LENTE FRESNEL DE
MADERA CONTRACHAPADA (3/4)
Continuamos con la publicacion del Articulo, esta vez con las traducciones del Ingles al castellano, realizadas de manera "Sui Generis", esperando que asi se comprenda mas rapidamente el texto sobre esta Lente binaria de zonas de Fresnel (FZP) que propone construir el autor pero que un lector ha criticado tecnicamente, dejando a los lectores de esa epoca y los que ahora leemmos este articulo, en una nebulosa sobre el diseño y rendimiento de este tipo de antenas. Si queremos profundizar en este tipo de antenas vamos a tener que estudiar un poco sobre ellas.
"CASI TODOS LOS PRODUCTOS INNOVADORES, llegan al mercado con un precio elevado. Pero una vez que ese producto desarrolle un mercado probado, Pronto aparecen imitadores y competidores con productos de menor precio que realizan la misma tarea.
Considere el receptor de tv por satélite. por ejemplo. algunos años atrás, Nieman-Marcus presentó la primera unidad de este tipo destinada para el público en general en un catalogo de Navidad, y el costo fue de "sólo" 25.000 dólares. Pero Alguien rápidamente descubrió una manera de modificar viejas unidades de radar para hacer el mismo trabajo pero a una fracción de ese precio !!!.
En los años siguientes nuevos diseños y mejoras han bajado el costo del receptor de satélite hasta menos de $500 (y hoy en dia una fraccion de ese valor). En la misma línea, el reflector parabólico tradicional, o "plato", utilizado en configuraciones de recepción de satélite ha sido desafiado por otros diseños, como platos esféricos e hiperbólicos. y matrices Yagi sintonizadas, (que son antenas en si mismas y no utilizan un plato parabolico), en un esfuerzo por reducir costos o mejorar el rendimiento. Rumores de otras alternativas surgen de vez en cuando, incluido un rumor persistente sobre un "plato" construido con madera contrachapada. Bueno, ese rumor tiene una base de hecho. Sin embargo. el "plato" no es un plato en todo el sentido de la palabra. El propósito de un plato es concentrar la señal y enfocarla en la antena. la cual se encuentra dentro del feed de alimentación. (Si eres un novato que no està familiarizado con los sistemas de recepción de televisión por satélite, estos se explicaron en un artículo especial, sección "Recepción Televisión por Satélite", que apareció en el Número de junio de 1984 de Radio-EIectronics.)
Pero un plato no es el Único tipo de dispositivo capaz de concentrar y enfocar una señal. Otro dispositivo es un lente. como una lente Fresnel. En este artículo Discutiremos la teoría detrás del uso de un Lente de Fresnel como concentrador de señal y criterios de diseño actuales, así como un breve Programa en BÁSIC, que te permitirá construir una unidad experimental con madera contrachapada.
Si se pregunta por qué dicha información no suele presentarse en formato estándar en textos de antena, es porque el diseño Proviene del estudio de la óptica, no de las comunicaciones. De hecho, ha habido tan poca investigación publicada referente al uso de Lentes Fresnel para recepción satelital que el campo definitivamente debe ser considerado experimental. Aunque hay algunos ejemplos aislados de La lente Fresnel en el uso real para la recepción de satélites en Canadá (la Británica Columbia), La producción comercial de tales lentes parece ser inexistente.
¿Una lente de madera contrachapada?
Inventado por primera vez por el físico francés Augustin Fresnel en 1815,la lente que lleva su nombre es comúnmente utilizada en las luces de los faros, luces de teatro, e incluso linternas. Pero, a pesar de sus varias ventajas. incluido el bajo costo, las lentes Fresnel han encontrado poco uso en aplicaciones de microondas. En cambio, otras lentes de un tipo u otro han sido utilizados, incluyendo una aplicación comercial, a principios de la Década de 1960, de una lente convencional fabricada del estireno (plasticos).
Sólo se requieren matemáticas simples para entender la teoría de la lente de Fresnel. y algo central para esa teoría, son los conceptos de interferencia constructiva y destructiva.
Si dos frentes de onda de la misma frecuencia y fase, se combinan, entonces la amplitud de la señal resultante se puede calcular simplemente sumando amplitudes de las dos ondas. Aquí entonces Se dice que las ondas interfieren constructivamente.
Por otro lado, si dos frentes de onda de la misma frecuencia, pero diferente fase, se combinan, la amplitud de la onda resultante será menor que la de las ondas originales en una cantidad dictada por sus fases y amplitudes instantáneas. En el caso más simple, dos ondas de la misma amplitud pero desfasadas 180 grados, se cancelarían mutuamente; es decir, La onda resultante tendría una amplitud de cero. Aquí se dice que las olas se interfieren destructivamente,
Veamos una aplicación real. Las señales de televisión por microondas salen del satélite y conforman lo que se puede considerar como una onda plana uniforme en el feed de alimentación. si nosotros trazamos una línea recta a una distancia F del feed de alimentación (donde F es la distancia focal del feed de alimentación), podemos suponer que todas las microondas que crucen esa línea estarán en fase entre sí. Esa línea está etiquetada como FRENTE DE ONDA DE FASE IGUAL (equal phase wave front) como se ve en la Figura 1.
Si la onda que entra en el feed de alimentación a lo largo del eje horizontal es elegida como referencia, entonces las ondas que entran en el feed de alimentación, desde arriba y debajo de esa línea pueden causar interferencia destructiva debido a su diferencia de fase. (Gracias al principio de Huygen, podemos mirar cada punto del Frente de onda como fuente de una onda secundaria).
La diferencia de fase se debe a la mayor distancia que las ondas secundarias deben recorrer para llegar al punto focal. El resultado neto es que la fuerza de la La señal recibida se reduce.
(Lo mismo sucede hoy en dia con una parabolica deformada por los años de uso. las señales que llegan al feed no siempre llegan todas en fase y la antena baja su ganancia inicial).
Veámoslo un poco más de cerca. Dividimos el frente de onda en zonas elegidas para que, de una zona a la siguiente, la distancia desde el centro de cada zona al punto focal aumente con la longitud de onda. Eso significa que las ondas que llegan al punto focal de zonas alternas Será de 180 grados desfasados entre sí.
En la Fig. 2 hemos mostrado zonas arriba de la horizontal como múltiplo impares de A 1/2 longitud de onda del punto focal, y las zonas inferiores como múltiplos pares. Entonces la zona horizontal está a una distancia de F: la primera zona hacia arriba está a una distancia de F + 1/2 lambda (donde lambda es la longitud de onda); la primera zona hacia abajo está a una distancia de F + 2/2 lambda y así sucesivamente.
Examinando las contribuciones de amplitud de cada zona en el punto focal es muy revelador. Si la amplitud de la zona 1 es A1 y la amplitud de la zona 2 es A2, etc., entonces la suma de todas las contribuciones de las veinte primeras zonas. Es dada por la ecuación:
EN =A1 -A2 + A3 -A4 +A5 - A6... + A19 - A20
Como definimos cada zona como 1/2 longitud de onda más alejada del punto focal que la zona anterior, Las ondas que emanan de cada zona sucesiva son 180 grados desfasados con los de la anterior zona. Por lo tanto, para obtener la amplitud de la forma de onda resultante en el punto focal la suma de las amplitudes de las ondas de las zonas "pares" deben restarse de la suma de los de zonas "impares". Sin embargo, el ángulo creciente de cada Formas de zonas sucesivas con respecto a la horizontal nos obliga a tomar un adicional Tenga en cuenta la consideración. ese angulo provoca ondas de cada zona sucesiva. sean más débiles que los de la anterior zona. Por lo tanto, la amplitud de AT resultante se describe mediante la ecuación:
AT = 1/2 A1
El avance de Fresnel fue darse cuenta que podría construir una placa para bloquear las contribuciones desde zonas alternas, para que todas las ondas que se encuentran en el punto focal interfieran constructivamente y nadie lo haría interferir destructivamente. Entonces la amplitud total debe estar dada por la ecuación:
AT =A1 + A3 + A5 + . . . + A19
Aunque la amplitud en el punto focal sin la placa de zona -o lente- era solo 1/2 A1. la amplitud con la placa de zona en su lugar es casi 10 x A1, casi veinte veces la ganancia sin la lámina . En decibelios, la ganancia teórica, G, para la lente se muestra en la siguiente ecuación, donde N = el número de zonas:
G = 20 log10 N
En la Tabla I vemos como aumenta la ganancia con el número de zonas. Tan solo dos zonas dan una ganancia de 6 dB: una antena de veinte zonas proporciona una ganancia de 26 dB.
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Duplicar el número de zonas a 40 aumenta la ganancia a 32 dB. Finalmente, La lente de 160 zonas aumenta la ganancia a 44 dB. Por lo tanto, cada aumento de 6 dB en la ganancia requiere que se duplique el número de zonas. Tenga en cuenta que la ganancia varía independientemente del diámetro de la lente. Eso difiere claramente del plato parabólico, donde la ganancia del mismo está específicamente relacionado con el diámetro del plato. Para una lente Fresnel con radio exterior constante, aumentando el número de zonas hará que la ganancia aumente, hasta que el ancho de la zona se acerque la longitud de onda de la señal. entonces En este punto, la lente será esencialmente transparente a la señal. Sin embargo, al igual que con un plato parabólico, el diametro de la lente afecta la resolución, lo cual, en este contexto, es la capacidad de distinguir señales de uno de varios satelites muy proximos.
Hasta ahora hemos examinado nuestra lente. sólo de lado. Visto de frente, las zonas se convierten en una serie de circulos concéntricos, como se muestra en la Fig. 3. Esa lente tiene 12 zonas, 8 soportes radiales y una ganancia de 21 dB. Las zonas pares son sombreados, lo que indica que son transparentes a las frecuencias de interés.
Frente de la antena de lentes de madera. las areas no
sombreadas se cortarian en una lente real.
Diseñando una lente Fresnel
La tabla 2 muestra el radio de los circulos concéntricos (R1 a R20) utilizados en una lente con 20 zonas y un diámetro exterior de 244 cm, o unos 8 pies. La columna denominada RADIO de CORTE muestra el creciente radio de los círculos concéntricos medidos en centímetros. (Usamos centímetros porque Es más fácil trabajar con unidades métricas que con pies y pulgadas.). (Los radios en bruto (raw radius) se expresan en unidades de raiz cuadrada del numero de radio).
Las cifras mostradas se obtuvieron dividiendo el radio máximo de la lente (en este caso 244/2, o 122 cm) por la raiz cuadrada del número de zonas de nuestra lente (en este caso 20) para obtener un factor de escala. Entonces si RM es el radio máximo y N es el número de zonas, el factor de escala puede calcularse de la siguiente manera:
F = RM / SQR(N)
El factor de escala para nuestro ejemplo, entonces, es igual a 122/4,47 = 27,29 (la raíz de 20 = 4,47). Ese factor de escala es el radio de la zona 1. Para obtener el radio de las zonas sucesivas, multiplicar la raíz cuadrada del número de zona por el factor de escala. Por tanto, el radio de la segunda zona es igual a 1,41 x 27,29 = 38,48; el radio de la tercera zona es igual a 1,73 x 27,29 = 47,21, y así sucesivamente. Tenga en cuenta que las raíces y los radios se redondean a la centésima más cercana, ya que el corte no puede ser más preciso que eso.
Es fácil calcular el radio de una lente con diferente diámetro o diferente número de anillos, o ambos. Simplemente sustituya los valores apropiados para RM y N, calcule el factor de escala y luego calcule el radio de cada anillo. Aunque los cálculos no son difíciles de hacer a mano, es posible que tengas que volver a hacerlos varias veces si estás experimentando con lentes de diferentes diámetros. con un número diferente de zonas, o ambas. Para simplificar el proceso hemos incluido un breve programa BÁSIC, que se muestra en la Tabla 3, que hará los cálculos por usted.
PROGRAMA BASIC (TABLA 3)
10 PRINT:PRINT
20 PRINT "HOW MANY ZONES";
30 INPUT N
40 PRINT "WHAT IS THE OUTSIDE RADIUS";
50 INPUT RM
60 PRINT
70 R1=INT(.5 + 100 * (RM/SQR(N)))/100
80 PRINT "R1:"; TAB(5);" 1.00"; TAB(12);R1
90 FOR X = 2 TO N
100 SX=INT(.5 + 100 * SQRT(X))/100
110 RS= INT (.5 + 100 * (R1 * SX))/100
120 PRINT "R:";X;TAB(6);SX;TAB(12);RS
130 NEXT X
140 PRINT:PRINT
150 END
En la línea 70 se calcula el factor de escala y se almacena en la variable R1. Sumar 0,5, multiplicar por 100 y luego dividir por 100 garantiza que el valor de R1 se redondee correctamente. El mismo "truco" se utiliza en la línea 100, que calcula la raíz cuadrada del radio actual, y en la línea 110, que calcula su radio de corte. Después de comprobar tus cálculos, marca la circunferencia de cada círculo en tu material de trabajo. Para garantizar que Los círculos están dibujados con precisión, primero marca el radio de las zonas; hazlo en varios lugares. Luego, clava un clavo en el centro del lente y ata un lápiz a ese clavo usando un trozo de hilo no elástico (o hilo de pescar) de modo que la longitud del hilo entre los dos sea igual al radio de la primera zona. Finalmente, dibuja el círculo usando el lápiz . El propósito de marcar el radio en varios lugares es para asegurar que el hilo no se desliza ni se estira. Si el lápiz lo hace no pasarà por cada lugar donde El radio ha sido marcado, el círculo no será "verdadero" y debe volver a dibujarse. Una vez que tu estás satisfecho de que el círculo es preciso, repita, con la longitud del hilo igual al radio de la segunda zona. y Continuar de esa manera hasta que se dibujen todos los círculos necesarios.
Ahora debes pintar las zonas pares y verificar que tu lente corresponda al patrón que se muestra en la Fig. 3. Si estás satisfecho, introduce los soportes radiales. Se utiliza para sostener los círculos concéntricos de la lente juntos una vez que Se ha quitado la madera contrachapada, asegurándose de que los soportes coincidan con cualquier refuerzo en la parte posterior de la lente. (Si la lente es lo suficientemente grande como para construirla usando dos láminas de material colocadas una al lado de la otra, Las dos hojas se deben unir usando tirantes radiales). Pinte esos soportes radiales también, y antes de cortar, verificar nuevamente que su lente corresponde a la mostrada en la figura 3. Finalmente, recorta y retira con cuidado las zonas impares; Asegúrate de que No cortes también los soportes radiales! Si has seguido bien las instrucciones anteriores, entonces sólo las áreas sin pintar deben ser eliminadas. Para completar la lente, será necesario cubrirlo con pintura metalizada para evitar que pase la señal del satélite a través de las zonas pares, frustrando su propósito. Varias capas de pintura de aluminio de buena calidad deberían proporcionar un blindaje adecuado, así como alguna protección contra la intemperie.
Calcular la distancia focal
Mientras se seca la pintura, puedes comenzar a Averiguar dónde están los puntos focales de la lente. Mentira!. Para poder hacer eso. tendrás que calcular el punto focal de la lente.
Suponiendo que esté interesado en recibir señales de banda C, las frecuencias de enlace descendente varían entre 3.700 GHz y 4.180 GHz, dependiendo del transpondedor. Para calcular lalongitud focal requerida, necesitamos saber la longitud de onda de las señales descendentes. Eso se encuentra dividiendo 30 por la frecuencia,f. donde f es medido en GHz:
lambda (cm) = 30/f
La longitud de onda varía de aproximadamente 7,18 a 8,11 cm para esas frecuencias. el foco, longitud o distancia desde la lente hasta el El punto de alimentación, para una lente Fresnel, viene dado por la fórmula:
F = (R1)^2/lambda
donde R1 es el radio del circulo mas interno en la lente y F es la distancia focal.
Puede calcular la distancia focal en cualquier unidad que desee (pies, pulgadas, centímetros); solo sea constante. Si especifica la longitud de onda en centímetros, entonces R1 también debe estar en centímetros: por supuesto, el resultado final deberà también estar en centímetros.
La distancia focal de la lente descrita en La Tabla 1 oscilará entre 91,83 cm para el transpondedor 1 y 103,72 cm para el transpondedor 24. El centro de esa banda cae a 97,28 cm. Esa es la distancia focal que se utiliza para nuestra configuración. Tenga en cuenta que la variación en cualquiera de los dos lados de esa frecuencia central a los bordes de la banda son de 5,95 cm; la variación total es 11,9 centímetros. La mayoría de las guías de ondas comerciales tienen bastante profundidad. Por lo tanto, para garantizar que todas las distancias focales caen dentro del área de la guía de ondas, todo lo que hay que hacer es medir 5,95 cm desde la abertura de la guía de ondas, marque ese punto en la carcasa y monte la bocina de alimentación de modo que El punto está a 97,28 cm de la lente.
Todos los satélites de televisión están ubicados en una órbita geoestacionaria a unas 22,279 millas sobre el ecuador; esa órbita se conoce como cinturon de Clarke. Para apuntar la lente, tienes que encontrar En qué parte del cielo se encuentra el cinturón de Clarke en relación con su ubicación. Esto se hace de la misma manera que con un reflector parabólico. Si no está familiarizado con el procedimiento, consulte "Instalación de su propio TVRO" en los Números de junio y julio de 1985 de Radio-Electronies.
En el seguimiento entre satélites en el Cinturón Clarke, La lente Fresnel ofrece una gran ventaja sobre las antenas parabólicas. Con las antenas, se debe mover todo el conjunto de antena y alimentador cuando desee enfocar en un satélite diferente. Esto se debe a que un plato parabólico de este tipo sólo puede enfocar un objeto a la vez. Pero una lente Fresnel puede centrarse en varios objetos a la vez, cada uno con su propio punto focal. Así para recibir un satélite diferente, todo lo que necesita, lo que hay que hacer es mover la alimentación al punto focal apropiado. Una vez que tenga Su lente apuntada a la región correcta del cielo, tendrás que experimentar para ver muchos satélites en los que puedes enfocarte, y donde caen sus puntos focales. (Al hacer Así que recuerda que cada punto focal será en la distancia focal de su lente.) Si desea recibir satélites ubicados en los extremos del cinturón, puede volver a apuntar todo el conjunto de lente y alimentación, como lo haría con un reflector parabólico estándar.
Otras consideraciones
La lente requiere el mismo tipo de soporte fuerte y sin vibraciones utilizado para Platos parabólicos de calidad. Además, cuidado Se debe tomar medidas para garantizar que el foco, El punto no está obstruido por ningún montaje. aparato, o el borde del alimentador. Para decidir si un fresnell es adecuado para tu solicitud, debes considerar dos cosas. Primero, como vimos anteriormente, la ganancia de La lente es función del número de zonas. Las limitaciones materiales probablemente restringiràn el número de zonas a menos de 80, y eso limita tu ganancia a algo menos de 38 dB; como comparación, eso es aproximadamente la ganancia de un plato de 6 a 8 pies. Por supuesto, cuantas menos zonas, menor será la ganancia. Lo que eso significa, por supuesto, es que un LNA de alta calidad (hoy usamos lnbf), uno con una clasificación de temperatura de ruido excepcionalmente baja, será necesario para obtener mejores resultados en un ubicación. Además, si te encuentras Ubicado en una de las areas de recepciones "marginales"(como Nueva Inglaterra o Florida), es probable que sólo puedas Recibir los transpondedores más potentes. En segundo lugar, como mencionamos anteriormente, La resolución de la lente depende en gran medida del diámetro de la lente. Como regla general, calcule que La lente tendrá que ser tan grande como la de los reflectores parabólicos que funcionan bien en su área. Quizás quieras experimentar un poco para Encontrar un diámetro apropiado para tu lente.
Afortunadamente, trabajar con madera contrachapada hace que dicha experimentación sea relativamente barata. Como habrás adivinado por la sección de teoría presentada anteriormente, bloqueando sacar el número par o impar de las zonas producirán la misma ganancia. En áreas de luz solar brillante, es posible que desees cortar y Sacar las zonas pares y deja las zonas impares incluida la zona central, en lugar . Esto evitará que la radiación ddl sol entre directamente en el alimentador. Si construyes tu lente de esa manera, recuerda que debes diseñarlo para que tenga un número impar de zonas (es decir, 21 en lugar de 20). La lente tiene más de una longitud focal. Hay señales cada vez más débiles en F/3, F/5 y F/7, pero su intensidad disminuye rápidamente debido a una cantidad cada vez mayor de interferencia destructiva.
La lente puede estar construida a partir de materiales distintos del contrachapado. Cuanto más fino sea el material del que está hecha la lente, más cercana será su ganancia a lo teórico. La única restricción es que el material debe poder resistir las condiciones climáticas locales, como además de ser opaco a las frecuencias de microondas. Hemos especificado madera contrachapada (cubierta con pintura de aluminio), pero malla con orificios de 3/8 de pulgada o más pequeños podrían ser usados . Además, se podrían utilizar chapa o fibra de vidrio recubierta de aluminio o plexiglás".
CONTINUARÂ
Saludos Cordiales
FTApinamar
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