en un ancho de banda de 40Hz que en uno de 20Hz, y el doble de ruido (más 3dB) en uno de 20Hz que en uno de 10Hz. Así que si observamos la señal completa y esa señal tiene una relación S/N de -10dB y tiene un ancho de banda de 10Hz, si se extiende a 20Hz, la relación S/N será de -13dB y si se extiende a 40Hz, la relación S/N será de -16dB.
Hace 4 años...
Fue hace 4 años, el 7 de marzo, cuando hice mi primer contacto vía Reflexión Lunar en 24GHz y, consecuentemente, ¡el primer contacto EME portugués en 24GHz! Fue con la estación OK1KIR y me costó muchas horas, mucha sangre sudor y unas cuantas lágrimas conseguirlo. Como todo en la vida, necesité un poco de suerte... pero, como suelo decir: ¡la suerte es un trabajo duro!
El sistema que utilizaba en aquel momento tenía un SSPA de 4,5 W, que recibía 4 W en el feed. El PLL tenía una referencia muy inestable, las guías y transiciones estaban muy por debajo de lo recomendado (como más tarde comprobaría tomando medidas en el laboratorio), el relé funcionaba aleatoriamente, etc....
La antena consistía en un plato parabólico de 180cm, foco central, con una relación f/D de 0,32. La única ventaja de ser tan "profunda" era la reducción del spillover, lo que facilitaba mucho la recepción. El resto fue una auténtica odisea, ¡encontrar una alimentación que iluminara correctamente la antena parabólica reflectora!
El sistema de seguimiento era básicamente manual. Siempre estaba monitorizando el ruido térmico de la Luna y siguiéndome a través de él. La señal de OK1KIR también se usaba como referencia y yo podía hacer todos los ajustes Doppler. Como comprenderás, llegué al final del contacto ¡sintiéndome como si acabara de salir de una sauna!
El tamaño importa, pero...
Aquí hay que reflexionar un poco sobre el sistema de antenas.
La opinión general sobre las antenas es que "¡¡¡cuanto más grande, mejor!!!".
En los dos últimos años, las pruebas en 47GHz (y 76GHz) han revelado una realidad muy diferente. Al fin y al cabo...
¡¡¡Resulta que la calidad y el tipo de superficie reflectante juegan un papel absolutamente fundamental!!! No se trata sólo de comprobar que toda la radiación converge en un único punto en el supuesto foco. Importa que toda la superficie del espejo sea de alta calidad, con un RMS superficial bajo (ver las ecuaciones de Ruze).
Ni siquiera estoy hablando de los reflectores de rejilla o malla que se utilizan habitualmente.
Mi antena de 3m de diámetro (malla de 2,4mm x 2,4mm), en 10GHz, tenía el mismo rendimiento que el reflector sólido de 1,8m... ¡pero con los problemas de apuntamiento, anchura del haz y peso! No quieres usar una antena grande solo para la foto y para impresionar a los vecinos...
¡¡¡Resultó que una antena de 120cm de alta calidad daba el mismo rendimiento que una antena de 220cm!!! A veces incluso mejor. Por supuesto, hay que tener cuidado con el tipo de alimentación, la optimización del foco, las pérdidas de guía, el LNA, etc.
El tamaño de la antena siempre importa, pero la calidad de la misma tiene que estar en consonancia con los requisitos. El tamaño por el tamaño no es la solución.
El peso de la estructura y las distorsiones mecánicas también influyen en el rendimiento. De momento tengo una estructura radiante flotante, lo que significa que no está sujeta a variaciones térmicas ni al peso del sistema en el que está instalada, por ejemplo. La estructura que soporta el sistema de RF del foco debe reforzarse para que no influya en el diagrama de radiación ni distorsione la superficie reflectante.
Para comparar, en este sitio se pueden analizar las prestaciones de varios sistemas de 24GHz:
https://pa0ehg.com/24ghzemestations.htm
Todas las pruebas que se han realizado con antenas más pequeñas, empezando por la offset de 60 cm (CAS60) a 47GHz, están registradas en este sitio:
https://pa0ehg.com/47ghzperformance.htm
Las antenas Kathrein no son precisamente baratas, pero dan excelentes resultados, lo que las convierte en una excelente inversión. La próxima en probarse será una de 180cm, la CAS180, de Eddy, ON7UN.
El sistema de seguimiento
El sistema de seguimiento juega un papel fundamental. Asegurar que siempre hay una alineación correcta es la diferencia entre hacer o no hacer contacto.
Actualmente utilizo un sistema Slew Gear, con un codificador óptico de acimut de 18 bit y un inclinómetro digital para la elevación.
Todo el sistema se describe aquí, y ha sido el resultado de los últimos años de pruebas en 47GHz:
https://github.com/EA3HMJ-Tracking-Software-Suite
El sistema actual
Se ha optimizado la iluminación de la plataforma giratoria, se han sustituido las guías por unas con mejores características, se ha cambiado el interruptor de la guía WR42, y el PA es ahora un TWT.
Inicialmente, el TWT en el que pensaba era un RW1136, pero desde que tuve la oportunidad de usar un RW1127, éste es el que estoy usando ahora. El RW1136 puede entregar cerca de 15W, el RW1127 está entregando 26W. ¡En EME necesitas potencia! Y mucha.
También estoy construyendo un SSPA con dos TGA4915s, y espero conseguir 14W de salida.
El sistema es todavía extremadamente experimental y provisional, como se puede ver en las siguientes fotos:
El TWT y la fuente están colocados en la base de la estructura de la antena, sin afectar al brazo que sujeta el sistema en el alimentador, asegurando que siempre esté bien posicionado en el foco. La salida del TWT se conecta al relé a través de un tramo de guía flexible. Tiene 0,7dB de pérdida, por lo que es un detalle a mejorar.
Detalle del driver PA del TWT. El TWT necesita unos 2W de entrada para 26W de salida. El SSPA de la foto puede entregar hasta 4.5W, por lo que hay atenuadores antes de él para calibrar la entrada máxima, ya que el transvertidor entrega 2W.
El driver sólo se alimenta después de que llegue una señal de enclavamiento del relé, procedente de un interruptor de posición final del tambor.
Detalle del banco de pruebas y medición final de potencia En este punto se ajustó la tensión de la hélice y la corriente catódica.
Resultados
Los primeros contactos se realizaron en condiciones meteorológicas normales de finales de invierno: cielo parcialmente nublado, algo de humedad pero no excesiva.
Las señales fueron muy buenas. Las siguientes fotos muestran el contacto con Gerard, PA0BAT, y Mitsuo, JA1WQF:
¡El contacto con Japón se inició cuando la luna aún estaba baja y bloqueada!
Y no podía terminar sin la foto de la baliza DL0SHF, extremadamente útil para pruebas, ajustes, etc.
24GHz es una banda fabulosa para la experimentación. Espero que haya más estaciones operativas.
Sitios para visitar, además de los que ya he enumerado:
https://www.bobatkins.com/radio/
https://wettersat.bplaced.net/EME/EME.html
73, Miguel
CT1BYM