SISTEMAS_SATELITALES

7/25/2019 SISTEMAS_SATELITALES

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REDES SATELITALES


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En su forma ms simple, un satlite de comunicaciones sepuede considerar como un enorme repetidor demicroondas en el cielo.

De acuerdo con la ley de Kepler, el periodo orbital de un

satlite vara segn el radio de la rbita a la 3/2 potencia.Entre ms alto est el satlite, ms largo es el periodo.Cerca de la superficie de la Tierra, el periodo es deaproximadamente 90 minutos. En consecuencia, lossatlites con rbitas bajas desaparecen de la vista conbastante rapidez, aunque algunos de ellos son necesariospara proporcionar una cobertura continua.

A una altitud de cerca de 35,800 km, el periodo es de 24horas. A una de 384,000 km, el periodo es cercano a unmes.


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El periodo de un satlite es importante, aunque

no es el nico punto para determinar dnde

colocarlo.

Otro aspecto es la presencia de los cinturones deVan Allen, capas de partculas altamentecargadas de energa, atrapadas por el campo

magntico de la Tierra. Cualquier satlite quevuele dentro de ellas sera destruido rpidamente

por las partculas con una alta carga de energa.


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Del anlisis de estos factores resulta que hay tres

regiones para colocar con seguridad los satlites.


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Caractersticas generales

Flexibilidad Posibilidad de cobertura mundial.

Comunicaciones para reas aisladas y con dificultades geogrficas.

Facilidad para reconfiguracin y cambios de trafico.

Rpido establecimiento de redes.

Posibilidad de comunicaciones eventuales.

Mltiples Servicios

Enlaces fijos (punto a punto) para voz, imgenes, datos, multimedia.

Rutas alternativas y de reserva.

Distribucin (punto a multipunto), radiodifusin (Audio, TV, datos).

Recoleccin (multipunto punto). Capacidad de acceso mltiple (multipunto a multipunto).

Coste de las comunicaciones independiente de la distancia.

Retardo temporal importante.


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Los satlites de comunicaciones tienen diversaspropiedades radicalmente distintas a las de los enlacesterrestres de punto a punto.

Para empezar, aun cuando las seales hacia y desde un

satlite viajan a la velocidad de la luz (cerca de 300,000km/seg), el largo viaje de ida y vuelta provoca unretardo sustancial para los satlites GEO. Dependiendode la distancia entre el usuario y la estacin terrestre,as como de la elevacin del satlite en el horizonte, el

tiempo de trnsito de un extremo al otro es de entre250 y 300 mseg. Un valor comn es de 270 mseg (540mseg para un sistema VSAT con una estacin central).


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Con propsitos de comparacin, los enlaces

terrestres de microondas tienen un retardo de

propagacin de casi 3 seg/km, en tanto que

los enlaces de cable coaxial o la fibra ptica

tienen un retardo de aproximadamente 5

seg/km. El ltimo es ms lento que el

primero debido a que las sealeselectromagnticas viajan ms rpido en el aire

que en materiales slidos.


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Otra propiedad importante de los satlites es que

son esencialmente medios de difusin. No cuestams enviar un mensaje a miles de estacionesdentro de la huella de un transpondedor de loque cuesta enviarlo a una sola estacin. Esta

propiedad es muy til para algunas aplicaciones.Por ejemplo, es posible que un satlite difundapginas Web populares a los cachs de una grancantidad de computadoras diseminadas en un

rea amplia. Aun cuando la difusin se puedesimular con lneas punto a punto, la difusin porsatlite es mucho ms econmica.


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Por otro lado, los satlites son un verdadero desastre en elaspecto de seguridad y privacidad: cualquiera puedeescuchar todo. La encriptacin es esencial cuando serequiere seguridad.

Los satlites tambin tienen la propiedad de que el costode transmitir un mensaje es independiente de la distanciaque se recorra. Una llamada al otro lado del ocano tiene elmismo costo que una al otro lado de la calle.

Los satlites tambin cuentan con excelentes tasas de errory se pueden desplegar de manera casi instantnea, unaspecto importante para las comunicaciones militares.


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Evolucin de los Sistemas de Comunicaciones MvilesSatelitales


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Servicios y redes satelitales

Servicio fijo por satlite (FSS) Enlace entre puntos fijos.

Telefona, televisin, datos

Enlaces internacionales

Servicios mviles por satlite. (MSS)

Terrestre (LMSS) Martimo (MMSS)

Aeronutico (AMSS)

Servicio de radiodifusin por satlite. (BSS) Distribucin de seales de audio y video (DBS)

Difusin directa a los hogares (DTH) Redes de transmisin de datos.

Redes publicas y privadas con estructura en estrella o malla. Terminales VSAT

Servicios multimedia: Integracin de voz, imgenes, datos.


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Orbitas

Orbita terrestre geoestacionaria (GEO) Circular con periodo igual al de la Tierra

(24 horas). Altura aprox. 36000 km

Tiempo de propagacin. (270 ms i/v)

Orbita media (MEO)

Altitud 10000 km. Periodo: 6 horas Tiempo de propagacin es alto

Orbita baja (LEO): Altitud de 2000 a 4000 km y poseen un periodo de 90 minutos.

Tiempo de propagacin de la seal bajo.

Correcciones continuas de la orbita debido al efecto de laatmosfera.

Orbita muy elptica (HEO) Perigeo a unos 500 km y el apogeo a 50000. Las orbitas inclinadas

63,5 grados. El periodo varia de las 8 a las 24 horas.


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Satlites geoestacionarios

Con la tecnologa actual, es poco aconsejable utilizar satlitesgeoestacionarios espaciados a menos de dos grados en el plano ecuatorialde 360 grados para evitar interferencia. Con un espaciamiento de dosgrados, slo puede haber 360/2 = 180 de estos satlites a la vez en elcielo. Sin embargo, cada transpondedor puede utilizar mltiplesfrecuencias y polarizaciones para incrementar el ancho de banda

disponible. Los satlites modernos pueden ser bastante grandes, pesar hasta 4000 kg

y consumir varios kilowatts de electricidad producida por paneles solares.La gravedad del Sol, la Luna y los planetas tiende a desplazar a los satlitesde sus rbitas y orientaciones asignadas, efecto contrarrestado por losmotores turbo integrados de los satlites. Esta actividad de ajuste se

conoce como control de la posicin orbital. Sin embargo, cuando setermina el combustible de los motores, por lo general a los 10 aos, elsatlite navega a la deriva y cae sin remedio, por lo cual es necesariodesactivarlo.

Con el tiempo, la rbita se deteriora y el satlite reingresa a la atmsfera yse incendia o en ocasiones se estrella contra la Tierra.


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La ITU ha asignado bandas de frecuencia especficas a los usuarios de satlites.

Para permitir que el trfico fluya en ambos sentidos al mismo tiempo, se requierendos canales, uno para cada sentido.


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Un satlite moderno tiene alrededor de 40transpondedores, cada uno con un ancho de banda de80 MHz. Por lo general, cada transpondedor operacomo un tubo doblado, pero algunos satlites recientes

tienen capacidad de procesamiento a bordo, lo cual lespermite una operacin ms refinada.

La divisin de los transpondedores en canales eraesttica en los primeros satlites: el ancho de banda sedivida simplemente en bandas de frecuencia fija. En

nuestros das, cada haz del transpondedor se divide enranuras temporales, y varios usuarios su turnan parautilizarlo.


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Los primeros satlites geoestacionarios tenan un solo haz espacialque iluminaba cerca de un tercio de la superficie de la Tierra, al cualse le conoce como huella. Con la considerable reduccin en precio,tamao y requerimientos de energa de los componentesmicroelectrnicos, se ha vuelto posible una estrategia de difusin

mucho ms refinada. Cada satlite est equipado con mltiplesantenas y transpondedores. Cada haz descendente se puedeconcentrar en un rea geogrfica pequea, de tal forma que esposible llevar a cabo simultneamente una gran cantidad detransmisiones hacia y desde el satlite. Normalmente, estos haces,conocidos como haces reducidos, tienen forma elptica y pueden

ser tan pequeos como algunos cientos de kilmetros. Por logeneral, un satlite de comunicaciones para los Estados Unidos deAmrica tiene un haz ancho para los 48 estados contiguos y hacesreducidos para Alaska y Hawai.


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VSAT

Un avance reciente en el mundo de los satlites decomunicaciones es el desarrollo de microestaciones de bajocosto, llamadas VSATs (Terminales de Apertura MuyPequea).

Estos diminutos terminales tienen antenas de un metro oms pequeas (en comparacin con los 10 metros quemide una antena GEO estndar) y pueden produciralrededor de un watt de energa.

Por lo general, el enlace ascendente funciona a 19.2 kbps,pero el enlace descendente funciona con frecuencia a 512kbps o ms. La televisin de difusin directa por satliteutiliza esta tecnologa para transmisin unidireccional.


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En muchos sistemas VSAT, las microestaciones no tienen suficientepotencia para comunicarse directamente una con la otra (a travsdel satlite). En vez de ello, como se muestra en la figura, esnecesaria una estacin especial en tierra, la estacin central, quecuenta con una antena grande, para retransmitir el trfico entreVSATs. En este modo de operacin, el emisor o el receptor tienenuna antena grande y un amplificador potente. La desventaja es queexiste un retardo ms prolongado al contar con estaciones deusuario ms econmicas.


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Satlites de rbita Terrestre Media

Los satlites MEO (rbita Terrestre Media) se encuentrana altitudes mucho ms bajas, entre los dos cinturones deVan Allen. Vistos desde la Tierra, estos satlites sedesplazan lentamente y tardan alrededor de seis horas paradar la vuelta a la Tierra.

Por consiguiente, es necesario rastrearlos conforme sedesplazan. Puesto que son menores que los GEO, tienenuna huella ms pequea y se requieren transmisoresmenos potentes para alcanzarlos.

Hoy en da no se utilizan para telecomunicaciones.

Los 24 satlites GPS (Sistema de Posicionamiento Global) que orbitan a cerca de 18,000 km son ejemplos de

satlites MEO.


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Satlites de rbita Terrestre Baja

En una altitud ms baja encontramos a los satlitesLEO (rbita Terrestre Baja).

Debido a la rapidez de su movimiento, se requierengrandes cantidades de ellos para conformar un sistema

completo. Por otro lado, como los satlites se encuentran tan

cercanos a la Tierra, las estaciones terrestres nonecesitan mucha potencia, y el retardo del viaje de iday vuelta es de tan slo algunos milisegundos.

Examinaremos tres ejemplos, dos sobre lascomunicaciones de voz y uno sobre el servicio deInternet.


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Iridium

El negocio de Iridium era (y es) ofrecer servicio detelecomunicaciones en todo el mundo a travs dedispositivos de bolsillo que se comunican directamentecon los satlites Iridium.

Proporciona servicio de voz, datos, bsqueda depersonas, fax y navegacin en cualquier parte, sea entierra, mar y aire. Entre sus clientes estn las industriasmartima, de la aviacin y exploracin petrolera, ascomo personas que viajan a partes del mundo que

carecen de infraestructura de telecomunicaciones (porejemplo, desiertos, montaas, selvas y algunos pasesdel tercer mundo).


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Los satlites Iridium estn a una altitud de 750 km, enrbitas polares circulares. Estn dispuestos en forma decollar de norte a sur, con un satlite a cada 32 grados

de latitud. La Tierra completa se cubre con seiscollares.


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Cada satlite tiene un mximo de 48 celdas (hacesreducidos), con un total de 1628 celdas sobre la superficie

de la Tierra, como se muestra en la figura anterior (b). Cada satlite tiene una capacidad de 3840 canales, o

253,440 en total.

Algunos de estos canales se utilizan para localizacin depersonas y navegacin, en tanto que otros, para datos yvoz.

Una propiedad interesante de Iridium es que lacomunicacin entre clientes distantes tiene lugar en elespacio, con un satlite retransmitiendo datos al siguiente,como se muestra en la siguiente figura (a). Vemos quequien llama est en el Polo Norte y hace contacto con unsatlite que se encuentra directamente arriba de l. Lallamada se retransmite a travs de otros satlites y porltimo es entregada al destinatario en el Polo Sur.


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Globalstar Globalstar es un diseo alterno para Iridium.

Se basa en 48 satlites LEO pero utiliza un esquema de conmutacindiferente al de Iridium.

En tanto que Iridium retransmite las llamadas de satlite en satlite, locual requiere un equipo de conmutacin refinado en los satlites,Globalstar utiliza un diseo de tubo doblado tradicional.

La llamada que se origin en el Polo Norte en la figura anterior (b) esdevuelta a la Tierra y recogida por la enorme estacin terrestre. Acontinuacin la llamada se enruta, a travs de una red terrestre, a laestacin terrestre ms cercana al destinatario y se entrega mediante unaconexin de tubo doblado como se muestra.

La ventaja de este esquema es que mucha de la complejidad queda entierra, donde es ms sencillo manejarla.

Asimismo, el uso de antenas grandes en las estaciones terrestres quepueden producir una seal potente y recibir una seal dbil, permite lautilizacin de telfonos de baja potencia. Despus de todo, el telfonoproduce tan slo unos cuantos miliwatts de potencia, por lo cual la sealque llega a las estaciones terrestres es sumamente dbil, aun cuando elsatlite la haya amplificado.


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Teledesic Iridium est destinada a usuarios de telfonos que se encuentran en lugares

extremosos, Teledesic, est destinada a usuarios de Internet de todo el mundodeseosos de ancho de banda. Fue concebida en 1990 por Craig McCaw, pionero de la telefona mvil, y por Bill

Gates, fundador de Microsoft, quienes estaban inconformes con el lento ritmo alcual las compaas telefnicas de todo el mundo proporcionaban ancho de bandaalto a los usuarios de computadoras.

La meta del sistema Teledesic es ofrecer a los millones de usuarios concurrentes

de Internet un enlace ascendente de hasta 100 Mbps y un enlace descendente dehasta 720 Mbps mediante antenas tipo VSAT pequeas y fijas, que ignoran porcompleto el sistema telefnico.

Para las compaas telefnicas esto es demasiado bello para ser realidad.

El diseo original consista en un sistema de 288 satlites de huella pequea,dispuestos en 12 planos justo debajo del cinturn inferior de Van Allen a unaaltitud de 1350 km. Posteriormente se modific el diseo a 30 satlites con huellas

ms grandes. La transmisin se realiza en la banda Ka, relativamente pocosaturada y con un ancho de banda alto. El sistema es de conmutacin de paquetesen el espacio, en el cual cada satlite tiene la capacidad de enrutar paquetes a lossatlites vecinos. Cuando un usuario necesita ancho de banda para enviarpaquetes, tal ancho de banda se solicita y asigna de manera dinmica en alrededorde 50 mseg.


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ELEMENTOS DE LAS REDES SATELITALES

Transponders: Es un dispositivo que realiza lafuncin de recepcin y transmisin. Cada

transpondedor se encarga de una parte del

espectro. Las seales recibidas son amplificadas

antes de ser retransmitidas a la Tierra. Para evitar

interferencias les cambia la frecuencia.

Los haces pueden ser amplios y cubrir una

fraccin sustancial de la superficie de la Tierra, oestrechos, y abarcar slo algunos cientos de

kilmetros de dimetro. Este modo de operacin

se conoce como de tubo doblado.


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Estaciones terrenas: Las estaciones terrenascontrolan la recepcin con el satlite y desdeel satlite, regula la interconexin entre

terminales, administra los canales de salida,codifica los datos y controla la velocidad detransferencia. Consta de 3 componentes:

Estacin receptora

Antena

Estacin emisora


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Estaciones Terrenas

Estacin receptora: Recibe toda la informacin generada en la estacintransmisora y retransmitida por el satlite.

Antena: Debe captar la radiacin del satlite y concentrarla en un focodonde esta ubicado el alimentador. Una antena de calidad debe ignorar lasinterferencias y los ruidos en la mayor medida posible. Estos satlites estnequipados con antenas receptoras y con antenas transmisoras. Por medio deajustes en los patrones de radiacin de las antenas pueden generarsecubrimientos globales, cubrimiento a solo un pas (satlites domsticos), oconmutar entre una gran variedad de direcciones.

Estacin emisora: Esta compuesta por el transmisor y la antena de emisin. Lapotencia emitida es alta para que la seal del satlite sea buena. Esta sealdebe ser captada por la antena receptora. Para cubrir el trayecto ascendenteenva la informacin al satlite con la modulacin y portadora adecuada.

Como medio de transmisin fsico se utilizan medios no guiados,principalmente el aire. Se utilizan seales de microondas para la transmisinpor satlite, estas son unidireccionales, sensibles a la atenuacin producidapor la lluvia, pueden ser de baja o de alta frecuencia y se ubican en el ordende los 100 MHz hasta los 10 GHz.


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CONFIGURACION DE UN ENLACE

SATELITAL


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ENLACE DE SUBIDA

Al descontar estas atenuaciones a la potencia original en el punto 1 y aadirle la ganancia de laantena receptora del satlite, quedar como una potencia Cen el punto 2.Dentro de su BW, la portadora recibir interferencias de RF y ruido. La potencia del ruido

acumulado se designa como Ny se referencia al punto 2, a la entrada del LNA.

De esta manera se obtiene la relacin potencia a ruido (C/N)U en el punto 2.

En la estacin transmisora

importa el amplificador depotencia HPA y la antena queradia la seal portadora

amplificada.

En el satlite, se consideran la

antena receptora y elamplificador de bajo ruido LNA

conectado despus de ella.En el trayecto de subida, la

portadora es atenuada por la:

propagacin en el espacio libre,

absorcin en la atmsfera,

lluvia, despolarizacin,

desalineacin de los ejes de las

antenas.


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EN EL TRANSPONDER

A mayor potencia de salida, mayor ruido de intermodulacin, por lo que, a bordo del satlite, se

define la relacin potencia de la portadora a ruido de intermodulacin, (C/N)I .

El valor de esta relacin de potencias lo especifica, por medio de grficas o tablas, el propio

fabricante del satlite.

La portadora, junto con

todo el ruido acumulado,

se procesa en el interior

del satlite, y antes de ser

transmitida a Tierra, se

amplifica con un HPA, que

puede ser un tubo de onda

viajera TWT o un

amplificador de estadoslido SSPA.

Si hay ms de una

portadora dentro del

amplificador, se producir

ruido de intermodulacin.


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ENLACE DE BAJADA

En el trayecto de bajada sucede lo mismo que en el de subida, slo que a la inversa. Del punto 3parte la portadora luego de ser amplificada por el HPA y la ganancia directiva de la antena del

satlite.

Conforme desciende, se atena por las mismas razones que en el enlace de subida, y al llegar a la

estacin receptora, despus de ser amplificada por la antena, queda "algo" de potencia C

inmediatamente antes de la entrada al LNA.

Tambin se introducir ruido de diversas fuentes dentro del BW de la portadora, y se calcula la

relacin de potencias (C/N)D . La frecuencia de la portadora en el enlace descendente es diferentea la del ascendente, de modo que los niveles de atenuacin y de ruido tambin son diferentes.


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ATENUACION EN EL ESPACIO

LIBRE


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Las prdidas de potencia ms grandes se deben a la enorme distanciaentre el satlite y las estaciones terrenas. Aunque su valor exacto dependede la frecuencia, tales prdidas son del orden de 200 dB en subida y otros

200 dB en bajada, para satlites GEO. A sta disminucin de potencia se le refiere como atenuacin por

propagacin en el espacio libre, y la ecuacin que permite es la ecuacinde transmisin de Friis.

Si la antena transmisora no fuera directiva, sino isotrpica, la potencia PTse distribuira de manera uniforme en un frente de onda esfrico; a una

distancia r desde la antena. La superficie esfrica sobre la que dicha potencia estara distribuida

tendra un rea igual a 4r2, y por cada unidad de superficie habra unacierta densidad de flujo de potencia, Si.


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Directividad

Sin embargo, la antena

transmisora no esisotrpica sino directiva,

con una ganancia GT ,

mxima en la direccin

hacia el satlite. Esta

ganancia amplifica la

densidad de potencia.

PIRE: Al producto PT x GT se le designa como potencia radiada isotrpicaefectiva PIRE (o EIRP), cuyos valores se dan en dBW.


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rea Efectiva de Absorcin

Si frente a la onda viajera cuya densidad

de potencia esta dada por S, se coloca

una antena con un rea efectiva o

equivalente de Aeq , la potencia

capturada PR por dicha antena ser:

La teora electromagntica demuestra que:

De acuerdo al principio

de reciprocidad la G de

la antena en recepcin

es la misma que en

transmisin.


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Sustituyendo, se obtiene la potencia interceptada de la seal portadora PR.

En la ecuacin resultante, el PIRE es la potencia efectiva radiada y GR es

la amplificacin adicional que la antena receptora le da. El tercer factor

es una cantidad


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CONTORNOS PIRE


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Es una huella de potencia que indica la potencia con que un satlite emite hacia esa zona enconcreto. Se denomina contorno PIRE (dBW) Con este dato se calcula el tamao de la antenareceptora adecuada a cada lugar de recepcin.

El PIRE mximo se dirige al punto central; es la trayectoria de mxima potencia de la antena delsatlite. Alrededor de sta hay varios contornos de PIRE constantes, y el valor de ste va

disminuyendo conforme abarca mayor rea. Los satlites ms poderosos radian un PIRE del orden de 60 dBW, pero tambin hay otros con

menor PIRE, segn las necesidades del dueo y los servicios que desee prestar.

Una diferencia de 17 dBW o de 20 dBW con relacin a un satlite inferior equivale a radiar con unaintensidad de potencia 50 100 veces mayor, respectivamente.


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Huellas Mltiples(Patrones de Radiacin)

Algunos sistemas sofisticados utilizan antenas mltiples en slo un reflector. Esta alimentacin

mltiple permite que se reciban o se radien seales en diferentes frecuencias con una sola

estructura reflectora grande. Son los arrays de aperturas.


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Huellas con arrays de apertura descentrados


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TAMANO DE LA ANTENA

PARABOLICA


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Con el PIRE se calcula la ganancia de la antena parablica de la estacin terrena y

luego el dimetro del plato, el cual es inversamente proporcional al PIRE.

Mientras ms alto es el PIRE ms pequea es la antena, debido a que la huelladel satlite est dirigida directamente hacia ese punto, y con un tamao como

ese, es matemticamente suficiente para recibir la seal fuerte

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