“analisis del equipo medidor de

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL TICOMÁN INGENIERÍA AERONÁUTICA SEMINARIO DE AVIÓNICA “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE DISTANCIA EN LAS AERONAVES Y PROPUESTA DE USO DEL SISTEMA GALILEO COMO MEJORA TECONOLOGICA” Carlo Antonio Villegas Castro* Jorge Javier García Andrade* * Ingeniero Aeronáutico [email protected] * Ingeniero Aeronáutico [email protected]

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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y

ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL TICOMÁN

INGENIERÍA AERONÁUTICA

SEMINARIO DE AVIÓNICA

“ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

DISTANCIA EN LAS AERONAVES Y

PROPUESTA DE USO DEL SISTEMA

GALILEO COMO MEJORA

TECONOLOGICA”

Carlo Antonio Villegas Castro* Jorge Javier García Andrade*

* Ingeniero Aeronáutico [email protected]

* Ingeniero Aeronáutico [email protected]

Page 2: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE
Page 3: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

AGRADECIMIENTOS

DOY GRACIAS:

A DIOS POR DARME LA FUERZA PARA CONSEGUIR ESTE

TRIUNFO PROFESIONAL

A MI

FAMILIA

POR SER EL PILAR DE MI FORMACIÓN

A LA ESIME

TICOMAN

POR HABER DESARROLLADO MIS CAPACIDADES Y

PERMITIRME ESTAR DENTRO DE SUS AULAS DONDE

APRENDI A SER PROFESIONAL.

A MIS

PROFESORES

POR QUE EN ELLOS ENCONTRÉ LA INSPIRACIÓN Y

LA FUENTE DE CONOCIMIENTO QUE HOY ME

PERMITE CONCLUIR ESTA ETAPA PROFESIONAL

Page 4: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

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INDICE GENERAL

INDICE GENERAL 2 RESUMEN 4 INTRODUCCION 5 Capítulo 1. TRANSMISORES, RECEPTORES Y LINEAS DE TRANSMISION 1.1 RECEPTORES Y TRANSMISORES 6 1.1.1 TRANSMISOR. 6 1.1.2 OSCILADOR DE RF. 6 1.1.3 SEPARACIÓN 9 1.2 ESTABILIDAD DE FRECUENCIA. 11 1.3 AMPLIFICADORES DE RF 11 1.4 MODULADORES. 19 1.5 AMPLITUD MODULADA. 20 1.6 SISTEMAS DE BANDA LATERAL ÚNICA Y BANDA LATERAL DOBLE 24 1.7 MODULACIÓN EN ANGULO 26 1.8 FRECUENCIA MODULADA (FM) 28 1.9 TIPOS DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN 31 1.9.1 LÍNEAS DE TRANSMISIÓN DE CONDUCTOR PARALELO 31 1.9.2 CABLE DE PAR TRENZADO 32 1.9.3 PAR DE CABLES PROTEGIDO CON ARMADURA. 33 1.10 LÍNEAS DE TRANSMISIÓN COAXIAL O CONCÉNTRICA 33 1.10.1 BALUNES. 35 1.11 DEFINICIÓN DE LÍNEA DE TRANSMISIÓN 36 1.12 CIRCUITO EQUIVALENTE DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN 36 1.13 DEFINICIÓN DE LOS PARÁMETROS DEL CIRCUITO 37 1.14 CARACTERÍSTICAS DE LA TRANSMISIÓN 38 1.14.1 IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA. 38 1.15 CÁLCULO DE IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA (Z0) 38 1.16 CONSTANTE DE PROPAGACIÓN 39 1.17 FACTOR DE VELOCIDAD 40 1.18 LONGITUD ELÉCTRICA DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN 42 1.19 PÉRDIDAS EN LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN 43 1.19.1 PÉRDIDA DEL CONDUCTOR 43 1.19.2 PÉRDIDA POR RADIACIÓN 43 1.19.3 PÉRDIDA POR CALENTAMIENTO DEL DIELÉCTRICO 43 1.19.4 PÉRDIDA POR ACOPLAMIENTO 43 1.20 CORONA (DESCARGAS LUMINOSAS) 44 1.21 ONDAS INCIDENTES Y REFLEJADAS 44 1.22 LÍNEAS RESONANTES Y NO RESONANTES 44 1.23 COEFICIENTE DE REFLEXIÓN 45 1.23.1 RELACIÓN DE ONDA ESTACIONARIA 46 1.23.2 ONDAS ESTACIONARIAS EN UNA LÍNEA ABIERTA 47 1.23.3 ONDAS ESTACIONARIAS EN UNA LÍNEA EN CORTOCIRCUITO 49

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3

Capítulo 2. ANALISIS DEL DME 2.1 HARDWARE 50 2.2 TIEMPO DE REPETICIÓN 51 2.3 CALCULO DE DISTANCIA 51 2.4 PRESICIÓN 51 2.5 TERMINAL DME 52 2.5.1 TERMINAL EN APROXIMACION 52 2.6 PRINCIPIOS DE OPERACION 53 2.7 DESCRIPCION DEL DME Y ANALISIS DEL DIAGRAMA A BLOQUES 56 Capítulo 3. PROPUESTA DE MEJORA TECNOLOGICA 3.1 SISTEMA GLOBAL DE NAVEGACION POR SATELITE 64 3.2 LOS GNSS Y SU USO EN LA AVIACION COMO SISTEMA DE NAVEGACION 65 3.3 SISTEMA GALILEO 66 3.3.1 PROPUESTA COMO SISTEMA DE NAVEGACION AEREA 67 3.3.2 BENEFICIOS DEL USO DEL SISTEMA GALILEO EN LA AVIACION 68 Capítulo 4. CONCLUSIONES 69 GLOSARIO 70 BIBLIOGRAFIA 71

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RESUMEN

En esta tesina se analiza el sistema del Equipo Medidor de Distancia (DME),

considerando su principio de funcionamiento, características, componentes y diagramas a

bloques, tomando en consideración los fundamentos básicos de la transmisión de

información en las frecuencias determinadas para ello.

Del mismo modo se hace referencia a los receptores y transmisores de AM y FM

básicos que ilustran el principio de funcionamiento de un sistema básico de

comunicaciones.

OBJETIVO

La presente tesina tiene un objetivo general y un objetivo especifico. El objetivo general es

analizar el funcionamiento de los DME en cuanto a su aporte directo en la aviación, su

funcionamiento electrónico y matemático. A su vez se busca enfatizar el hecho que los

DME siguen siendo parte de la aviónica fundamental en una aeronave.

Con el objetivo especifico se busca realizar una difusión de un sistema totalmente nuevo

de navegación, el cual se presenta en forma de propuesta de mejora tecnológica en esta

tesina con el que se cambiaria de forma drástica la navegación de las aeronaves como la

conocemos al día de hoy y que sustituiría diferentes sistemas como lo es el DME.

METODOLOGIA

En el presente trabajo se muestra un método analítico, con lo cual se busca realizar una

disolución del tema en fragmentos para su mejor entendimiento. Tomando en cuenta el

objetivo especifico de este documento es que esta tesina esta segmentada en capítulos

los cuales explican las partes fundamentales del funcionamiento de un DME.

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5

INTRODUCCIÓN

DE LOS DME

En aviación el sistema DME representa un sistema critico para las aeronaves, ya que es

de fundamental importancia que se tenga conocimiento continuo en tiempo real de la

posición de la aeronave, para lo cual se utilizan diferentes sistemas de navegación como

lo son el VOR, ADF el Radar y/o el DME.

Específicamente hablando el DME permite realizar gracias a un cálculo de distancias,

operaciones de aproximación, que se consideran críticas en la aviación entre otras

operaciones.

Este es un sistema que cumple con las características de seguridad que forman parte del

conjunto de factores que son esenciales para el control total de las aeronaves, y que

garantizan la seguridad en vuelo. Siendo un sistema tan importante, este se instala en

todas las aeronaves y es ocupado en todos los aeropuertos del mundo

Por lo antes mencionado el vuelo con instrumentos de medición garantiza un

porcentaje de accidentes bajo, y es de este modo que se vuelven indispensables dichos

instrumentos.

JUSTIFICACION

Este ejemplar se ha llevado a cabo para que se comprenda el funcionamiento de

un medidor de distancia entre la tierra y una aeronave que la sobrevuela.

Fundamentando todos los principios básicos del funcionamiento de un equipo de

medición como lo es el DME.

El principal objetivo es desglosar de una manera mas clara como funciona este

equipo para el apoyo de la comunidad Politécnica en su aprendizaje.

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CAPITULO 1 TRANSMISORES, RECEPTORES Y LINEAS DE TRANSMISION

1.1 RECEPTORES Y TRANSMISORES

1.1.1 TRANSMISOR.

Dispositivo capaz de generar, modular y amplificar una señal de radio frecuencia que al

circular por la antena genera un campo electromagnético alterno de una frecuencia igual a

la corriente de radio frecuencia, la cual es radiada por esta antena hacia el espacio en

forma de lo que llamamos ondas de radio.

Un equipo transmisor básico está compuesto de los siguientes bloques: Un oscilador de

RF, un pre amplificador excitador, de RF, un amplificador de AF un modulador y

amplificador final o de potencia.

1.1.2 OSCILADOR DE RF.

En sistemas de radio, los osciladores de onda senoidal establecen las frecuencias de

portadora del transmisor y excitan a las etapas mezcladoras que convierten las señales

de una frecuencia a otra. Estos papeles los desempeñan también, en medida pequeña

pero que tiende a crecer, los osciladores de onda cuadrada y los sintetizadores aunque

para mayor parte de las aplicaciones, los osciladores de onda senoidal continúan siendo

la fuente más económica de formas de onda sinusoidal.

Un oscilador de onda senoidal es un circuito que mediante amplificación y

retroalimentación genera una salida senoidal (frecuencia de portadora). Su elemento

activo es normalmente un transistor BJT o FET y la frecuencia de operación se determina

con un circuito sintonizado o XTAL piezoeléctrico en el que la trayectoria de

retroalimentación, para la elección de un oscilador se debe de tener en cuenta:

a) Frecuencia de operación

b) Amplitud de salida

c) Estabilidad de frecuencia

d) Estabilidad de amplitud

e) Pureza de la forma de onda de salida

f) Posibilidad de que ocurran modos de oscilación indeseables.

Los criterios para que se establezcan la oscilación en un circuito que tenga

retroalimentación será cuando la señal de retroalimentación sea mayor que la de entrada

y en fase con ella, se iniciaran las oscilaciones y crecerán en amplitud, hasta que la

saturación reduzca la ganancia alrededor del bucle de retroalimentación a la unidad.

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Existen varios tipos de osciladores pero se prefieren los de base común para osciladores

de RF pues:

1.-Reducen al mínimo la retroalimentación dentro del transistor, permitiendo un mejor

control de la retroalimentación global mediante elementos de circuitos externos.

2.- La ganancia en corriente tiene un desplazamiento de fase pequeño y casi constante en

amplitud hasta una frecuencia de alrededor de

(fa / 2) (fT / 2)

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Donde:

fa = Frecuencia alta

fT = Frecuencia de transición.

Existen diferentes configuraciones de circuitos osciladores los cuales tienen aplicaciones

específicas y rangos de frecuencia propios, todos ellos en base común (figuras 2, 3 y 4).

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1.1.3 SEPARACIÓN.

En cualquier oscilador, la frecuencia y la amplitud de la oscilación se efectúan en cierto

grado por la impedancia de carga a la que se entrega la salida de un oscilador. Resulta

entonces una buena practica incluir una etapa de separación entre el oscilador y cualquier

carga que tenga tendencia a variar por modulación, vibración mecánica u otra causa. El

amplificador intermedio debe tener una alta impedancia de entrada para minimizar sus

efectos de carga; debe estar neutralizado, de tal suerte que las variaciones de la carga de

salida no se reflejen a la entrada y debe también tener una impedancia de salida pequeña

de tal manera que las variaciones de carga no tengan mucho efecto sobre el voltaje de

salida. Una etapa de colector común o de drenaje común satisface muchas de estas

condiciones.

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1.2 ESTABILIDAD DE FRECUENCIA.

La inestabilidad en frecuencia de un oscilador proviene de los cambios en impedancia de

carga, de variaciones en el voltaje de alimentación de potencia y de cambios provocados

por la temperatura en los valores de las componentes que determinan la frecuencia los

dos primeros problemas se eliminan con la separación adecuada y regulación de voltajes.

Los efectos por cambios de temperatura se reduce al mínimo escogiendo componentes

individuales cuyos cambios en valor se cancelan por cambios en las otras componentes.

En casos extremos puede ser necesario encerrar al oscilador en una cámara mantenida a

temperatura constante para aquellos casos donde la temperatura sea un factor importante

a considerar.

La estabilidad de frecuencia máxima lo dan los osciladores a cristal, con cortes que

minimicen los cambios de la frecuencia del oscilador con variaciones de temperatura. El

corte tipo GT es potencialmente insensible a la temperatura, aunque su frecuencia

máxima de oscilación se limita a unos pocos centenares de Khz. Los cristales en corte AT

usados ampliamente operan dentro de un rango de frecuencia mayor con cambios de

temperatura de solo unas pocas partes por millón entre –50 y 100°C.

1.3 AMPLIFICADORES DE RF

Los amplificadores de RF se usan para amplificar frecuencias de las señales que se

transmiten por radio. Contrario a los amplificadores de audio y video que funcionan en un

amplio ancho de frecuencias, el amplificador de RF amplifica una banda angosta (más

selectivo). Sin embargo por medio de la sintonización se puede trasladar este ancho de

banda.

Los amplificadores se utilizan en donde la eficiencia y la salida de potencia de un circuito

amplificador son los parámetros importantes. Los tipos de amplificadores usados

comúnmente son los amplificadores clase A, B, C, D, E, F, G, H y S, salvo los de clase A,

los demás amplificadores se diferencian por su configuración y métodos de operación.

Los de clase A se parecen a los amplificadores de RF de señal débil.

Los amplificadores clase A y B tienen una ganancia de potencia apreciable producen una

réplica amplificada del voltaje de señal de entrada o de la onda de corriente y se usan

comúnmente en transmisores de banda lateral, única (SSB) y multimodo, donde se

requiere la producción exacta de la envolvente y de la fase de la señal. Los circuitos

sintonizados o los filtros de paso bajo no son componentes integrales de los

amplificadores clase A o B; no obstante, se incluyen a menudo para asegurar la supresión

adecuada de armónicas.

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Como el ancho de banda de una señal de RF común es una fracción pequeña de la

frecuencia de portadora (y el ancho de banda del AP), las señales no deseadas a la salida

del amplificador de poder, se puede dividir en tres categorías. La figura describe las

relaciones de estas señales con la señal deseada, que en este caso consiste de dos

tonos de amplitudes iguales de frecuencia fc fm. La no linealidad del amplificador produce

dos tipos de señales no deseadas: llamadas armónicas y los productos de distorsión por

intermodulación (IMD). Los productos IMD (identificados como órdenes tercero, quinto,

séptimo y noveno en la figura son prominentes cerca de la frecuencia de portadora.

Causan distorsión en la señal recibida e interferencia de canal adyacentes o ambas. Otras

señales no deseadas incluyen oscilaciones subarmonicas y parásitas y productos de

mezclador; se les llama productos espurios o simplemente “spurs”. En un amplificador de

potencia de RF, las armónicas y alguno de los productos espurios se pueden eliminar con

filtros; sin embargo, los IMD generados deben ser de un nivel aceptablemente bajo.

Los amplificadores clase A con emisor común se muestra en la figura anterior, es

semejante al amplificador análogo en señal débil. En una aplicación del AP, la resistencia

de la carga es por lo general lo suficientemente pequeña para que los efectos de la

resistencia y reactancia de derivación del dispositivo sean insignificantes.

Los amplificadores de potencia de RF en clase A se usan mas comúnmente como

amplificadores de excitación en bajo nivel. En estas aplicaciones, la potencia consumida

por el amplificador clase A es una porción relativamente pequeña de la potencia total del

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transmisor. Los AP clase A se utilizan también en frecuencias de microondas, donde

resulta difícil emplear otras clases de amplificación.

Los amplificadores clase B son mas eficientes que los A para amplificadores de RF lineal;

de ahí que se use la B con frecuencia en amplificadores lineales de potencia media y alta

potencia. La configuración más común es el circuito acoplado a trasformador en

contrafase de la figura anterior. La alta eficiencia puede atribuirse a la corriente de

colector nula en los transistores cuando sus voltajes de colector son los mas altos. Es

importante observar que en la amplificación clase B, ningún dispositivo por si mismo

produce una replica amplificada de la entrada del amplificador. Se secciona la señal, es

amplificada eficientemente y después reensamblada.

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Los amplificadores clase C se usan cuando no se requiere de una amplificación lineal de

RF y pueden utilizar la mayor eficiencia y sencillez ofrecidas por esta clase de

amplificadores. Tales aplicaciones incluyen amplificadores de señales de CW, FM y AM

(en banda lateral doble y portadora completa). Las señales de CW y FM tienen como

máximo dos posibles amplitudes; la variación de amplitud que se requiere para una señal

de AM se realiza por variación del voltaje de alimentación del AP.

El circuito o filtro de salida sintonizado es una parte necesaria de un amplificador en clase

C, es más que un simple medio de reducir el contenido armónico en la salida. En la

mayoría de las aplicaciones donde se usa la clase C, es aceptable un circuito o red de

acoplamiento de banda estrecha (en lugar de un filtro de banda ancha). El circuito de

banda angosta sintonizada, o la red acopladora pueden, por supuesto, utilizarse con APs

lineales en clases A y B cuando no se requiera operación en banda ancha.

La topología de circuito del amplificador de potencia clásico C es la misma que la del

amplificador clase A. El dispositivo activo esta también energizado para operar como

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fuente de corriente. Sin embargo, la forma de onda de corriente que produce no es la

corriente sinusoidal deseada en la carga. La eficiencia de la operación clase C puede

aumentarse hacia el 100 %, reduciendo el ángulo de conducción hacia cero.

Los amplificadores clase D fueron analizados primeramente por BEXANDALL y han

aparecido recientemente en transmisores de radiodifusión de AM y transmisores de HF de

baja potencia. Un amplificador clase D emplea un par de dispositivos activos y un circuito

de salida sintonizado.

Los dispositivos activos se energizan para operar como un conmutador de dos polos que

define una forma de voltaje o de corriente rectangular .El circuito de salida se sintoniza en

la frecuencia de conmutación y elimina sus armónicas, originando una salida sinusoidal.

La eficiencia de un amplificador clase D idealizado es de 100% La eficiencia incrementada

de esos AP proviene de las técnicas que reducen el producto promedio voltaje corriente

de colector (es decir, la disipación de potencia). En los APs en modo de conmutación

(clase D, E, y S) lo anterior se realiza empleando los dispositivos activos como

conmutadores en lugar de usarlos como fuente de corriente. Como un conmutador ideal

tiene cero voltaje en sus terminales o cero corriente a través de el en todo tiempo, no

disipa potencia. Otros AP de alta eficiencia (clase F, G y H) usan técnicas de circuito

especiales, incluyendo resonadores armónicos y voltajes múltiples de alimentación, para

reducir el producto voltaje-corriente de colector.

Un AP de alta eficiencia esta, por supuesto, implementado con dispositivos reales y, por lo

tanto, sujeto a los efectos de voltaje y resistencia de saturación, a reactancias parásitas y

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a tiempos de conmutación no nulos, que reducen su eficiencia respecto a la de un

amplificador idealizado.

Un amplificador en clase E utiliza un solo transistor energizado para operar como un

conmutador, conectado a una red de carga pasiva. La red de carga menos complicada

consiste en un circuito sintonizado en serie (Lo-Co) que conecta el colector a la carga y

una capacitancia C que desvía a tierra al colector. La capacitancia C en derivación, esta

formada por la capacitancia C1 inherente al transistor y la C2 que se agrega para hacer

que el amplificador opere en la forma deseada. Como la clase E puede utilizar la

capacitancia en derivación con el conmutador, las perdidas de potencia que ocurrirían en

la operación clase C, a causa de esa capacitancia, pueden eliminarse mejorando así la

eficiencia global del amplificador.

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Figura 12 Amplificador de RF clase F

La clase F es probablemente el más antiguo método en práctica para mejorar la eficiencia

de un amplificador de potencia y se le conoce también como “biarmónica”, “poliarmónica”,

“clase C”, “clase D de terminación única”, “clase C de alta eficiencia” y “multiresonante”.

Un amplificador clase F se caracteriza por una red de carga que resuena en una o mas

frecuencias armónicas, así como en la de portadora. El dispositivo activo opera por lo

general, básicamente como fuente de corriente o fuente de corriente saturante, como

sucede en el clásico AP clase C.

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Figura 13 Amplificador de RF clase S

Figura 14 Modulador clase S

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La técnica clase S se inventó en 1932, aunque se popularizo solo en la última década por

poder ya disponer de circuitos integrados, que permitieron se pusiera en práctica. Esta

técnica se puede usar tanto para amplificar como para modular en amplitud. Ambas

configuraciones utilizan transistores y diodos para formar un conmutador de dos

posiciones, como en un amplificador clase D. Sin embargo, la forma de onda de voltaje

rectangular se aplica a un filtro de paso bajo, que permite que solo aparezca en la carga

su componente de voltaje de CC o su componente promedio de voltaje. Las anchuras de

pulso de diferentes tasas de operación producen salidas promedio diferentes: La variación

controlada de la anchura de pulso origina entonces que la salida varíe para dar lugar a

una señal deseada. Dichas características los hacen propios para la amplificación de

pulsos y la modulación por anchura de pulso (PWM). La eficiencia de amplificador clase S

ideal es del 100%.

1.4 MODULADORES.

La modulación es el proceso mediante el cual el contenido de la información de una señal

de audio (información), video o de datos se transfiere a una onda portadora de RF antes

de transmitirse.

Un modulador puede hacer que alguna característica de la señal de RF varíe en

proporción directa a la forma de la onda moduladora; a este proceso se le llama

modulación analógica. Los moduladores mas complicados convierten a digital y codifican

la señal moduladora antes de la modulación.

Un modulador lo podemos considerar como una caja negra con dos entradas y una salida.

En una entrada penetra una señal de modulación vm (t) la otra entrada se conecta a un

oscilador de portadora que produce un voltaje senoidal con amplitud constante y

frecuencia fc. La salida es de la forma de onda modulada.

Figura 15 Diagrama de voltaje modulador visto como caja negra

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20

Donde:

F(t) = A (t) cos wc + (t) = A (t) cos (t)

Cuya amplitud A(t) o el ángulo (t), ambos, son controlados por Vm (t). En modulación en

amplitud (AM), la envolvente de portadora A(t) varía, mientras (t) permanece constante;

en la modulación de ángulo A(t) se fija y la señal moduladora controla a (t). La

modulación de ángulo puede ser en frecuencia o en fase, dependiendo de la relación

entre el ángulo (t) y la señal moduladora.

1.5 AMPLITUD MODULADA.

La modulación en amplitud (AM) en forma de llavero alterno en transmisores de telegrafía,

es el tipo más antiguo de modulación. Hoy en día la modulación de amplitud se usa

extensamente en aquellas aplicaciones audibles analógicas que requieren receptores

simples (por ejemplo, la radiodifusión comercial), o que se transmite por propagación

ionosférica y requieren anchos de banda estrechos (como la comunicación de aviones

transcontinentales).

Cuando varía la amplitud de una onda de acuerdo con otra onda, que en alguna forma

represente información, a dicho proceso lo llamaremos modulación en amplitud. La onda

que se modula es la portadora y la otra es la onda o señal moduladora. En esta

modulación, la amplitud de pico a pico o de máximo a máximo, de la señal de información,

siguen las variaciones de amplitud de la onda moduladora de tal manera que siempre esta

dentro de una envolvente formada por la onda moduladora.

Existen varias formas de AM relacionadas entre si; difieren en sus métodos de generación

y en sus espectros. La forma más sencilla, llamada a menudo AM “directa” se puede

generar colocando el voltaje modulador en serie con la alimentación de colector en un

amplificador RF en clase C que se excita hasta la saturación.

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21

Figura 16 Esquema simple para la generación de ondas de AM.

Cuando el voltaje modulador es positivo, el amplificador recibe un voltaje mayor del

colector y consecuentemente entrega una señal de salida más alta; cuando es negativo el

voltaje de colector y la salida del amplificador es linealmente proporcional al voltaje

modulador. Si el voltaje F(t) de salida del amplificador es linealmente proporcional al

voltaje instantáneo de colector, el F(t) se relaciona con el voltaje modulador vm (t) por:

F(t) = K Vcc + vm (t) cos wct]

Donde Vcc es el voltaje de alimentación de colector y K es una constante de

proporcionalidad. Obviamente, los picos negativos de Vm (t) no deben reducir el voltaje de

colector total hasta un punto donde el amplificador deje de operar, esta condición se

denomina sobremodulación, e introduce distorsión.

Para examinar la AM con más detalle, supóngase un voltaje modulador senoidal de

frecuencia única:

vm (t) = Vm cos wct

F(t) = K Vcc + Vm cos wmt cos wct

Entonces

O con Vc = KVcc,

F(t) = Vc [ 1 + (Vm / Vcc) cos wmt ] cos wct

Page 24: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

22

O bien

F(t) = Vc (1 + ma cos wmt) cos wct

En donde Vc es la amplitud del voltaje de portadora sin modulación, ma se denomina

índice de modulación o factor de modulación, y la envolvente de la onda modulada se

expresa por

A(t) = Vc (1 + ma cos wmt)

Obsérvese que la desviación de la envolvente, con relación a su valor no modulado, es

proporcional en todo momento al valor de la señal moduladora. Cuando ma se expresa

como porcentaje, se llama porcentaje de modulación. El valor de ma no debe exceder a la

unidad o al 100% en los picos negativos, para evitar la distorsión.

El comportamiento en el dominio del tiempo de F(t) se observa mejor, trazando a F(t)

para valores fijos de wm y wc, y para diferentes valores de ma. Para ma < 1 la amplitud de

portadora varia en proporción a (1 + ma cos wmt ), y la frecuencia de portadora que se

puede calcular a partir de los intervalos entre dos cruces por cero sucesivos de F(t)

permanece constante en fc, para ma > 1, la ecuación no es valida para los tiempos en que

(1 + ma cos wmt ) sea menor que cero: cuando esto sucede, la salida del amplificador es

cero.

Page 25: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

23

Figura 17 Formas de onda de AM con diferentes valores de ma, la envolvente se muestra con la

línea discontinua.

Page 26: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

24

Como la información esta en la envolvente de la onda, se puede recobrar rectificando la

onda modulada con un sistema de detección simple, como se ilustra en la figura.

Figura 18 Circuito de detección simple de AM, ilustrando la recuperación de una señal moduladora

V3(t) de frecuencia única, a partir de una señal V1(t) en AM.

1.6 SISTEMAS DE BANDA LATERAL ÚNICA Y BANDA LATERAL DOBLE.

Una forma de generar AM sin portadora es multiplicar una portadora de RF no modulada

por una onda moduladora en un mezclador balanceado (modulador), tal como se muestra

en la figura si se supone un voltaje modulador de frecuencia única y una portadora de

amplitud unitaria, la forma de onda modulada F(t) esta dada por :

F (t) = Vm cos wmt cos wct

Una vez filtrados los productos del mezclador no deseados. Empleando igualdades

trigonométricas la ecuación anterior se puede expresar como:

F(t) = (Vm / 2) cos (wc + wm ) t + ( Vm / 2) cos (wc - wm) t

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25

Figura 19 Generación de una onda DSB/SC con modulador balanceada.

Para mostrar que la forma de onda modulada consiste en dos componentes de frecuencia

lateral, pero sin portadora (con modulación no sinusoidal habría bandas laterales superior

e inferior). Por esta razón se denomina modulación de amplitud, doble banda lateral, onda

portadora suprimida abreviada por lo general como DSB/SC. La representación fasorial de

esta onda se muestra en la figura siguiente, denotando como Vu y Vl las componentes de

frecuencias superior e inferior respectivamente, como antes. Obsérvese que los fasores

de las dos frecuencias laterales forman ángulos iguales respecto al eje real y que su suma

siempre se encuentra a lo largo de este eje. La forma de onda correspondiente a la onda

DSB/SC se muestra en la figura siguiente con la envolvente denotada como A(t).

Figura 20 (a) Representación fasorial de la onda DSB; las componentes de frecuencias laterales

superior e inferior se suman siempre a lo largo del eje real; (b) Representación en el dominio del

tiempo de la onda DSB/SC; A(t) es la envolvente de la onda.

Page 28: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

26

Como no existe portadora, toda la potencia presente en F(t) se localiza en las bandas

laterales; por lo tanto, en DSB/SC toda la potencia de salida del transmisor se canaliza

hacia la transmisión de información ,mientras que en la AM ordinaria menos de un tercio

de la potencia total porta la información de modulación. Nótese también que no aparece

índice de modulación en la ecuación anterior; en el rango de voltajes de modulación que

se puede acomodar, queda limitado solo por el rango dinámico del modulador y de las

etapas amplificadoras lineales subsecuentes. Aunque la modulación DSB/SC utiliza la

potencia de transmisión más eficientemente que la AM no hay diferencia en el ancho de

banda requerido. Ambos requieren un ancho de banda igual al doble de la frecuencia fn de

modulación mas elevada .Como la envolvente de la onda DSB/SC es una replica de onda

completa rectificada de la señal moduladora no se puede usar el detector de envolvente

simple de la figura sin reintroducir primeramente la portadora.

Como el espectro de la onda DSB/SC lleva la misma información en ambas bandas

laterales superior e inferior, se puede eliminar una banda lateral sin degradar el contenido

de la información.

Puede eliminarse la banda lateral indeseable, ya sea por filtrado o utilizando moduladores

especializados que cancelan una banda lateral durante el proceso de modulación. En

cualquier caso la señal resultante es de amplitud modulada de banda lateral única, sin

portadora, denotada usualmente con SSB/SC. Esta señal SSB requiere la mitad del ancho

de banda y también la mitad de potencia de una onda DSB/SC. Como en el caso de la

onda DSB/SC, la portadora debe reintroducirse al receptor en el proceso de detección.

1.7 MODULACIÓN EN ANGULO.

La forma de onda modulada, esta dada por

F(t) = A(t) cos wct + (t) = A(t) cos (t)

Es descrita completamente por una amplitud A(t), una frecuencia de portadora fc y un

ángulo de fase (t). En AM, la envolvente de portadora A(t) varía como se muestra en la

figura siguiente mientras que (t) permanece constante. En modulación de ángulo, la A(t)

esta fija y la señal moduladora controla a (t). La modulación en ángulo puede ser en

frecuencia o en fase, dependiendo de la relación exacta entre (t) y la señal moduladora.

Los sistemas de modulación en ángulo son inherentemente insensibles a fluctuaciones de

amplitud debidas a ruido, particularmente a ruido impulsivo. Resultan, por ello, adecuadas

tanto para radiodifusión normal como para radiocomunicación móvil. Los bajos

requerimientos de potencia y relativa simplicidad de los moduladores angulares, son

ventajas adicionales en aplicaciones móviles.

Page 29: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

27

Figura 21 Efecto de la modulación sinusoidal de AM, PM y FM. A) Onda moduladora; b)

envolvente de la onda; c) ángulo de la onda PM; d) frecuencia de la onda PM; e) frecuencia de la

onda FM; f) ángulo de la onda FM.

Page 30: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

28

1.8 FRECUENCIA MODULADA (FM)

En FM, así como en la de AM la RF varia según una señal moduladora, sin embargo, en

AM cambia la amplitud de la portadora, en tanto que en FM varia la frecuencia de la

portadora, cuando la portadora esta modulada en frecuencia su amplitud no cambia, pero

su frecuencia aumenta o disminuye con respecto a la frecuencia central o de reposo; la

portadora modulada fluctúa arriba y abajo de la frecuencia central.

La frecuencia de una portadora FM es igual a la frecuencia central, cuando la señal

moduladora varia en dirección positiva, la frecuencia de la portadora también aumenta;

llega a un máximo cuando la amplitud de la señal de modulación alcanza un valor máximo

positivo. Luego cuando la señal moduladora disminuye en amplitud, la frecuencia de la

portadora disminuye también y regresa a su frecuencia central, cuando la citada señal

regresa a la amplitud de cero.

De la misma manera, las variaciones de frecuencia de la portadora siguen las variaciones

de amplitud negativa de la señal moduladora excepto que la frecuencia de la portadora

disminuye al hacerse mas negativa la señal de modulación; luego aumenta, para alcanzar

de nuevo su frecuencia central cuando la señal moduladora termine su medio ciclo

negativo y regrese a cero.

La modulación de frecuencia resulta cuando la desviación w de frecuencia instantánea

w(t) respecto a la portadora wc es directamente proporcional a la amplitud instantánea del

voltaje modulador, como se ilustra en la figura anterior.

Como w(t) = dt

d

= wc + dt

td

La desviación w de w (t) esta dada por:

w (t) = w(t) - wc = dt

td

En modulación de frecuencia, w (t) se hace proporcional al voltaje modulador vm(t); es

decir,

w (t) = kw vm(t)

Donde kw es la sensibilidad del modulador en rad/seg/V.

Page 31: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

29

Como (t) y w (t) están relacionadas por la ecuación anterior, entonces;

(t) =

t

wk0 vm(t)dt + (0)

La sustitución de esta ecuación, en la ecuación base de modulación de ángulo con (0)

supuesta nula, de la expresión para una onda modulada en frecuencia:

FFM (t) = A cos wct + kw

t

mv0 (t)dt

Definición de índice de modulación para FM

Si un voltaje modulador de la forma

vm (t) = Vmsen wmt

Se aplica a un modulador de fase, su salida será

FPM (t) = A cos (wct + mp sen wmt)

La aplicación del voltaje modulador.

vm (t) = Vm cos wmt

a un modulador de frecuencia, producirá:

FFM (t) = Acos ( wct + m

mw

w

Vk

sen wmt)

De w (t) y vm(t) se deduce que el producto Kw Vm es la desviación de frecuencia que

corresponde al voltaje modulador pico. Si la desviación pico se define como w, donde

w = Kw Vm

la expresión para la onda modulada en frecuencia se puede expresar como

FFM (t) = A cos (wct + mw

w

sen wmt)

o bien

FFM (t) = A cos ( wct + mf

f

sen wmt)

Page 32: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

30

Si se define un índice de modulación como

mf = mw

w

= mf

f

entonces:

FFM (t) = A cos (wct + mf sen wmt)

y las formas de onda PM y FM de los modelos matemáticos son idénticos para índices de

modulación iguales. Con esta definición de índice de modulación, la dependencia de los

espectros de formas de onda PM y FM en el índice de modulación puede debatirse

simultáneamente

En conclusión, debe observarse que la frecuencia instantánea de las ondas PM y FM se

puede calcular de la relación.

w(t) = dt

td

Para las señales moduladoras especificadas de FM y PM respectivamente los resultados

son como sigue:

w(t) PM = wc + wm cos wmt

w (t) FM = wc + w cos wmt

La relación entre las variaciones instantáneas de fase y frecuencia en las ondas PM y FM

con modulación sinuosidal se muestra en la figura anterior.

Las Frecuencias DME están conectados con VHF omnidireccional (VOR), las frecuencias

y un interrogador DME está diseñado para ajustarse automáticamente a la

correspondiente frecuencia DME cuando las frecuencias asociadas VOR están

seleccionadas. El Interrogador de un avión DME utiliza frecuencias de 1025 a 1150 MHz.

Los DME pueden transmitir en un canal en el rango de 962 a 1150 MHz y recibir en un

canal correspondiente entre 962 a 1213 MHz. La banda se divide en 126 canales para los

interrogatorios y 126 canales de respuesta. Las frecuencias de interrogación y la

respuesta siempre difieren en un 63 MHz. La separación de todos los canales es de 1

MHz con un ancho espectro de la señal de 100 kHz.

Las referencias técnicas a los canales X e Y se refieren sólo a la separación de los

pulsos individuales en el par de impulsos DME, 12 microsegundos de espacio para los

canales X y 30 microsegundos de espaciado de canales Y.

Page 33: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

31

Las instalaciones DME se identifican con la frecuencia de 1350 Hz en clave morse de

código de tres pulsos. Si se coloca en sincronía con un VOR o ILS, tendrá el código de

una misma identidad como la instalación de los VOR o ILS . Además, el DME se

identificará entre los datos de la instalación. La identidad de DME es de 1350 Hz para

diferenciarse del tono Hz 1020 de la VOR o del localizador ILS.

1.9 TIPOS DE LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

1.9.1 Líneas de transmisión de conductor paralelo

Línea de transmisión de cable abierto. Una línea de transmisión de cable abierto es un

conductor paralelo de dos cables, y se muestra en la figura. Consiste simplemente de dos

cables paralelos, espaciados muy cerca y solo separados por aire. Los espaciadores no

conductivos se colocan a intervalos periódicos para apoyarse y mantener se a la

distancia, entre la constante de los conductores. La distancia entre los dos conductores

generalmente está entre 2 y 6 pulgadas.

El dieléctrico es simplemente el aire, entre y alrededor de los dos conductores en donde

se propaga la onda TEM. La única ventaja real de este tipo de línea de transmisión es su

construcción sencilla. Ya que no hay cubiertas, las pérdidas por radiación son altas y es

susceptible a recoger ruido.

Estas son las desventajas principales de una línea de transmisión de cable abierto. Por lo

tanto, las líneas de transmisión de cable abierto normalmente operan en el modo

balanceado.

Figura 22 Cables gemelos de doble terminal.

Page 34: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

32

Los cables gemelos son otra forma de línea de transmisión para un conductor paralelo de

dos cables. Los cables gemelos frecuentemente son llamados cable de cinta.

Figura 23 Cables gemelos de doble terminal.

Los cables gemelos esencialmente son igual que una línea de transmisión de cable

abierto, excepto que los espaciadores que están entre los dos conductores se reemplazan

con un dieléctrico sólido continuo. Esto asegura los espacios uniformes a lo largo de todo

el cable, que es una característica deseable por razones que se explicarán posteriormente

en este capítulo. Típicamente, la distancia entre los dos conductores es de 5/16 de

pulgada, para el cable de transmisión de televisión. Los materiales dieléctricos más

comunes son el teflón y el polietileno.

1.9.2 Cable de par trenzado.

Un cable de par trenzado se forma doblando ("trenzando") dos conductores aislados

juntos. Los pares se trenzan frecuentemente en unidades y las unidades, a su vez, están

cableadas en el núcleo. Estas se cubren con varios tipos de fundas, dependiendo del uso

que se les vaya a dar. Los pares vecinos se trenzan Con diferente inclinación (el largo de

la trenza) para poder reducir la interferencia entre los pares debido a la inducción mutua.

Las constantes primarias del cable de par trenzado son sus parámetros eléctricos

(resistencia, inductancia, capacitancia y conductancia). Que están sujetas a variaciones

con el ambiente físico como temperatura, humedad y tensión mecánica, y que dependen

de las variaciones en la fabricación. En la figura siguiente se muestra un cable de par

trenzado.

Page 35: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

33

Figura 24 Cable par trenzado.

1.9.3 Par de cables protegido con armadura.

Para reducir las pérdidas por radiación e interferencia, frecuentemente se encierran las

líneas de transmisión de dos cables paralelos en una malla metálica conductiva. La malla

se conecta a tierra y actúa como una protección. La malla también evita que las señales

se difundan más allá de sus límites y evita que la interferencia electromagnética llegue a

los conductores de señales. En la figura anterior se muestra un par de cables paralelos

protegido. Consiste de dos conductores de cable paralelos separados por un material

dieléctrico sólido. Toda la estructura está encerrada en un tubo trenzado conductivo y

luego cubierto con una capa protectora de plástico.

1.10 Líneas de transmisión coaxial o concéntrica

Las líneas de transmisión de conductores paralelos son apropiadas para las aplicaciones

de baja frecuencia. Sin embargo, en las frecuencias altas, sus pérdidas por radiación y

pérdidas dieléctricas, así como su susceptibilidad a la interferencia externa son excesivas.

Por lo tanto, los conductores coaxiales se utilizan extensamente, para aplicaciones de alta

frecuencia, para reducir las pérdidas y para aislar las trayectorias de transmisión. El cable

coaxial básico consiste de un conductor central rodeado por un conductor exterior

concéntrico (distancia uniforme del centro). A frecuencias de operación relativamente

altas, el conductor coaxial externo proporciona una excelente protección contra la

interferencia externa. Sin embargo, a frecuencias de operación más bajas, el uso de la

protección no es costeable. Además, el conductor externo de un cable coaxial general

mente está unido a tierra, lo que limita su uso a las aplicaciones desbalanceadas.

Page 36: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

34

Esencialmente, hay dos tipos de cables coaxiales: líneas rígidas llenas de aire Y líneas

sólidas flexibles. El material aislante es un material de polietileno sólido no conductivo que

proporciona soporte, así como aislamiento eléctrico entre el conductor interno y el

externo. El conductor interno es un cable de cobre flexible que puede ser sólido o hueco.

Figura 25 estructura de cable coaxial.

Los cables coaxiales rígidos llenos de aire son relativamente caros de fabricar, y el

aislante de aire tiene que estar relativamente libre de humedad para minimizar las

pérdidas Los cables coaxiales sólidos tienen pérdidas menores y son más fáciles de

construir, de instalar, y de dar mantenimiento. Ambos tipos de cables coaxiales son

relativamente inmunes a la radiación externa, ellos en si irradian muy poca, y pueden

operar a frecuencias más altas que sus contrapartes de cables paralelos. Las desventajas

básicas de las líneas de transmisión coaxial es que son caras y tienen que utilizarse en el

modo desbalanceado.

Figura 26 cable coaxial rígido.

Page 37: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

35

1.10.1 Balunes.

Un dispositivo de circuitos que se utiliza para conectar una línea de transmisión

balanceada a una carga desbalanceada se llama balun (balanceado a desbalanceado). 0

más comúnmente, una línea de transmisión desbalanceada, como un cable coaxial, se

puede conectar a una carga balanceada, como una antena, utilizando Un transformador

especial con un primario desbalanceado y un bobinado secundario con conexión central.

El conductor externo (protector) de una línea de transmisión coaxial desbalanceada

generalmente se conecta a tierra. A frecuencias relativamente bajas, pile de utilizarse un

transformador ordinario para aislar la tierra de la carga. El balun debe tener una

protección electrostática conectada a tierra física para minimizar los efectos de capacitan

cías dispersas.

Figura 27 Balun común para HF y VHF.

Para las frecuencias relativamente altas, existen varios tipos diferentes de balunes para

las líneas de transmisión.

El tipo más común es un balun de banda angosta, llamados a veces balun choque,

camisa o balun de bazuca. Se coloca alrededor una camisa de un cuarto de longitud de

onda y se conecta al conductor externo de un cable coaxial. En consecuencia, la

impedancia que se ye, desde la línea de transmisión, está formada por una camisa y el

conductor externo y es igual a infinito (o sea, que el conductor externo ya no tiene una

Page 38: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

36

impedancia de cero a tierra). Así que, uno de los cables del par balanceado se puede

conectar a la camisa sin hacer un cortocircuito a la señal. El segundo conductor se

conecta al conductor interno del cable coaxial.

1.11 DEFINICIÓN DE LÍNEA DE TRANSMISIÓN

Es cualquier sistema de conductores, semiconductores, o la combinación de

ambos, que puede emplearse para transmitir información, en la forma de energía

eléctrica o electromagnética entre dos puntos.

Son circuitos en frecuencias muy altas donde las longitudes de onda son cortas,

estas actúan como circuitos resonantes y aun como componentes reactivos en

VHF y UHF y frecuencias microondas.

1.12 CIRCUITO EQUIVALENTE DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN

Figura 28 Línea de transmisión de dos cables paralelos, circuito equivalente eléctrico.

Page 39: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

37

1.13 DEFINICIÓN DE LOS PARÁMETROS DEL CIRCUITO

R.- Resistencia total en Serie de la línea por unidad de longitud, incluyendo ambos

conductores. Unidades: Ohms/metro.

L.- Inductancia total en Serie de la línea por unidad de longitud, incluyendo la inductancia

debida al flujo magnético interno y externo a los conductores de la línea. Henrios/metro.

G.- Conductancia en paralelo de la línea por unidad de longitud. Es una representación de

las pérdidas que son proporcionales al cuadrado de la tensión entre los conductores o al

cuadrado del campo eléctrico en el medio. Generalmente G representa una pérdida

interna molecular de los materiales aislantes dieléctricos. Siemens/metro.

C.- Capacidad en paralelo de la línea por unidad de longitud. Farads/metro.

Nota.- Los símbolos definidos tienen diferentes significados y dimensiones que los

empleados en el análisis de circuitos eléctricos. En el caso de las líneas de tx, tratadas

como redes de dos puertos con longitudes no despreciables, dichos símbolos representan

resistencia, inductancia, etc, por unidad de longitud.

Las corrientes en la línea están acompañadas de un campo magnético. La inductancia

distribuida de la línea es una medida de la energía almacenada en este campo magnético

en una unidad de longitud de línea y por unidad de corriente.

Existe pérdida de potencia a medida que las corrientes de línea fluyen por los

conductores. La resistencia distribuida de la línea es una medida de la pérdida de

potencia en la unidad de longitud de la línea y por unidad de corriente.

La diferencia de potencial de la línea está asociada a un campo eléctrico. La capacitancia

distribuida es una medida de la energía almacenada en este campo, en la unidad de

longitud de la línea por unidad de diferencia de potencial.

Existe pérdida de potencia en el espacio entre los conductores. La conductancia

distribuida de la línea es una medida de esta pérdida, en la unidad de longitud de la línea

por unidad de tensión.

La existencia de coeficientes de circuito distribuido en paralelo sugiere la posibilidad de

que las corrientes del conductor pueden ser diferentes en distintas secciones

transversales de la línea. Corrientes de conducción o corrientes de desplazamiento fluirán

entre los conductores en función de la tensión entre ellos o de su tasa de cambio con el

tiempo, respectivamente. Las corrientes en la línea en dos secciones transversales

separadas, difieren en una cantidad de corriente transversal en la parte de línea tratada.

Page 40: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

38

1.14 CARACTERÍSTICAS DE LA TRANSMISIÓN

Las características de una línea de transmisión se llaman constantes secundarias y se

determinan con las cuatro constantes primarias. Las constantes secundarias son

impedancia característica y constante de propagación.

1.14.1 IMPEDANCIA CARACTERISTICA.

Para una máxima transferencia de potencia, desde la fuente a la carga (o sea, sin energía

reflejada), una línea de transmisión debe terminar se en una carga puramente resistiva

igual a la impedancia característica de la línea. La impedancia característica (Z0 de una

línea de transmisión es una cantidad compleja que se expresa en ohms, que idealmente

es independiente de la longitud de la línea, y que no puede medirse. La impedancia

característica (que a veces se llama resistencia a descarga) se define como la impedancia

que se ve desde una línea infinitamente larga o la impedancia que se ve desde el largo

finito de una línea que se termina en una carga totalmente resistiva igual a la impedancia

característica de la línea. Una línea de transmisión almacena energía en su inductancia y

capacitancia distribuida. Si la línea es infinitamente larga, puede almacenar energía

indefinidamente; está entrando energía a la línea desde la fuente y ninguna se regresa.

Por lo tanto, la línea actúa como un resistor que disipa toda la energía. Se puede simular

línea infinita si se termina una línea finita con una carga puramente resistiva igual a Z toda

la energía que entra a la línea desde la fuente se disipa en la carga (esto supone una

línea totalmente sin pérdidas).

1.15 CÁLCULO DE IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA (Z0)

Nota. Las formulas siguientes llevan todo un proceso que no describiré, me limitare solo a

su forma general y simplificación. Solo manejare para altas frecuencias, ya que considero

más práctico y comprensible.

Para frecuencias extremadamente altas, la inductancia y la capacitancia dominan

Puede verse de la ecuación anterior que para frecuencias altas, la impedancia

característica en una línea de transmisión se acerca a una constante, es independiente de

la frecuencia y longitud, y se determina solo por la inductancia y capacitancia. También

Page 41: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

39

puede verse que el ángulo de fase es de 0°. Por lo tanto, Z, es totalmente resistiva y toda

la energía incidente se absorberá por la línea.

Desde un enfoque puramente resistivo, puede deducirse fácilmente que la impedancia

vista, desde la línea de transmisión, hecha de un número infinito de secciones se acerca

ala impedancia característica.

1.16 CONSTANTE DE PROPAGACIÓN.

La constante de propagación (a veces llamada el coeficiente de propagación) se utiliza

para expresar la atenuación (pérdida de la señal) y el desplazamiento de fase por unidad

de longitud de una línea de transmisión. Conforme se propaga una onda, a lo largo de la

línea de transmisión, su amplitud se reduce con la distancia viajada. La constante de

propagación se utiliza para determinar la reducción en voltaje o corriente en la distancia

conforme una onda TEM se propaga a lo largo de la línea de transmisión.

Para una línea infinitamente larga, toda la potencia incidente se disipa en la resistencia

del cable, conforme la onda se propague a lo largo de la línea. Por lo tanto, con una línea

infinitamente larga o una línea que se ve como infinitamente larga, como una línea finita

se termina en un carga acoplada (Z = ZL), no se refleja ni se regresa energía nuevamente

a la fuente. Matemáticamente, la constante de propagación es

La constante de propagación es una cantidad compleja definida por

Ya que un desplazamiento de fase de 2 rad ocurre sobre una distancia de una longitud de

onda

Page 42: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

40

A frecuencias de radio e intermedias wL> R y wC> G por lo tanto

1.17 FACTOR DE VELOCIDAD

Una consideración importante en aplicaciones de líneas de transmisión es que la

velocidad de la señal en la línea de transmisión es más lenta que la velocidad de una

señal en el espacio libre. La velocidad de propagación de una señal en un cable es menor

que la velocidad de propagación de la luz en el espacio libre, por una fracción llamada

factor de velocidad.

La velocidad a la que viaja una onda electromagnética, en una línea de transmisión,

depende de la constante dieléctrica del material aislante que separa los dos conductores.

El factor de velocidad se puede obtener, aproximadamente, con la formula

en donde Er es la constante dieléctrica de un material determinado (permeabilidad del

material relativo a la permeabilidad del vació, la relación E/Er,).

La constante dieléctrica es simplemente la permeabilidad relativa del material. La

constante dieléctrica relativa del aire es 1.0006. Sin embargo, la constante dieléctrica de

los materiales comúnmente utilizados en las líneas de transmisión varían de 1.2 a 2.8,

dando factores de velocidad desde 0.6 a 0.9. Los factores de velocidad para varias

Page 43: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

41

configuraciones comunes para líneas de transmisión se indican anteriormente así como

las constantes dieléctricas para varios materiales.

La constante dieléctrica depende del tipo de material que se utilice. Los inductores

almacenan energía magnética y los capacitadores almacenan energía eléctrica. Se

necesita una cantidad finita de tiempo para que un inductor o capacitor tome o dé energía.

Por lo tanto, la velocidad a la cual una onda electromagnética se propaga a lo largo de

una línea de transmisión varia con la inductancia y la capacitancia del cable. Se puede

mostrar que el tiempo T= vL Por lo tanto, la inductancia, la capacitancia, y la velocidad de

propagación están relacionadas matemáticamente por la formula.

Velocidad X tiempo = distancia

Por lo tanto,

Substituyendo por el tiempo da

Si la distancia se normaliza a 1 m, la velocidad de propagación para una línea sin

perdidas es:

Page 44: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

42

1.18 LONGITUD ELÉCTRICA DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN

La longitud de una línea de transmisión relativa a la longitud de onda que se propaga

hacia abajo es una consideración importante, cuando se analiza el comportamiento de

una línea de transmisión. A frecuencias bajas (longitudes de onda grandes), el voltaje a lo

largo de la línea permanece relativamente constante. Sin embargo, para frecuencias altas

varias longitudes de onda de la señal pueden estar presentes en la línea al mismo tiempo

Por lo tanto, el voltaje a lo largo de la línea puede variar de manera apreciable. En

consecuencia, la longitud de una línea de transmisión frecuentemente se da en longitudes

de onda, en lugar de dimensiones lineales.

Los fenómenos de las líneas de transmisión se aplican a las líneas largas. Generalmente,

una línea de transmisión se define como larga si su longitud excede una dieciseisava

parte de una longitud de onda; de no ser así, se considera corta. Una longitud

Page 45: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

43

determinada, de línea de transmisión, puede aparecer corta en una frecuencia y larga en

otra frecuencia.

Por ejemplo, un tramo de 10 m de línea de transmisión a 1000 Hz es corta = 300,000 m;

10 m es solamente una pequeña fracción de una longitud de onda). Sin embargo, la

misma línea en 6 GHz es larga (A = 5 cm; la línea es de 200 longitudes de onda de

longitud).

1.19 PÉRDIDAS EN LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN

Para propósitos de análisis se consideran las líneas sin pérdidas o ideales, como todo en

la electrónica se considera ideal, pero no lo son. En las líneas existen ciertos tipos de

pérdidas a continuación haré una breve descripción de ellas.

1.19.1 PÉRDIDA DEL CONDUCTOR:

Como todos los materiales semiconductores tienen cierta resistencia finita, hay una

pérdida de potencia inherente e inevitable.

1.19.2 PÉRDIDA POR RADIACIÓN:

Si la separación, entre los conductores en una línea de transmisión, es una fracción

apreciable de una longitud de onda, los campos electroestáticos y electromagnéticos que

rodean al conductor hacen que la línea actúe como antena y transfiera energía a cualquier

material conductor cercano.

1.19.3 PÉRDIDA POR CALENTAMIENTO DEL DIELÉCTRICO:

Una diferencia de potencial, entre dos conductores de una línea de transmisión causa la

pérdida por calentamiento del dieléctrico. El calor es una forma de energía y tiene que

tomarse de la energía que se propaga a lo largo de la línea. Para líneas dieléctricas de

aire, la pérdida de calor es despreciable. Sin embargo, para líneas sólidas, se incrementa

la pérdida por calentamiento del dieléctrico con la frecuencia.

1.19.4 PÉRDIDA POR ACOPLAMIENTO:

La pérdida por acoplamiento ocurre cada vez que una conexión se hace de o hacia una

línea de transmisión o cuando se conectan dos partes separadas de una línea de

transmisión. Las conexiones mecánicas son discontinuas (lugares donde se encuentran

materiales diferentes). Las discontinuidades tienden a calentarse, a radiar energía, y a

disipar potencia

Page 46: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

44

1.20 CORONA (DESCARGAS LUMINOSAS)

La corona es una descarga luminosa que ocurre entre los dos conductores de una „línea

de transmisión, cuando la diferencia de potencial, entre ellos, excede el voltaje de ruptura

del aislante dieléctrico. Generalmente, una vez que ocurre una corona, se puede destruir

la línea de transmisión.

1.21 ONDAS INCIDENTES Y REFLEJADAS

Una línea de transmisión ordinaria es bidireccional; la potencia puede propagarse,

igualmente bien, en ambas direcciones. El voltaje que se propaga, desde la fuente hacia

la carga, se llama voltaje incidente, y el voltaje que se propaga, desde la carga hacia la

fuente se llama voltaje reflejado. En forma similar, hay corrientes incidentes y reflejadas.

En consecuencia, la potencia incidente se propaga hacia la carga y la potencia reflejada

se propaga hacia la fuente. El voltaje y la corriente incidentes, siempre están en fase para

una impedancia característica resistiva. Para una línea infinitamente larga, toda la

potencia incidente se almacena por la línea y no hay potencia reflejada. Además, si la

línea se termina en una carga totalmente resistiva, igual a la impedancia característica de

la línea, la carga absorbe toda la potencia incidente (esto supone una línea sin pérdidas).

Para una definición más práctica, la potencia reflejada es la porción de la potencia

incidente que no fue absorbida por la carga. Por lo tanto, la potencia reflejada nunca

puede exceder la potencia incidente.

1.22 LÍNEAS RESONANTES Y NO RESONANTES

Una línea sin potencia reflejada se llama línea no resonante o plana. En una línea plana,

el voltaje y la corriente son constantes, a través de su longitud, suponiendo que no hay

pérdidas. Cuando la carga es un cortocircuito o circuito abierto, toda la potencia incidente

se refleja nuevamente hacia la fuente. Si la fuente se reemplazara con un circuito abierto

o cortocircuito y la línea no tuviera pérdidas, la energía que está presente en la línea se

reflejaría de un lado a otro (oscilara), entre las terminaciones de la carga y la fuente, en

forma similar a la potencia en un circuito tanque. Esto se llama línea resonante. En una

línea resonante, la energía se transfiere en forma alternada entre los campos magnéticos

y eléctricos de la inductancia y la capacitancia distribuidas. La figura muestra una fuente,

una línea de transmisión, y una carga con sus ondas incidentes y reflejadas

correspondientes.

Page 47: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

45

Figura 29 Diagrama de Línea de transmisión de Ondas

1.23 COEFICIENTE DE REFLEXIÓN

El coeficiente de reflexión (a veces llamado el coeficiente de la reflexión), es una cantidad

vectorial que representa a la relación del voltaje reflejado al voltaje incidente 0 corriente

reflejada a la corriente incidente. Matemáticamente, el coeficiente de reflexión es gamma,

f, definido por

Page 48: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

46

o también:

1.23.1 RELACIÓN DE ONDA ESTACIONARIA

La relación de onda estacionaria (SWR), se define como la relación del voltaje máximo

con el voltaje mínimo, o de la corriente máxima con la corriente mínima de una onda.

Figura 30 Desarrollo de una onda estacionaria en una línea de transmisión de las diferentes tipos de onda.

La relación de onda estacionaria (SWR), se define como la relación del voltaje máximo

con el voltaje mínimo, o de la corriente máxima con la corriente mínima de una onda. A

ello también se llama relación de voltajes de onda estacionaria. (VSWR). En esencia es

una medida de la falta de compensación entre la impedancia de carga y la impedancia

característica de la línea de transmisión.

Page 49: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

47

La ecuación correspondiente es :

(Adimensional)

Los máximos de voltaje (Vmax) se presentan cuando las ondas incidentes y reflejadas

están en fase (es decir, sus máximos pasan por el mismo punto de la línea, con la misma

polaridad) y los mínimos de voltaje (Vmin) se presentan cuando las ondas incidentes y

reflejadas están desfasadas 180º. La ecuación queda:

1.23.2 ONDAS ESTACIONARIAS EN UNA LÍNEA ABIERTA

Cuando las ondas incidentes de voltaje y corriente alcanzan una terminación abierta, nada

de la potencia se absorbe; toda se refleja nuevamente a la fuente. La onda de voltaje

incidente se refleja exactamente, de la misma manera, como si fuera a continuar a lo largo

de una línea infinitamente larga. Sin embargo. La corriente incidente se refleja 180°

invertida de cómo habría continuado si la línea no estuviera abierta. Conforme pasen las

ondas incidentes y reflejadas, las ondas estacionarias se producen en la línea. La figura

muestra las ondas estacionarias de voltaje y de corriente, en una línea de transmisión que

está terminada en un circuito abierto. Puede verse que la onda estacionaria de voltaje

tiene un valor máximo, en la terminación abierta, y una longitud de onda de un cuarto de

valor mínimo en el circuito abierto. La onda estacionaria de corriente tiene un valor

mínimo, en la terminación abierta, y una longitud de onda de un cuarto de valor máximo

en el circuito abierto. Es lógico suponer que del voltaje máximo ocurre a través de un

circuito abierto y hay una corriente mínima.

Page 50: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

48

Las características de una línea de transmisión terminada en un circuito abierto pueden

resumirse como sigue:

1. La onda incidente de voltaje se refleja de nuevo exactamente como si fuera a continuar

(o sea, sin inversión de fase).

2. La onda incidente de la corriente se refleja nuevamente 1800 de como habría

continuado.

3. La suma de las formas de ondas de corriente reflejada e incidente es mínima a circuito

abierto.

4. La suma de las formas de ondas de corriente reflejada e incidente es máxima a circuito

abierto.

Figura 31 Diagrama de onda estacionaria en una línea abierta.

Page 51: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

49

1.23.3 ONDAS ESTACIONARIAS EN UNA LÍNEA EN CORTOCIRCUITO

Así como en una línea de circuito abierto nada de la potencia incidente será adsorbida por

la carga, cuando una línea de transmisión se termina en un cortocircuito. Sin embargo,

con una línea en corto, el voltaje incidente y las ondas de corriente se reflejan,

nuevamente de la manera opuesta La onda de voltaje se refleja 1800 invertidos de cómo

habría continuado, a lo largo de una línea infinitamente larga, y la onda de corriente se

refleja exactamente de la misma manera como si no hubiera corto.

Las características de una línea de transmisión terminada en corto puede resumir como

sigue:

1. La onda estacionaria de voltaje se refleja hacia atrás 180 invertidos de cómo habría

continuado.

2. La onda estacionaria de corriente Se refleja, hacia atrás, como si hubiera

continuado.

3. La suma de las formas de ondas incidentes y reflejadas es máxima en el corto.

4. La suma de las formas de ondas incidentes y reflejadas es cero en el corto.

Para una línea de transmisión terminada en un cortocircuito o circuito abierto, el

coeficiente de reflexión es 1 (el peor caso) y la SWR es infinita (también la condición de

peor caso).

Figura 32 Diagrama de onda estacionaria en una línea de corto circuito.

Page 52: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

50

CAPITULO 2 ANALISIS DEL DME

La medición del tiempo de transmisión y reacción de los pulsos aleatorios y la

determinación de la distancia de manera indirecta es el principio básico de operación de

un DME.

Para entender más a fondo el funcionamiento de un DME debemos tener los siguientes

conceptos bien planteados.

2.1 HARDWARE

El sistema DME se compone de un transmisor UHF / receptor (interrogador) en la

aeronave y un receptor UHF / transmisor (equipo) en el suelo.

Figura 32 Circuito de un DME.

Page 53: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

51

2.2 TIEMPO DE REPETICION

El avión interroga a los equipos de tierra con una serie de pulsos pares (interrogatorios) y,

después de un tiempo preciso (típicamente 50 microsegundos), las respuestas estación

de tierra con una secuencia idéntica de la respuesta de pulso pares. El receptor DME en

las búsquedas de aeronaves para el pulso de los pares (X-mode = 12 espacio de

microsegundos) con el intervalo de tiempo adecuado entre ellos, lo cual está determinado

por el patrón de cada aeronave individual de interrogatorio particular. El interrogador de

aviones seguros a la estación de tierra DME, una vez que entiende que la secuencia de

pulsos en particular es la secuencia de interrogatorio que envió originalmente. Una vez

que el receptor está bloqueado en el, tiene una ventana más estrecha en la que buscar

los ecos y pueden retener bloqueo.

2.3 CALCULO DE DISTANCIA

Un pulso de radio tarda alrededor de 12,36 microsegundos en viajar 1 milla náutica (1.852

m) desde y hacia, lo que también se conoce como un radar de milla. La diferencia de

tiempo entre la interrogación y la respuesta de 1 milla náutica (1.852 m) menos 50

microsegundos de retraso del equipo de tierra, se mide por los circuitos de tiempo del

interrogador y traducida en una medición de distancia (distancia oblicua), mostrado en

millas náuticas, y luego se muestran en la pantalla de la cabina del piloto DME.

La fórmula de la distancia, distancia = velocidad * tiempo, es utilizado por el receptor

DME para calcular su distancia de la estación de tierra DME. La tasa para el cálculo es la

velocidad del pulso de radio, que es la velocidad de la luz (aproximadamente 300.000.000

m / s, o 186.000 km / s). El tiempo en el cálculo (tiempo total - 50μs) / 2.

2.4 PRECISIÓN

La precisión de las estaciones de tierra DME es de 185 m (± 0.1 nmi). Es importante

entender que el DME ofrece la distancia física entre la aeronave y el equipo DME. Esta

distancia se refiere a menudo como "distancia oblicua" y depende trigonométricamente de

la altura sobre el equipo y la distancia al suelo de la misma.

Por ejemplo, un avión justo encima de la estación DME a 6000 pies (1 nmi) de altura

todavía se muestran 1,0 nmi (1,9 km) en la lectura DME. El avión esta técnicamente a una

Page 54: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

52

milla de distancia, a sólo una milla hacia arriba. El rango de Error Slant es más

pronunciada en las mayores altitudes, que cerca de la estación DME.

Las Radio-ayudas a la navegación deben mantener un cierto grado de precisión, teniendo

en cuenta los estándares internacionales, tal y como lo marcan organismos como la FAA,

la AESA, la OACI, etc. Para asegurar este detalle, las organizaciones de inspección

periódicamente verifican en vuelo los parámetros críticos con las aeronaves debidamente

equipadas para calibrar y certificar la precisión DME.

La OACI recomienda una precisión de 0,25 nmi más 1.25% de la distancia medida.

2.5 TERMINAL DME

Una TERMINAL DME, conocida como TDME en las cartas de navegación, es un DME

que está diseñado para proporcionar una lectura de 0 en el umbral de la pista,

independientemente de la ubicación física del equipo. Que se asocia típicamente con ILS

o de aproximación por instrumentos.

Los Receptores de DME, o interrogadores, son producidos por varios fabricantes. Algunos

interrogadores DME proporcionan un rango de 300 millas náuticas, y también puede dar

razón de la información de aproximación. En los interrogadores muchas tienen un sistema

de auto prueba automático incorporado. Normalmente, los interrogadores DME no tiene

una unidad de control independiente, el equipo se controla desde un mando común "VHF

NAV. El canal de DME apropiada se selecciona automáticamente cuando una frecuencia

VOR está seleccionada. También hay un número limitado de instalaciones ILS DME

donde es co-situado de manera que proporcionan la distancia del umbral de pista y está

disponible por la sincronización de frecuencia con el ILS seleccionado.

2.5.1 TERMINAL EN APROXIMACION

Ejemplo:

20 NM DME Arco

A. En torno al DME comenzar un giro de 90 ° a la derecha para alinearse al arco 20

DME. Una regla de oro que puede ser utilizada para el cálculo de los puntos de

ventaja para la vuelta de un radial en un arco es el uso de 0,5% respecto al suelo

de viraje a velocidad estándar y el 1% de la velocidad respecto al suelo de un 2.1

estándar. En este ejemplo, se utilizó una velocidad baja de 200 nudos y un 1 / 2

vuelta (200 nudos x 1,0% = 2 millas náuticas (mn)).

Page 55: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

53

B. Volar el arco no por debajo de la MEA publicada (en este caso 3.000 pies).

C. Al llegar a la dirección radial (LR 010), el avión esta a 2 millas náuticas de la

aproximación final radial (000 grado I). Iniciar un giro a la izquierda de

aproximadamente 90 ° para interceptar el radial deseado.

D. El piloto puede descender a la altitud de la próxima visualización de la tabla de

procedimientos por instrumentos.

Figura 33 Arco de aproximación por DME

2.6 PRINCIPIO DE OPERACIÓN

El DME medirá la distancia en una línea recta a la baliza de tierra (distancia oblicua), no la

distancia desde un punto en el suelo verticalmente por debajo de la aeronave (gama

baja). La diferencia es generalmente insignificante, excepto cuando se muestra

directamente sobre una baliza la distancia a una altura por encima del faro de medición,

tal y como se muestra en la Figura 33.

El DME opera en la Frecuencia Ultra Alta (UHF) y de los 252 canales disponibles se

encuentra entre los 960 y 1215 MHz. Utiliza un pulso doble tanto para el interrogador

como para el transpondedor. Todos los pulsos son de la misma duración, es decir, 3,5

micro-segundos. La discriminación entre los canales se logra por la separación de

frecuencia y el espaciamiento de pulso.

Los canales están numerados del 1 al 126 y cada número de canal se divide en dos

canales designados 'X' e 'Y'.

Page 56: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

54

Figura 34 Principio de Operación del DME

Cada par numerado de canales está separado del par contiguo por 1 MHz. Ls canales 'X'

están separados de los canales 'Y' variando el tiempo de separación de pulso. El

espaciado de separación de pulso es el mismo para todos los canales 'X', siendo 12

micro-segundos, tanto para el interrogador como para el transpondedor. En el caso de los

canales 'Y' el espaciamiento de pulso es de 36 micro-segundos para el interrogador y de

30 micro-segundos para el transpondedor.

También se prevén en el Convenio de la OACI, para la sincronización de los canales de

DME con la frecuencia asociada VOR.

La tasa de interrogatorio (referido como frecuencia de repetición de pulso, o prf) es

nominalmente de 30 pares de impulsos por segundo. Sin embargo, durante el período de

búsqueda de esta tasa aumenta aproximadamente a 150 pares de impulsos por segundo.

Este diseño permite a 100 aeronaves interrogar a una baliza de tierra al mismo tiempo.

La Identificación de la baliza de tierra es en forma de caracteres de código Morse.

Page 57: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

55

Figura 35 Código MORSE

Los Receptores DME, o interrogadores, son producidos por un gran número de

fabricantes. Algunos interrogadores DME proporcionan un rango de 300 millas náuticas y

también puede dar razón de la información de aproximación. Muchos interrogadores

tienen un sistema automático incorporado de auto-test, el cual ayuda a la detección de

fallas en el equipo.

Normalmente, los interrogadores DME no tiene una unidad de control independiente, el

equipo se controla a partir de una unidad común de control de ondas métricas

Page 58: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

56

El canal de DME apropiada se selecciona automáticamente cuando se selecciona una

frecuencia VOR. Hay también un número limitado de instalaciones ILS DME las cuales

están co-ubicados para proporcionar la información de la distancia al umbral de

aproximación y este se encuentra disponible por apareamiento de frecuencia con el ILS

seleccionado. Cuando sólo una baliza TACAN es la selección apropiada disponible es

hecha refiriéndose al número de canal TACAN.

El equipo DME debe ser operado de acuerdo con las instrucciones del fabricante para el

equipo en particular.

La secuencia de operación es, sin embargo, generalmente como a continuación se

muestra:

1. Encienda el equipo

2. Cuando el equipo indica que está buscando, seleccione la frecuencia de la

comparación del "VHF valor liquidativo ' se requiere según lo especificado en la AIP

(ERSA o DAP)

3. Cuando el interrogador se cierra, verifique la identificación de código Morse de la

baliza para asegurar que la frecuencia correcta ha sido seleccionada.

2.7 DESCRIPCION DEL DME Y ANALISIS DEL DIAGRAMA A BLOQUES

El equipo medidor de distancias, DME, se integra con el ILS para proporcionar a las

aeronaves información de distancia al umbral de pista durante las maniobras de

aproximación de precisión.

El DME no es un subsistema del ILS, ya que el elemento del ILS encargado de

proporcionar indicación de distancia son las radiobalizas. No obstante, estas han sido

prácticamente sustituidas por el DME.

Desde el punto de vista de funcionamiento, el DME presenta una diferencia importante.

Así como en el Localizador y en la Senda de Planeo el instrumento de a bordo era un

simple elemento pasivo que recibía y decodificaba la señal generada por la instalación de

tierra sin intervenir para nada más, en el caso del DME el instrumento de a bordo,

denominado interrogador, transmite señales de interrogación que tras ser recibidas y

retransmitidas por el equipo de tierra, denominado transpondedor, proporcionarán al

interrogador la información de distancia.

Page 59: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

57

El principio teórico de medida de distancia del DME se basa en medir el tiempo

transcurrido entre que se transmite una interrogación y se recibe la respuesta generada

en tierra. Multiplicando la mitad de este tiempo por la velocidad de propagación de las

señales radioeléctricas, aproximadamente la velocidad de la luz (300.000 Km/s),

obtenemos la distancia en línea recta entre la aeronave y la estación DME de tierra.

Figura 36 Cálculo de Distancia

Esta distancia, denominada distancia oblicua, no corresponde a la distancia que separa a

la aeronave de la estación en el plano horizontal, pero a distancias grandes es muy

aproximada. No obstante al acercarse a la vertical de la estación, el error va aumentando

y sobre la vertical, en el caso de que existiese cobertura, la distancia indicada sería igual

a la altura.

En la figura 36 podemos ver un diagrama de bloques del interrogador y el transpondedor

junto con el esquema del principio de medida de distancia. Como puede verse, las

señales de interrogación y respuesta están formadas por pares de pulsos gausianos de

radiofrecuencia en la banda de 962 a 1214 Mhz.

Para diferenciar los pulsos de interrogación de los de respuesta, existe una diferencia de

63 Mhz entre la frecuencia del interrogador y la del transpondedor. Con todo esto la banda

de trabajo del DME está dividida en 126 canales de interrogación y 126 de respuesta

apareados, es decir que de forma automática al seleccionar el canal de la estación de

tierra, se selecciona la frecuencia en que hay que interrogarle y en la que se le va a

Page 60: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

58

recibir. Volviendo al ejemplo de la carta de aproximación del aeropuerto de Vitoria y con

las tablas del Anexo 10 de OACI podemos ver que a la frecuencia del Localizador (108.9

Mhz) le corresponde el canal 26X del DME que tiene asignada como frecuencia para las

interrogaciones 1.050 Mhz y para las respuestas 987 Mhz. Como se puede comprobar la

diferencia es de 63 Mhz como hemos dicho antes.

Figura 37 Distancia Oblicua

Dado que son las aeronaves las que transmiten los pulsos de interrogación, puede darse

el caso, y de hecho se da, que lo hagan varias a la vez. Estas interrogaciones llegarán al

transpondedor que generará y emitirá los pulsos de respuesta todos en la misma

frecuencia. Entonces tenemos un montón de pulsos en el espacio y cada aeronave tiene

que encontrar la forma de distinguir los que son respuestas a sus interrogaciones y le

servirán para calcular su distancia.

La forma de distinguirlos consiste en generar los pulsos de interrogación con una

frecuencia de repetición de pulsos cambiante, es decir, separando los pares de pulsos por

un tiempo aleatorio pero que queda memorizado en el interrogador. Al recibir los pulsos

de respuesta, se van comparando con la secuencia memorizada y cuando coinciden se

sabe que son los correspondientes a las interrogaciones propias. Entonces solo queda

calcular la distancia por el método descrito.

Page 61: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

59

Lo que hemos dicho en el párrafo anterior resuelve el problema para el interrogador, pero

no para el transpondedor de tierra cuya capacidad de respuestas no es ilimitada. Con el

fin de aumentar el número de aeronaves que pueden obtener información de distancia a

la vez sin saturar la capacidad del transpondedor, se programa a los interrogadores para

que hagan su trabajo en dos fases distintas:

Función “Búsqueda”: es la fase inicial cuando se sintoniza una estación de tierra.

En ella el número de interrogaciones es muy elevado, unas 150 por segundo, para

intentar establecer un valor inicial de la distancia con un error menor de 20 NM.

Esta fase no durará más de 20 segundos.

Función “Seguimiento”: una vez que el interrogador a determinado la distancia

aproximada a la que se encuentra de la estación, se entra en esta fase en la que el

ritmo de interrogaciones desciende hasta unas 25 por segundo. Ahora el objetivo

es aumentar la precisión con que se conoce la distancia medida y realizar un

seguimiento de la aeronave en su desplazamiento.

Teniendo en cuenta el número máximo de interrogaciones en cada una de las dos fases,

se establece un número máximo total de 100 aeronaves que pueden utilizar una estación

DME de forma simultánea. Con estas 100 aeronaves, el transpondedor estaría

transmitiendo 2700 pares de pulsos por segundo.

Figura 38 Diagrama a Bloques del equipo de A Bordo

Page 62: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

60

Además de las respuestas a las interrogaciones recibidas, el transpondedor transmite una

identificación formada por tres letras en código Morse e idéntica a la transmitida por la

estación de información acimutal (Localizador o VOR) a la que esté asociado. Esta

identificación consiste en la transmisión de pares de pulsos a razón de 1350 pares por

segundo. Los pares de pulsos se transmiten cada aproximadamente 40 segundos.

Con el fin de optimizar el funcionamiento del transmisor del transpondedor, sobre todo de

los antiguos que funcionaban a válvulas, este se diseña para una transmisión continua

mínima de 700 pares por segundo, excepto durante la transmisión de los pares de pulsos

de interrogación. Cuando el número de aeronaves está por debajo de este valor mínimo,

el transpondedor genera unos pulsos de relleno llamados “squitter” que sirven para

mantener constante el ciclo de trabajo del transmisor. Es decir, aunque no haya ninguna

aeronave interrogándolo, el transpondedor siempre está transmitiendo pulsos, bien de

identificación o squitter.

Resumiendo todo lo anterior, podemos decir que en el tren continuo de pulsos

transmitidos por el transpondedor encontraremos de forma aleatoria: respuestas a

interrogaciones, pares de pulsos de identificación y pulsos de squitter.

En caso de que el número de aeronaves que están interrogando a la vez llegase al 90%

del valor máximo de 2700 pares por segundo, el sistema de supervisión del

transpondedor disminuye la sensibilidad del receptor para eliminar las interrogaciones de

aeronaves muy distantes que al llegar más débiles se rechazarán en el receptor.

Llevamos mucho rato hablando de los pares de pulsos sin todavía haber aclarado un poco

sus características, así que vamos a hacerlo ahora. Como podemos ver en la figura, cada

interrogación y su correspondiente respuesta está formada por una serie de pares de

pulsos de radiofrecuencia. La duración de estos pulsos en los puntos de amplitud media

es de 3.5 ms ( 1 microsegundo = 0.000001 s) y la separación entre los dos pulsos del par

es de 12 ms tanto en la interrogación como en la respuesta en el caso de canales X. Con

el fin de aumentar el número de canales dentro de la misma banda de frecuencias, OACI

establece otros canales denominados canales Y en los cuales la separación entre pulsos

es de 36 ms en la interrogación y 30 ms en la respuesta. La forma del pulso es la de una

campana de Gauss.

Como hemos dicho la separación entre pares de pulsos se genera de forma aleatoria en

el interrogador.

Page 63: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

61

En la siguiente figura podemos ver un diagrama de bloques de la estación de tierra del

DME y estos son sus principales elementos:

Fuente de alimentación: se encarga de generar las tensiones necesarias en cada

bloque o tarjeta de circuito impreso a partir de la alimentación en corriente alterna.

Antena: normalmente está formada por un apilamiento de dipolos verticales y se

encarga de recibir las interrogaciones de los aviones y transmitir las respuestas.

Tiene polarización vertical. Cuando el DME está asociado con el ILS, la antena

normalmente suele ser directiva para que solo se tenga cobertura en la zona de

aproximación.

Acoplador o circulador: se encarga de separar las señales recibidas de las

transmitidas ya que como hemos dicho antes, la antena es común.

Receptor: a partir de la señal de radiofrecuencia, obtiene los pulsos de

interrogación como señal detectada.

Decodificador: comprueba el espaciado de los pulsos para detectar interrogaciones

válidas, es decir, aquellas en las que dicho espaciado es de 12 ms o 36 ms

dependiendo del canal de que se trate. Produce un pulso de control que sirve para

generar las respuestas. Con el fin de evitar responder a pares de pulsos

procedentes de interrogaciones reflejadas en objetos u obstáculos naturales y que

darían lugar a errores en el interrogador, el decodificador produce un bloqueo del

receptor durante unos 60 ms una vez que ha detectado una interrogación válida.

Retardo principal: con el fin de homogeneizar el retardo que se produce en los

distintos tipos de transpondedores durante la detección y generación de

respuestas, se introduce un retardo para conseguir que en todos sea igual a 50 ms.

Este retardo se restará después en el interrogador a la hora de calcular la

distancia. En el caso de un DME asociado a un ILS, este retardo principal se

modifica para que la referencia de distancia cero corresponda con el umbral. Si la

distancia de la antena del DME al umbral es de 300 m, teniendo en cuenta que la

velocidad de propagación de la radiofrecuencia en el aire es de aproximadamente

300.000 Km/s = 300 m/ms, tendremos que el retardo tendrá que ser de 48 ms para

que el interrogador indique cero en el umbral.

Codificador: con cada pulso de control genera un par de pulsos con las

características y espaciado requerido. También genera los pulsos correspondientes

a la identificación. - Transmisor: se encarga de modular la señal portadora con los

pulsos proporcionados por el codificador.

Page 64: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

62

Sistema de supervisión: es el encargado de controlar que la señal radiada y los

parámetros del equipo de tierra se encuentran dentro de las tolerancias

establecidas. Dado que en el DME es necesario comprobar el buen funcionamiento

tanto del transmisor como del receptor, dentro del sistema de supervisión se

generan unas señales de interrogación de prueba que se inyectan en el camino de

recepción antes del receptor. El sistema de supervisión comprueba el correcto

tratamiento (recepción y detección) de estas interrogaciones de prueba y determina

el estado del canal de recepción.

Unidad de control local: con la información proporcionada por el sistema de

supervisión sobre el estado de las parámetros de la estación, esta unidad

establece el funcionamiento del sistema realizando una transferencia de equipo o

cesando la radiación.

Unidad de control remoto: permite supervisar y controlar la instalación desde un

emplazamiento remoto.

Al igual que en la senda de Planeo y en el Localizador, todos los elementos descritos, a

excepción de la antena y las unidades de control, se encuentran duplicados.

Cuando el DME se utiliza para proporcionar la función de distancia del ILS, se instala en

el mismo emplazamiento que la Senda de Planeo de forma que la antena del DME se

encuentre próxima al umbral que, como hemos dicho, será la referencia de distancia cero

durante la aproximación. En este caso el indicativo del DME es igual al transmitido por el

Localizador y se asocia con este de forma que de cada cuatro señales de indicativo, tres

sean transmitidas por el Localizador y una por el DME.

Figura 39 Computador Convencional de DME

Page 65: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

63

Con el fin de aumentar la precisión para ser utilizado con el Sistema de Aterrizaje por

Microondas (MLS: Microwave Landing System), OACI ha definido el denominado DME de

precisión (DME/P) en el cual se modifica la forma de los pulsos para aumentar la precisión

al medir los tiempos entre interrogaciones y respuestas.

Cuando el DME está instalado junto con un ILS, debe proporcionar cobertura desde por lo

menos la cobertura del Localizador hasta el umbral en el sector de cobertura acimutal del

Localizador. En este volumen de cobertura la precisión de la medida de distancia

proporcionada por el DME estará comprendida entre 370 m y el 0.25% de la distancia.

La información de distancia obtenida por el DME se le presenta al piloto en millas náuticas

(1 NM = 1852 m) en el propio instrumento DME de a bordo así como en otros

instrumentos que combinan varias informaciones y facilitan su lectura al piloto.

A continuación se presenta un diagrama de bloques simplificado del transpondedor DME.

Figura 40 Diagrama a Bloques del receptor DME

Page 66: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

64

Capitulo 3 PROPUESTA TECNOLOGICA

3.1 SISTEMA GLOBAL DE NAVEGACION POR SATELITE

Un Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS, por sus siglas en inglés) es una

constelación de satélites que transmite rangos de señales utilizados para el

posicionamiento y localización en cualquier parte del globo terrestre, ya sea en tierra, mar

o aire. Estos permiten determinar las coordenadas geográficas y la altitud de un punto

dado como resultado de la recepción de señales provenientes de constelaciones de

satélites artificiales de la Tierra para fines de navegación, transporte, geodésicos,

hidrográficos, agrícolas, y otras actividades afines incluidas las aeronáuticas.

Un sistema de navegación basado en satélites artificiales puede proporcionar a los

usuarios información sobre la posición y la hora (cuatro dimensiones) con una gran

exactitud, en cualquier parte del mundo, las 24 horas del día y en todas las condiciones

climatológicas.

Figura 41 Sistema de Navegación por satélite

Page 67: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

65

3.2 LOS GNSS Y SU USO EN LA AVIACION COMO SISTEMA DE NAVEGACION

Actualmente muchos pilotos de la aviación general, emplean equipos GNSS como ayuda

para su navegación cuya finalidad es proporcionar información básica, que permita una

mejor función de los servicios prestados.

El uso de estos aparatos sigue siendo solo como ayuda para la navegación ya que no

cumple los requisitos de navegación exigidos por OACI en relación a la persistencia

operacional, por lo que no puede ser certificado como medio único de navegación aérea y

no es usado con propósitos que requieran mediciones de dirección, distancia ubicación o

topografía.

Proponiendo la utilización de satélites como soporte a la navegación, ofreciendo

localización precisa de las aeronaves y cobertura en todo el globo terrestre. Se está

implantando el GNSS de una manera evolutiva a medida que esté preparado para acoger

el gran volumen del tráfico aéreo civil existente en la actualidad, y pueda responder a las

necesidades de seguridad que requiere el sector, uno de los más exigentes del mundo.

Cuando el sistema GNSS esté completamente desarrollado, se prevé que pueda ser

utilizado como un sistema de navegación completo y sin requerir ayuda de cualquier otro

sistema de navegación convencional, desde el despegue hasta completar un aterrizaje de

precisión Categoría I, II ó III; es decir, en todas las fases de vuelo.

Page 68: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

66

3.3 SISTEMA GALILEO

En la actualidad, el sistema global de navegación por satélite más conocido y más

empleado es el GPS.

Siendo este sistema desarrollado por autoridades militares a mediados de los años

ochenta, logró alcanzar gran popularidad y es el sistema que actualmente mas uso tiene,

a la par Rusia trabajo en el GLONASS (Global Navigation Satellite System) y siendo

también de origen militar, busco hacerle competencia al sistema estadounidense.

Siendo estos dos los únicos sistemas de uso común, la Comisión Europea y la Agencia

Espacial Europea (ESA) han puesto en marcha un programa llamado Galileo, el cual es

un sistema global de navegación por satélite que se plantea no solo como un modelo

independiente del norteamericano y del Ruso, sino también , de titularidad civil y como un

nuevo aporte de recursos que satisfagan el considerable aumento de la demanda de

servicios que se dará a escala mundial en los próximos años por parte de aplicaciones y

múltiples usos basadas en estos sistemas, siendo su uso en la aviación no muy distante

de la actualidad.

Page 69: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

67

3.3.1 PROPUESTA COMO SISTEMA DE NAVEGACION AEREA

El uso de un Sistema Global de Navegación por Satélite como sistema de navegación

aérea vendría a sustituir aparatos como el DME del cual se expone su funcionamiento en

este ejemplar, ya que vendría a realizar las funciones de este ultimo de sobre manera,

permitiendo una mejor aeronavegabilidad en muchos aspectos, tales como se marcan

más adelante.

Específicamente hablando se propone el uso del sistema Galileo como Sistema Global de

Navegación por Satélite porque aunque GPS está disponible y es gratuito, su

funcionamiento, disponibilidad y precisión para uso civil no tiene ningún tipo de garantías,

y su utilización se limita a la recepción de las señales de posición y hora. Esto limita sus

posibilidades, su explotación comercial y gubernamental, civil y su uso en entornos

críticos como el transporte aéreo.

Actualmente se lleva a cabo el proyecto europeo GIANT (GNSS Introduction In the

AviatioN secTor) el cual comprende pruebas y ensayos para poder utilizar en su día los

servicios de la que será la constelación de satélites europea GALILEO – EGNOS para uso

aeronáutico.

GIANT es un proyecto liderado por la INECO, con la intención de realizar una fusión entre

el sistema EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), siendo este

un Sistema de Aumentación Basado en Satélites desarrollado por la Agencia Espacial

Europea (ESA), la Comisión Europea (institución de la Unión Europea) y Eurocontrol. Está

ideado como un complemento para las redes GPS y GLONASS para proporcionar una

mayor precisión y seguridad en las señales, permitiendo una precisión inferior a dos

metros y el sistema Galileo antes mencionado en el ámbito de la aviación, con el

propósito de demostrar a las autoridades correspondientes que con el uso de estos

sistemas se puede alcanzar los estándares de seguridad requeridos.

Page 70: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

68

3.3.2 BENEFICIOS DEL USO DEL SISTEMA GALILEO EN LA AVIACION

SEGURIDAD

Navegación vertical APV (Approach Procedure with Vertical Guidance, por sus

siglas en ingles) disponible en todas las pistas

Reducción del CFIT (Controlled Flight Into Terrain por sus siglas en ingles)

ECONOMICOS

Avionica con alto rendimiento a bajo costo para aviación civil y privada.

OPERACIONALES

Respaldo para aproximaciones ILS.

Mejores procedimientos avanzados.

Mejores operaciones de aproximación.

Rutas más eficientes con más ahorro de combustible.

Mejor navegación en áreas con poca infraestructura de navegación.

Page 71: “ANALISIS DEL EQUIPO MEDIDOR DE

69

CAPITULO 4 CONCLUSIONES

El Distance Measuring Equipment es un sistema de navegación que a estado vigente por

muchos años en la aviación, lo que lo convierte en un sistema muy importante para la

obtención de datos de navegación y es por lo que en esta tesina se explica este sistema

que seguirá vigente por muchos años más.

En esta tesina se trata de exponer su funcionamiento empírico y matemático y a su vez se

expone el futuro de la navegación aeronáutica.

Dicho lo anterior se expone en esta tesina como propuesta de mejora tecnológica la

navegación por satélites que es un sistema que actualmente no se toma en cuenta como

sistema de navegación para aeronaves y solo se ocupa como ayuda en vuelo, ya sea por

cuestiones de seguridad o porque es un sistema que aun se encuentra en etapa de

desarrollo como para implementarlo. Sin embargo en esta tesina se propone el uso de

este sistema y en específico el uso del Galileo, ya que si bien es un sistema de intelecto

civil, que con lo cual se evitaría cualquier problema no anticipado, será en un futuro un

sistema confiable para realizar operaciones criticas en las aeronaves.

Con el objetivo de difundir en la ESIME Ticoman y en México este tipo de sistemas y este

tipo de proyectos como lo es el GIANT que representan el futuro de la navegación para

aeronaves y de los cuales no existe casi referencia alguna en estos dos lugares

mencionados y siendo que sustituirá las funciones que realiza un DME se expone en esta

tesina dicho tema.

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GLOSARIO

ESIME (Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica)

GIANT (GNSS Introduction In the AviatioN sector)

ILS (Instrument landing system)

CFIT (Controlled Flight Into Terrain por sus síglas en ingles)

APV (Approach Procedure with Vertical Guidance, por sus síglas en ingles)

GPS (Global Positioning system)

GLONASS (Global Navigation Satellite System)

EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service)

VHF (Very High Frecuency)

VOR (Very High Frecuency Omni range)

OACI (Organización de Aviación Civil Internacional)

AESA (Active Electronically Scanned Array)

FAA (Federal Aviation Administration)

SWR (standing wave ratio)

UHF (Ultra High Frecuency)

DME (Distance Measuring Equipment)

FM Frecuencia Modulada

PM (Phase Modulation)

AM (Amplitud Modulada)

RF (Radio Frecuency)

PWM (Pulse-width modulation)

CW (Continouos wave)

SSB (Single Side Band)

BJT (bipolar junction transistor)

FET (field-effect transistor)

ADF (Automatic Direction Finder)

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BIBLIOGRAFIA

- Digital synthesizers and Transmitters for software radio, Electronics and computer

Engineering. Jouko Vankka.

- Fundamentals of solid State Engineering, Electronics and Microelectronics,

Instrumentation. Manijeh Razeghi.

- Sistemas de Aeronaves. Felipe Gato Gutiérrez.

- Sistemas eléctricos y electrónicos de las aeronaves. Jesús Martínez Rueda.