Autor: Conrad Prof., Agilent Technologies


Introducción
Los requisitos que plantea el sector aeroespacial y de defensa en relación con las antenas abarcan una amplia gama de diseños físicos y composiciones de materiales que se emplean en comunicaciones, radares, interferencia electrónica y armamento en todos los entornos de tierra, mar, aire y espacio. Las antenas requieren tecnologías avanzadas, requisitos estrictos y especificaciones detalladas.
El sector aeroespacial y de defensa hace amplio uso de las medidas de antena y puede considerarse como pionero en esta tecnología. Los contratistas especializados en defensa llevan muchos años perfeccionado esta tecnología de medida. Entre los numerosos parámetros que deben especificarse en amplios rangos de frecuencias, potencia y condiciones ambientales se encuentran las pruebas exhaustivas de ganancia, patrones de radiación y lóbulos laterales, además de las pérdidas de transmisión y deflexión de haces. Tanto si su aplicación es en astronaves, aviones, submarinos o buques como en vehículos o estaciones terrestres, la capacidad de poder simular el entorno operativo puede constituir un desafío a la hora de controlar la orientación de la antena y los equipos de medida.
La antena es el elemento principal que afecta al rendimiento de un enlace de comunicaciones inalámbrico. La antena es el transductor que recoge la energía emitida desde la fuente de señales y la transmite al receptor.[1] Es necesario controlar y medir la antena receptora para caracterizar la impedancia, eficiencia de irradiación, así como la polarización, directividad, ganancia, etc. Tanto si se trata de diseñar como de seleccionar una antena, deberán satisfacerse los requisitos del sistema bajo las condiciones de funcionamiento previstas.
Es posible comprobar la eficacia del diseño de la antena tanto en interiores como en exteriores. Cuando se comprueba en interiores, el hardware de estímulo-respuesta e instrumentos como generadores de señales, analizadores de espectros y medidores de potencia se encuentran relativamente próximos los unos a los otros. Las líneas de control para desplazar la antena receptora, enviar órdenes a instrumentos y efectuar la sincronización de disparo son muy manejables debido a las cortas distancias implicadas. Ahora bien, si hubiera que separar la fuente de señales y la antena emisora varias treintenas de metros o más de la antena receptora, el control de los instrumentos y del disparo se convertiría en un problema complejo. Por lo tanto, resulta necesario establecer enlaces digitales en serie para ampliar la distancia entre instrumentos utilizando cables o convertidores eléctrico-ópticos. Este sistema es laborioso, costoso y a menudo requiere técnicas de programación diferentes de las utilizadas cuando los instrumentos se encuentran próximos los unos a los otros.
Los generadores de señales, analizadores de redes y analizadores de espectros tipo LXI de Clase B pueden simplificar la tarea de separar la fuente y el receptor a lo largo de grandes distancias. Si se dispone de una LAN cableada entre dos ubicaciones, será posible establecer una comunicación directa o una conexión VPN a través de un enlace metropolitano. En aquellas aplicaciones donde no se puedan tender cables entre emplazamientos podrá emplearse una LAN inalámbrica con antenas direccionales para conseguir separaciones incluso de varios kilómetros. La programación y el disparo de estos instrumentos podrán realizarse a través de equipos LAN comúnmente disponibles.

¿Qué es un instrumento tipo LXI de Clase B?
LXI son las siglas en inglés de LAN eXtensions for Instrumentation. Un tipo de instrumento típico de LXI de Clase C sería aquel con una interfaz LAN que se configura y comporta de manera predecible a través de una red LAN y que incorpora un servidor Web. Los instrumentos tipo LXI de Clase B cuentan con la función adicional de comunicación P2P (entre iguales) y LAN multidifusión. Además, incluyen sincronización temporal a través del protocolo IEEE 1588.
La comunicación P2P consiste en el envío de un mensaje de un instrumento a otro utilizando el protocolo de paquetes TCP. Ello implica que los instrumentos pueden encontrarse separados a cualquier distancia y, utilizando cualquier ruta de la red LAN, ya sea cableada o inalámbrica, se garantiza la recepción del paquete. Por su parte, la multidifusión se limita a una subred de instrumentos y es equivalente a una ejecución de disparos de grupo (GET) en un bus de interfaz de uso general (GPIB). Consulte la Figura 1.
Los instrumentos tipo LXI de Clase B disponen de relojes de tiempo real y pueden hacer que se produzcan eventos basándose en tiempo absoluto o relativo. El reloj más preciso entre los instrumentos de Clase B de una subred pasa a ser el reloj maestro. Su función es mantener a todos los demás relojes sincronizados con él. Los instrumentos tipo LXI de Clase B son sensibles al tiempo, lo que significa que pueden indicar la hora en la que ha sucedido prácticamente cualquier evento en el instrumento.Configuración de medida de una antena típica
La Figura 2 es un ejemplo simplificado de configuración de un sistema para realizar medidas de antena en campo lejano. El generador de señales (SG) controla una antena emisora estacionaria, mientras que un analizador de redes (NA) se encuentra conectado a una antena de referencia estacionaria y a una antena receptora móvil de prueba[2]. El NA realiza medidas de correspondencia entre sus dos antenas para compensar los efectos del relieve de la superficie existente entre el transmisor y el receptor.
Numerosos generadores de señales, analizadores de espectros y analizadores de redes utilizan una función de programación denominada Barrido por lista, en la que cada módulo cuenta con una lista de operaciones que recorre paso a paso para cada posición de antena. En lugar de enviar comandos de programación para cada paso y configuración, la lista sirve para seleccionar frecuencia, amplitud y tipo de forma de onda para el SG, y la lista del NA se compone de tipo y/o rango de medida. Los instrumentos recorren la lista paso a paso disparándose mutuamente. En el caso de la Figura 2, el SG selecciona el primer elemento de frecuencia, amplitud y tipo de forma de onda de la lista, y envía un disparo TTL al NA para realizar la medida. Una vez que el NA ha completado su medida, dispara al SG para que pase al siguiente elemento de la lista. La lista puede contener cientos de puntos. El tiempo de medida en el NA puede variar considerablemente según el rango de frecuencia, por lo que este protocolo asíncrono de concordancia resulta bastante efectivo y simplifica la programación.

Cómo ampliar la distancia entre la fuente y el receptor
Si se intenta separar el SG y el NA a lo largo de grandes estancias, la interfaz de programación y las interfaces de disparo deben ampliarse para mantener la simplicidad y eficacia de programación utilizando el sistema de Barrido por lista y disparos por hardware. En caso de que el SG y el NA sean instrumentos LAN, la red LAN óptica, cableada o inalámbrica podrá ampliar la interfaz de programación. En cambio, si los instrumentos son GPIB, podrán emplearse interfaces de LAN a GPIB, asimismo a través de conexiones ópticas, cableadas o inalámbricas. No obstante, la interfaz de disparo requerirá una solución especial. A lo largo de los años se han venido adoptando muchas soluciones: eléctrica a óptica, enlaces digitales en serie especializados e incluso módulos convertidores personalizados que utilizan paquetes de disparo TCP y UDP a través de una red LAN. Todas estas interfaces de ampliación de disparo tardan en implementarse, son caras y requieren soporte de ingeniería.
Como sucede con los instrumentos tipo LXI de Clase B, el programa de pruebas SG y NA puede modificarse para utilizar disparos por LAN en lugar de disparos TTL. En la actualidad, se utilizan paquetes de disparo LXI para secuenciar cada instrumento. En muchos casos, al recorrer por pasos las listas no hay diferencias de rendimiento cuando se utilizan disparos a través de líneas cableadas o disparos por paquetes por LXI, incluso cuando se utiliza una red LAN inalámbrica. Una vez más, el rango de frecuencias de la medida es a menudo el factor dominante.

¿Qué ocurre si los instrumentos SG y NA no son de tipo LXI de Clase B?
Hoy en día, existen productos puente en el mercado que permiten utilizar instrumentos GPIB, RS-232, USB, VXI y PXI a través de una red LAN. Asimismo, hay un producto de Agilent Technologies que crea un puente con instrumentos tipo LXI de Clase B. El módulo de disparo E5818A LXI de Clase B proporciona disparo por tiempo y LAN para prácticamente cualquier instrumento. El instrumento sólo necesita entradas y salidas de disparo para conectarse al módulo de disparo.
En una determinada aplicación de medida de antena no resultaba conveniente tender cables a lo largo de la gran distancia que separaba el transmisor del receptor, por lo que se seleccionó una red LAN inalámbrica. Tanto si el SG y el NA son de tipo LAN como si son GPIB, podrá utilizarse una red LAN inalámbrica con un convertidor de LAN a GPIB. La Figura 3 ilustra cómo el módulo de disparo de Clase B puede interceptar los disparos TTL procedentes del SG y el NA y convertirlos en un paquete de tipo LXI P2P que se envía al otro módulo de disparo a través de la red LAN inalámbrica.

Otros factores que considerar
Otro componente crítico de esta aplicación de medida de antena es la necesidad de una referencia de 10 MHz. Ésta puede suministrarse de dos maneras distintas. Será posible utilizar a distancia una referencia de GPS a 10 MHz o una referencia de IEEE 1588 a 10 MHz. Este último dispositivo 1588 puede emplearse cuando se dispone de una buena conexión LAN y de instrumentos tipo LXI de Clase B, los cuales utilizan el protocolo 1588 para sincronización temporal.
Otro factor importante que debe tenerse en cuenta es la implementación de la red LAN inalámbrica. Pueden obtenerse comunicaciones fiables a grandes distancias con equipos estándar disponibles en cualquier establecimiento de electrónica. El secreto consiste en comprar un router inalámbrico o punto de acceso inalámbrico que incorpore un SMA u otro conector que sustituya a la antena existente. De este modo, podrá conectarse una antena direccional al dispositivo inalámbrico.
Hay disponible una extensa gama de antenas direccionales y no tienen por qué ser caras. Es posible incluso fabricar una antena direccional utilizando latas de aperitivos o papel de aluminio al que se le ha dado la forma de un reflector parabólico. Estos dispositivos pueden conseguir ganancias de entre 10 y 12 dB. Además, algunos producen un buen rendimiento cuando se utiliza en líneas con conexiones expuestas de hasta 1,5 km.

Conclusión
Las medidas de antena en campo lejano requieren que las interfaces de programación y disparo se tiendan a lo largo de las grandes distancias que separan los instrumentos transmisor y receptor. La tecnología LXI se basa en la omnipresente especificación LAN y existen instrumentos avanzados diseñados de acuerdo con la especificación LXI de Clase B. El disparo por tiempo y LAN suministrados por los instrumentos pertenecientes a la Clase B consiguen que la ampliación de la distancia entre los instrumentos transmisor y receptor resulte relativamente económica y eficaz. Además, existen puentes tipo LXI de Clase B que permiten el uso de instrumentos ya existentes para grandes distancias, lo cual hace que, desde el punto de vista de la programación, parezcan muy próximos entre sí.
Con la utilización de tecnología LXI de Clase B, ya no resulta necesario buscar soluciones personalizadas y costosas para separar instrumentos en medidas de antena en campo lejano. Los productos LAN disponibles en cualquier establecimiento de electrónica bastarán para proporcionar soluciones LAN tanto inalámbricas como cableadas.
Referencias:
[1] Jeffrey A. Fordham, Microwave Instrumentation Technologies, LLC. An Introduction to Antenna Test Ranges, Measurements, and Instrumentation (Introducción a instrumentos, medidas y márgenes de prueba para antenas).
[2] Agilent Technologies Triggering PNA Microwave Network Analyzers for Antenna Measurements (Cómo disparar analizadores de redes de microondas serie PNA para medidas de antena - Agilent Technologies).