diseño y simulación de antenas impresas para nanosatélites
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Diseño y Simulación de Antenas
Impresas para Nanosatélites
Enock Gerardo de la Rosa Acosta
Dr. Jorge Simón Rodríguez
Centro de Investigación y Desarrollo en Telecomunicaciones Espaciales, Universidad Autónoma
de Zacatecas, Ramón López Velarde #801, tel.: 01(492) 925 6690 Ext. 4006
Resumen
El siguiente reporte representa el trabajo final de una investigación de 7 semanas de
duración realizado durante una estancia de verano de investigación por parte de la
Academia Mexicana de Ciencias realizado en el Centro de Investigación y Desarrollo en
Telecomunicaciones Espaciales en la Universidad Autónoma de Zacatecas. A lo largo de este
documento se explicara el tema de investigación: Diseño y Simulación de Antenas Impresas
para nanosatélites, se mostrara paso por paso lo realizado durante el tiempo de estancia y
se mostraran al final los resultados obtenidos.
Se hablaran de temas como: antenas, satélites, nanosatelites, antenas impresas, entre
otros. Se explicara paso a paso la secuencia que se realizó para elaborar una antena impresa
que va desde la simulación del modelo de la antena hasta la fabricación en físico de esta.
Índice
1. Introducción ................................................................................................................................ 4
2. Marco Teórico ............................................................................................................................. 5
2.1 ¿Qué es una antena? ................................................................................................................ 5
2.2 ¿Qué es un satélite? ................................................................................................................. 5
2.3 ¿Qué es un nanosatélite? ......................................................................................................... 5
2.4 Cubesat ..................................................................................................................................... 6
2.5 Fractales .................................................................................................................................... 6
2.6 Antenas fractales ...................................................................................................................... 6
3. Metodología ............................................................................................................................... 7
3.1 Software de simulación de antenas impresas ......................................................................... 7
3.2 Fabricación de la antena ........................................................................................................ 10
3.2 Mediciones de parámetros de antena en el laboratorio ...................................................... 12
4. Resultados ................................................................................................................................. 13
5. Conclusiones ............................................................................................................................. 14
6. Índice de ilustraciones .............................................................................................................. 15
7. Referencias ............................................................................................................................... 15
1. Introducción
“La miniaturización y la reducción del consumo energético son algunas de las tendencias
que están marcando el futuro de la carrera espacial.
Por esta razón, el desarrollo de plataformas espaciales diminutas, orientadas a la
investigación y desarrollo tecnológico, así como a cumplir cometidos específicos, en órbita
alrededor de la Tierra, es una actividad de enorme interés para el INTA.
Así, en los últimos años se han sentado las bases tecnológicas y de aplicación para
desarrollar una serie de pequeñas plataformas para demostración en órbita de nuevas
tecnologías emergentes, con cargas útiles científicas, de observación o comunicaciones con
instrumentos integrados de bajo peso y consumo.” [1]
Los nanosatélites son el resultado de la evolución de la tecnológica actual. Gracias a la
miniaturización de componentes y sistemas, mediante la cual es posible conseguir altas
prestaciones a cambio de un tamaño y un peso reducidos, se ha logrado un gran avance en
el desarrollo de estos satélites en miniatura.
Un ejemplo muy claro del gran avance que se ha logrado con estas investigaciones son los
CubeSats. Estos “mini satélites” son utilizados principalmente para investigaciones
científicas, pero se tiene planteado que con el paso del tiempo y el desarrollo de la
tecnología los CubeSats cumplan con funciones mucho más complejas.
Un CubeSat se caracteriza por cumplir con una serie de especificaciones que a su vez buscan
cumplir varios objetivos específicos. La primera de estas es que debe ser un satélite de bajo
costo que se logra mediante la simplificación de la estructura, en el año 2004 los CubeSats
podían ser construidos y lanzados por un costo estimado entre los $60,000 y los $80,000
dólares, un precio muy accesible comparado con los millones que cuesta lanzar un satélite
convencional.
La segunda especificación es que debe cumplir con un estándar básico de 10x10x10 cm al
que se le denomina “1U” o “1 Unidad”. Si bien existen varios prototipos de CubeSats
basados en otros estándares como el “2U” con dimensiones de 20x10x10 cm y el “3U” con
dimensiones de 30x10x10 cm la tendencia hoy en día es seguir utilizando el “1U”.
Es importante tener varios conceptos en cuenta ya que a lo largo de este documento vamos
a introducirnos por completo en los temas de antenas y nanosatelites, la finalidad de esta
investigación es poder construir una antena impresa para un nanosatelite de 10x10x10 cm
que genere una buena respuesta y se realice en un periodo no mayor de 7 semanas de
duración.
2. Marco Teórico
2.1 ¿Qué es una antena?
Una antena es un dispositivo que se encarga de recibir y/o enviar ondas electromagnéticas
hacia el espacio libre, también tiene la función de convertir ondas de radiofrecuencia en
corriente eléctrica y viceversa [2].
Existen varios tipos de antenas pero entre las más conocidas se encuentran: Antena
colectiva que es una antena receptora que mediante el uso de distribuidores permite que
sea utilizada por diversos usuarios, las antenas de reflector o parabólica que son utilizadas
comúnmente para la transmisión y recepción vía satélite, las antenas lineales, antenas
dipolo de media onda que son de las más utilizadas en frecuencias arriba de 2MHz y la
antena Yagi que se utilizan generalmente en la recepción de señales de televisión
Las antenas utilizan una serie de parámetros de los cuales los principales son: ancho de
banda, directividad, ganancia, eficiencia, polarización, entre otros.
2.2 ¿Qué es un satélite?
Un satélite artificial es un cuerpo celeste que orbita alrededor de un planeta mientras que
un satélite artificial es un objeto enviado al espacio el cual mantiene una órbita con algún
planeta o cuerpo celeste [3].
Las funciones principales de un satélite generalmente son: transmisión de televisión
satelital, reportes climáticos, transmisiones en directo, llamadas telefónicas, estudios de
galaxias y cuerpos celestes, predicción de fenómenos geológicos, entre otras.
2.3 ¿Qué es un nanosatélite?
Un nano satélite básicamente es un satélite en forma
reducida. Su fabricación consiste en la miniaturización
de los componentes y sistemas de un satélite
convencional. Su nombre se debe a la escala en tamaño
de los satélites convencionales [4].
Ilustración 1. Nanosatelite desarrollado por la empresa Satellogic.
2.4 Cubesat
Un cubesat es un proyecto que data del año 1999 el cual consiste en crear nanosatelites de
bajo costo y mandarlos al espacio con la finalidad de recabar información del espacio o de
la tierra. El nombre de cubesat se debe a la forma de cubo que se emplea para armar estos
nanosatélites, con dimensiones de 10cm x 10cm x 10cm y un peso aproximado de 1.3 kg
[5].
Ilustración 2. Estructura de un CubeSat.
2.5 Fractales
Los fractales son objetos geométricos con formas irregulares y autosimilares. Se dicen que
son figuras irregulares ya que no cuentan con una forma definida y de igual manera se dice
que son autosimilares ya que están formadas por copias de sí misma en escalas más
pequeñas que se repiten. Esta propiedad permite que las estructuras de estas figuras se
vean iguales por mucho que uno se aleje o se acerque a ellas [6].
2.6 Antenas fractales
Una antena fractal es de multifrecuencia o multibanda, se le llama antena fractal porque
tiene una forma autosimilar, es decir, se compone de partes de la misma forma pero en
escalas más pequeñas [6].
Las antenas fractales tienen varias ventajas que las hacen destacar de las demás antenas,
pero de todas ellas las más significativas son que se puede reducir el tamaño de la antena
mucho más de lo habitual y que en la misma antena se pueden introducir múltiples bandas,
de tal manera que la misma antena se pueda reutilizar para varios servicios de
comunicaciones, son puntos importantes que se deben de tomar en cuenta si vas a fabricar
una antena.
Existen diferentes tipos de antenas fractales de las cuales destacan las antenas fractales
compuestas (que se utilizan en comunicaciones y transmisión de imágenes), las antenas
fractales en bucle, las antenas fractales en bucles resonantes y las antenas fractales de
Sierpinski.
3. Metodología
3.1 Software de simulación de antenas impresas
Después de una pequeña introducción al tema de antenas y satélites nos dimos a la tarea
de utilizar un software de simulaciones computacionales de antenas.
Ilustración 4. Grafica de la frecuencia generada por una antena dipolo de 5cm.
Ilustración 3. Antena Fractal
Durante las primeras semanas utilizamos un software de simulaciones computacionales de
antenas para realizar la primera simulación de antenas. En este caso se realizó una antena
dipolo de 5 cm aproximadamente. Este primer ejercicio nos sirvió como una introducción al
software de simulación, para familiarizarnos con las herramientas que nos proporciona el
programa.
Ilustración 5. Patrón de radiación tridimensional de la antena dipolo.
Una vez terminado el modelo de la antena dipolo se realizaron una serie de pruebas en
diferentes materiales de sustrato para ver su reacción y se graficaron los resultados que
arrojaron cada uno de ellos:
Ilustración 6. Tabla comparativa de los resultados que arrojan los distintos materiales de sustrato utilizados en la simulación.
Como podemos observar en la gráfica una vez que se realizaron las pruebas
correspondientes en el software se determinó que los materiales en los que mejor
respuesta daba la antena eran en el Duroid, ROGERS 3010 y ROGERS RT Duroid 5880.
Ya realizadas las pruebas en los materiales se estructuro la misma antena solo que en esta
ocasión aumentando considerablemente su tamaño llegando a los 13 cm aproximadamente
y colocada en diagonal para observar si arrojaba mejores resultados.
Ilustración 7. Antena dipolo de 13 cm en diagonal.
Ya estando familiarizados con el software de simulación se empezó a trabajar con una
antena basada en los modelos fractales de koch como la que se mira en la siguiente imagen:
Ilustración 8 Antena basada en el modelo Koch.
Una vez que se realizó el modelo y se generaron los resultados en el software de simulación
se reflejó una respuesta favorable por parte de esta antena así que se tomó la decisión de
fabricarla para poder realizar las pruebas correspondientes.
Como vimos al inicio el software de simulación de antenas utilizado en esta práctica nos
permite realizar la simulación de una antena y graficar sus resultados sin embargo no tiene
una herramienta de diseño así que fue necesario utilizar un software adicional para realizar
el diseño de la antena.
Ilustración 9. Diseño de una antena Koch.
Los softwares de simulaciones computacionales de antenas se convirtieron en una
herramienta esencial para el diseño de alta frecuencia y el diseño de componentes de alta
velocidad. Sus aplicaciones varían pero las más comunes son en embebidos y pasivos On-
chip y PCB, interconexiones, antenas y radiofrecuencia / componentes de microondas,
paquetes de circuitos integrados de alta frecuencia, EMC/EMI, dispositivos biomédicos, etc.
3.2 Fabricación de la antena
Material necesario:
Cloruro férrico para grabado de circuito impreso, de 220 ml
Placa fenólica de doble cara, de 10 x 10 cm
Hojas de transferencia para circuitos impresos
Plancha
Recipiente
Taladro con punta 1/16
Guantes
Thinner
Agua
1. Se realizó el diseño a escala de la antena.
2. Se imprimió el diseño en una hoja de transferencia para circuitos impresos.
3. La hoja se coloca y se pega a la placa fenólica de manera que el lado donde se
encuentra el diseño impreso quede pegado a la capa de cobre de la placa (ilustración
11).
4. Se procede a planchar la placa por encima de la hoja durante 20 minutos
aproximadamente.
5. Una vez terminado el tiempo de planchado y después de que la pieza se enfrié se
procede a quitar la hoja con ayuda de un poco de agua para tener el diseño impreso
en la placa fenólica (ilustración 12).
6. Después de desprender la hoja se coloca la placa en un recipiente y se le vierte una
porción de agua por cada dos porciones de cloruro férrico. El cloruro férrico
desprenderá el cobre sobrante de la placa y ayudara a que únicamente se quede el
estampado de la antena (ilustración 13 y 14).
7. Una vez terminado el paso anterior se enjuaga la placa con agua eliminando el
exceso de ácido, después con ayuda de un pañuelo o una esponja se quita la tinta
de la impresión con ayuda del thinner (ilustración 15).
8. Se coloca la placa en una base estable y con la ayuda de un taladro con punta de
1/16 se hacen los orificios del conector, en este caso nuestro conector será de 5
puntos con una medida de .5 cm entre punto y punto (ilustración 16).
9. Ya perforada la antena se procede a soldar con mucho cuidado el conector a la placa
fenólica con ayuda de un cautín.
Ilustración 10 Planchado de la antena.
Ilustración 11 Antena después del planchado.
Ilustración 12 Antena sumergida en acido.
Ilustración 13 Antena después de sacarla del acido
Ilustración 14 Antena después de quitarle la tinta.
Ilustración 15 Se realizan los orificios para el conector con un taladro.
3.2 Mediciones de parámetros de antena en el laboratorio
Una vez fabricada la antena se realizaron las pruebas correspondientes y se analizó el
parámetro S11que arrojaba la antena en el laboratorio con la ayuda de un analizador de
redes Keysight de 10MHz-26.5GHz
Ilustración 16. Medición de parámetros y pruebas finales de la antena ya terminada.
4. Resultados
La antena mostro una buena respuesta en las pruebas finales, como podemos comprobar en las
siguientes imágenes, la antena fue diseñada para un radiotransmisor con una frecuencia de 436.5
MHz. Los resultados finales que muestra el analizador de redes son muy parecidos a las gráficas que
arrojo el software de simulación de antenas por tanto que los resultados de la antena al final fueron
favorables.
Ilustración 17. Grafica del parámetro S11 en el software de simulación.
Ilustración 18. Grafica del parámetro S11 de la antena en el analizador de redes.
Ilustración 19. Antena ya terminada junto a la gráfica del parámetro S11 de la antena que arrojo analizador de redes.
5. Conclusiones
Como ya sabemos el mundo se maneja a través de las telecomunicaciones, el gran
desarrollo tecnológico que se ha logrado hasta ahora en gran parte es gracias a los satélites
que se han venido desarrollando y posteriormente puesto en órbita en los últimos años, sin
embargo hoy en día existe una gran tendencia por desarrollar satélites más avanzados y de
mayor cobertura para poder seguir cosechando un mejor desarrollo tecnológico. Un
problema que impide que se lleve a cabo estos proyectos son los altos precios que conllevan
la fabricación de estos satélites, es por eso que se propuso en años anteriores la fabricación
de mini satélites que permitan resolver esta problemática.
Durante mi estancia de verano pude darme cuenta del gran impacto que han generado
estas nuevas tecnologías y la importancia que tendrán en los próximos años. La fabricación
de esta antena impresa podría verse como algo muy simple y concreto, sin embargo gracias
a esta investigación me llevo una grata experiencia y una gran cosecha de conocimientos
que espero puedan reflejarse durante mi carrera profesional.
6. Índice de ilustraciones
Ilustración 1. Nanosatelite desarrollado por la empresa Satellogic. .................................................. 5
Ilustración 2. Estructura de un CubeSat. ............................................................................................. 6
Ilustración 3. Antena Fractal ............................................................................................................... 7
Ilustración 4. Grafica de la frecuencia generada por una antena dipolo de 5cm. .............................. 7
Ilustración 5. Patrón de radiación tridimensional de la antena dipolo. ............................................. 8
Ilustración 6. Tabla comparativa de los resultados que arrojan los distintos materiales de sustrato
utilizados en la simulación. ................................................................................................................. 8
Ilustración 7. Antena dipolo de 13 cm en diagonal. ............................................................................ 9
Ilustración 8 Antena basada en el modelo Koch. ................................................................................ 9
Ilustración 9. Diseño de una antena Koch. ........................................................................................ 10
Ilustración 10 Planchado de la antena. ............................................................................................. 11
Ilustración 11 Antena después del planchado. ................................................................................. 11
Ilustración 12 Antena sumergida en acido. ....................................................................................... 11
Ilustración 13 Antena después de sacarla del acido ......................................................................... 12
Ilustración 14 Antena después de quitarle la tinta. .......................................................................... 12
Ilustración 15 Se realizan los orificios para el conector con un taladro. ........................................... 12
Ilustración 16. Medición de parámetros y pruebas finales de la antena ya terminada. .................. 12
Ilustración 17. Grafica del parámetro S11 en el software de simulación. ........................................ 13
Ilustración 18. Grafica del parámetro S11 de la antena en el analizador de redes. ......................... 13
Ilustración 19. Antena ya terminada junto a la gráfica del parámetro S11 de la antena que arrojo
analizador de redes. .......................................................................................................................... 14
7. Referencias
[1] «Instituto Nacional de Tecnica Aeroespacial,» 2009. [En línea]. Available:
http://www.inta.es/programasAltaTecnologia.aspx?Id=1&SubId=2. [Último acceso: 29 Junio
2016].
[2] J. Anguera y A. Pérez, «La Salle Online,» 2008. [En línea]. Available:
http://www.salleurl.edu/semipresencial/ebooks/ebooks/ebook_teoria_antenas.pdf. [Último
acceso: 28 Junio 2016].
[3] I. Valenzuela, «Batanga,» [En línea]. Available:
http://www.batanga.com/curiosidades/6750/que-es-un-satelite. [Último acceso: 29 Junio
2016].
[4] E. L. Benarroch, «El comercio,» 02 Mayo 2015. [En línea]. Available:
http://www.elcomercio.com/tendencias/nanosatelites-carreraaeroespacial-espacio-israel-
ciencia.html. [Último acceso: 29 Junio 2016].
[5] «CubeSat Design Specification,» [En línea]. Available:
file:///C:/Users/enock/Downloads/cubesat_standard%20(1).pdf. [Último acceso: 29 Junio
2016].
[6] L. Calderon, «Documents.mx,» 30 Junio 2015. [En línea]. Available:
http://documents.mx/documents/antena-fractal.html. [Último acceso: 29 Junio 2016].