Demostrador de conceptos de radiofrecuencia con aplicaciones múltiples en el campo de la enseñanza superior.

Demostrador de conceptos de radiofrecuencia con aplicaciones múltiples en el campo de la enseñanza superior.

Actualmente se enseñan los fundamentos de los campos electromagnéticos mediante los conceptos de la Física Clásica, la formulación matemática y a veces la simulación mediante programas de computador, pero se basa fundamentalmente en ejercicios matemáticos que acaban siendo un mero resultado numérico gráfico, sin ningún significado concreto para el alumno.

La invención propuesta supone una herramienta que permite el análisis de los campos electromagnéticos y su medición, así como la realización de prácticas individuales o grupales con resultados prácticos y que mejoran la asimilación de los conceptos de la teoría aprendida en clase con anterioridad o la generación de dichos conceptos cuando se practica el método de la enseñanza por descubrimiento.

DEMOSTRADOR DE CONCEPTOS DE RADIOFRECUENCIA CON APLICACIONES MÚLTIPLES EN EL CAMPO DE LA ENSEÑANZA SUPERIOR.

SECTOR DE LA TÉCNICA.

Enseñanza de la Física y la Tecnología de los Campos Electromagnéticos y las Radiocomunicaciones.

ESTADO DE LA TÉCNICA.

Actualmente se enseñan los fundamentos de los campos electromagnéticos mediante los conceptos de la Física Clásica, la formulación matemática y a veces la simulación mediante programas de computador, pero se basa fundamentalmente en ejercicios matemáticos que acaban siendo un mero resultado numérico o gráfico, sin ningún significado concreto para el alumno.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención propuesta supone una herramienta que permite el análisis de los campos electromagnéticos y su medición, así como la realización de prácticas individuales o grupales con resultados prácticos y que mejoran la asimilación de los conceptos de la teoría aprendida en clase con anterioridad o la generación de dichos conceptos cuando se practica el método de la enseñanza por descubrimiento.

La invención permite la demostración de los conceptos de, entre otros:

Aceleración.

Acelerómetro.

Amplificación.

Amplificadores de línea.

Amplitud.

Análisis de Espectros.

Análisis de Señales Temporales.

Ángulo Horario.

Antenas.

Ascensión Recta.

Azimut.

Bandas Laterales.

Cables coaxiales.

Cascada de señales.

Compás Giroscópico.

Compás Magnético.

Control automático.

Declinación.

Demora.

Derivación.

Dirección de tiro.

Distorsión.

Efeméride.

Elevación.

Equipos de radio definidos por software.

Error.

Espectro de frecuencias.

Foco.

Frecuencia.

Frecuencia de portadora.

Frecuencia Intermedia.

Ganancia.

Horizonte Radio.

Impedancia.

índice de Modulación.

Interferencia.

Leyes de Maxwell.

Longitud de Onda.

Marcación.

Mezcla.

Modulaciones analógicas y digitales.

Nadir.

Norte Magnético.

Norte Verdadero.

Órbita.

Oscilador Local.

Pérdidas en los cables coaxiales.

Polarización.

Procesado Digital de la Señal.

Radio detection and ranging.

Radio direction finding.

Radio Sobre Protocolo Internet.

Radioastronomía.

Radiodemora.

Radiotelescopio.

Realimentación.

Receptores de radiofrecuencia.

Retardo de propagación.

Rotación terrestre.

Ruidos térmico, Johnson y Flicker.

Satélite.

Seguimiento de Satélites.

Señales IQ.

Tiempo de Respuesta

Tiempo de Retardo.

Tiempo de Subida.

Zenit.

La invención consiste en un sistema completo de enseñanza compuesto por:

a) Una plataforma metálica autosoportada que está formada por un mástil metálico vertical de diámetro adecuado para instalar sobre su cúspide un rotor de antenas y en la parte inferior una base lo suficientemente consistente como para poder soportar el peso del rotor más sus antenas y el tubo del mástil. Este mástil puede ser intercambiado por un trípode, polín o base adecuada

b) Un rotor de antenas que disponga de giros para permitir la elevación vertical y rotación horizontal de las antenas de radio que se instalarán sobre una cruceta, verga o soporte adecuado, en el enganche fabricado a propósito. Este rotor será controlado mediante cables eléctricos y dispositivo controlador del rotor, ya sea de forma manual o por ordenador.

c) Antenas en las principales bandas de frecuencias a estudiar desde el punto de vista de la enseñanza de la física, las radiocomunicaciones y la radioastronomía, esto es:

Banda Ancha en 45-900 MHz

Banda Ancha de 900 a 2700 MHz.

Banda Ancha de 3 a 4 GHz, Banda C

Banda Ancha de 10,9 a 12,7 GHz, Banda Ku

Dipolo cerrado de 406 MHz

Yagi para 1420 MHz

Dipolo Cerrado en 1420 MHz

d) Amplificadores de línea para todas las antenas.

e) Receptores de radio definidos por software para las frecuencias inferiores a 900 MHz, con integración a ordenador mediante conexión USB.

f) Un receptor de televisión analógica vía satélite y otro receptor de televisión digital vía satélite por cada antena de Banda Ancha de 3 a 4 GHz, Banda C

g) Un receptor de televisión analógica vía satélite y otro receptor de televisión digital vía satélite por cada antena de Banda Ancha de 10,9 a 12,7 GHz, Banda Ku

h) Un receptor de radio definido por software para las frecuencias inferiores a 900 MHz, con integración a ordenador mediante conexión USB por cada receptor de televisión por satélite.

i) Un receptor de televisión analógica/digital/video/audio por cada receptor de televisión vía satélite.

j) Un sistema informático de proceso de señales y datos.

k) Un sistema informático de distribución de datos.

1) Instrumental de laboratorio de radiotecnia y electrónica, como

osciloscopio, frecuencímetro, analizador de espectros, generador de radiofrecuencia.

>

m) Software apropiado para el análisis de señales en los dominios del tiempo y la frecuencia.

n) Un sistema electro-óptico de referenciación geográfica.

o) Un sistema electromecánico de perturbación posicional.

p) Un sistema electrónico de referenciación geográfica.

q) Un sistema electo-óptico de comprobación del apuntamiento.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS.

Figura 1 Diagrama de Bloques Simplificado de la Invención Figura 2. Sistema de antenas receptoras Figura 3. Parte posterior de la Invención.

Figura 4. Sistema de presentación de señales terrenas de video y audio.

Figura 5.- Sistema de decodificación terrenal y análisis de señales y control de antena.

Figura 6. Tubo colimador del sistema de Georreferenciación.

Figura 7. Sistemas de Georreferenciación electro-óptico y electrónico.

Figura 8. Coordenadas del Sistema electro-óptico de confirmación del 25 apuntamiento.

Figura 9. Plataforma de perturbación en tres ejes.

Figura 10. Diagrama de Bloques de la Plataforma de Perturbación en tres ejes. Figura 11. Diagrama de Bloques del Sistema Completo

MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN.

Las antenas receptoras se montan sobre una verga metálica, tubular o cuadrada, utilizando sus propios sistemas de fijación.

Fundamentalmente se usan una, dos o más antenas parabólicas de foco centrado o descentrado conteniendo cada una uno o más Low Noise Brancher (LNB) que reciben ai las bandas de satélites geoestacionarios de televisión en las bandas Ku

ye.

En el caso de los dipolos plegados de las frecuencias de 406 y 1420 MHz, estos se sitúan en paralelo con los LNBs dentro del foco de la parábola, con el fin de acumular la máxima radiación emitida desde los satélites.

Además, se puede situar en los extremos de la verga dos antenas directivas tipo Yagi que reciban en la frecuencia de 1420 MHz, 406,145.9,437 MHz o en Banda Ancha entre 40 y 900 MHz, u otras frecuencias cualquiera, con fines de radioastronomía o de seguimiento de estaciones móviles terrenas o terrenales.

A la salida de cada antena, inmediatamente después de su conector se conectará un cable coaxial RG59 de 75 Ohmios, o similar, mediante el conector apropiado en cada caso, y se llevará hasta un amplificador de línea cuya banda pasante sea acorde a la frecuencia de resonancia de cada antena.

Las antenas y LNBs inyectan, mediante el cable coaxial y los conectores, las señales de radiofrecuencia recibidas en sendos amplificadores de línea y estos, que se alimentan a través de apropiados inyectores de corriente, a su vez en otros cables coaxiales la señal de radiofrecuencia amplificada hasta los niveles necesarios para poder llegar al sistema de recepción y procesamiento de señales y datos.

Los amplificadores de línea se ubicarán en la proximidad inmediata de la salida de la antena o detrás de las parábolas o de la verga con el fin de evitar la acción directa de la energía infrarroja emitida por el Sol, que puede elevar el ruido en el Amplificador.

En el caso de los receptores de televisión vía satélite, y para que el alumno pueda evaluar la bondad del sistema de seguimiento y apuntamiento, se utilizan uno, dos o más receptores de televisión vía satélite por cada antena parabólica, normalmente uno analógico y otro digital con...

1. Demostrador de conceptos de radiofrecuencia que comprende:

a) Una plataforma metálica autosoportada que está formada por un mástil 5 metálico vertical de diámetro adecuado para instalar sobre su cúspide un

rotor de antenas y en la parte inferior una base lo suficientemente consistente como para poder soportar el peso del rotor más sus antenas y el tubo del mástil. Este mástil puede ser intercambiado por un trípode, polín o base adecuada.

b) Un rotor de antenas que disponga de giros para permitir la elevación

vertical y rotación horizontal de las antenas de radio que se instalarán sobre una cruceta, verga o soporte adecuado, en el enganche fabricado a propósito. Este rotor será controlado mediante cables eléctricos y dispositivo controlador del rotor, ya sea de forma manual o por ordenador.

c) Antenas en las principales bandas de frecuencias a estudiar desde el

punto de vista de la enseñanza de la física, las radiocomunicaciones y la radioastronomía, esto es:

Banda Ancha en 45-900 MHz

Banda Ancha de 900 a 2700 MHz.

Banda Ancha de 3 a 4 GHz, Banda C

Banda Ancha de 10,9 a 12,7 GHz, Banda Ku Dipolo cerrado de 406 MHz Yagi para 1420 MHz Dipolo Cerrado en 1420 MHz

d) Amplificadores de línea para todas las antenas.

e) Receptores de radio definidos por software para las frecuencias inferiores a 900 MHz, con integración a ordenador mediante conexión USB.

f) Un receptor de televisión analógica vía satélite y otro receptor de televisión digital vía satélite por cada antena de Banda Ancha de 3 a 4 GHz, Banda C

g) Un receptor de televisión analógica vía satélite y otro receptor de televisión digital vía satélite por cada antena de Banda Ancha de 10,9 a 12,7 GHz, Banda Ku

h) Un receptor de radio definido por software para las frecuencias inferiores a 900 MHz, con integración a ordenador mediante conexión USB por cada receptor de televisión por satélite.

i) Un receptor de televisión analógica/digital/video/audio por cada receptor de televisión vía satélite.

j) Un sistema informático de proceso de señales y datos.

k) Un sistema informático de distribución de datos.

l) Instrumental de laboratorio de radiotecnia y electrónica, como osciloscopio, frecuencímetro, analizador de espectros, generador de radiofrecuencia.

m) Derivadores de una entrada y dos salidas a una entrada y ocho salidas, sin paso de corriente, para la medición de señales con conexión simultanea de varios instrumentos de laboratorio.

n) Un mezclador de de señales de dos entradas y una salida en cada línea, no estando alimentada una de las entradas para permitir introducir un generador de señales simultáneamente con la señal de radiofrecuencia recibida y posteriormente conectarle una carga de 75 ohmios para evita reflexiones no deseadas o la introducción de ruido, así como la conexión de otras antenas y amplificadores al sistema.

o) Software apropiado para el análisis de señales en los dominios del tiempo y la frecuencia.

p) Un sistema electro-óptico de referenciación geográfica.

q) Un sistema electromecánico de perturbación posicional.

r) Un sistema electrónico de referenciación geográfica.

s) Un sistema electo-óptico de comprobación del apuntamiento.

2. Demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicación 1, caracterizado por que las antenas receptoras se montan sobre una verga

metálica, tubular o cuadrada, utilizando sus propios sistemas de fijación.

3. Demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicación 2, caracterizado por que se usan una, dos o más antenas parabólicas de foco centrado o descentrado conteniendo cada una uno o más Low Noise

Brancher (LNB) que reciben en las bandas de satélites geoestacionarios de

televisión en las bandas Ku y C.

4. Demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicación 3, caracterizado por que los dipolos plegados de las frecuencias de 406 y

1420 MHz se sitúan en paralelo con los LNBs dentro del foco de la

parábola, con el fin de acumular la máxima radiación emitida desde los satélites.

5. Demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicación 2,

caracterizado por que en los extremos de la verga se colocan dos antenas

directivas tipo Yagi que reciben en la frecuencia de 1420 MHz, 406, 145.9, 437 MHz o en Banda Ancha entre 40 y 900 MHz, u otras

frecuencias cualquiera, con fines de radioastronomía o de seguimiento de estaciones móviles terrenas o terrenales.

6. Demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicación 1, caracterizado por que los amplificadores de línea se ubicarán en la proximidad inmediata de la salida de la antena o detrás de las parábolas o de la verga con el fin de evitar la acción directa de la energía infrarroja emitida por el Sol, que puede elevar el ruido en el Amplificador.

7. Demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicación 1, que emplea uno, dos o más receptores de televisión vía satélite por cada antena parabólica, normalmente uno analógico y otro digital con el sistema DBV- S o similar.

8. Demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicación 1, que aprovecha la salida de canal ajustable de radiofrecuencia para recibir la señal sintonizada en un canal de UHF, la decodifica y analiza por medio de un receptor SDR con salida USB.

9. Demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicación 1, caracterizado por que el control del apuntamiento de la antena, tanto en elevación como en azimut puede realizarse mediante un control digital de apertura y cierre de relés o mediante un sistema complejo de comunicaciones dotado de estructura y codificación.

10. Demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicación 1, caracterizado por que para medir las señales con los típicos instrumentos de laboratorio radiotécnico emplea derivadores de una entrada y dos

salidas a una entrada y ocho salidas, sin paso de corriente, colocando una carga de la misma impedancia que el cable coaxial, en aquellas salidas no empleadas.

11. Demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicación 1,

caracterizado por que en cada línea se coloca un mezclador de señales de dos entradas y una salida, no estando alimentada una de las entradas, lo que permite introducir un generador de señales simultáneamente con la señal de radiofrecuencia recibida y posteriormente conectarle una carga de 10 75 ohmios para evita reflexiones no deseadas o la introducción de ruido,

así como la conexión de otras antenas y amplificadores al sistema.

12. Demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicación 1, caracterizado por que el sistema de georreferenciación electro-óptica

comprende un tubo colimador en forma de cámara obscura de 40 cms de

longitud y 25 mm de diámetro pintado de negro mate en su interior y dotado de dos diafragmas separados no menos de 10 cms, con una luz cada uno de 5 mm de diámetro, que se situarán en los centímetros 15 y 25 contados desde su inicio (boca), o dirección hacia la que se encuentre el 20 Sol y apunten las antenas.

13. Demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicación 12, caracterizado por que en la boca del tubo se situará un filtro solar que atenúe la luz proveniente del Sol y en el extremo opuesto se ubicará una

cámara dotada de sensor electro-óptico, por ejemplo CCD o CMOS o

simplemente una célula fotoeléctrica, a la cual llegará la luz solar una vez que se haya proyectado sobre una pantalla traslúcida interior que se ubicará en el centímetro 35 contado desde la boca.

14. Demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicación 13, caracterizado por que la pantalla traslúcida se encontrará cuadriculada de manera milimétrica con fines de calibración del error de apuntamiento, a partir de la imagen captada por la cámara.

15. Demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicación 1, caracterizado por que para conocer la posición de las antenas y de todo el sistema, desde la ubicación de las mismas se utilizará un cimómetro mecánico, de burbuja o de otra tecnología, ubicado en uno de los extremos de la verga, proporcionándonos el ángulo de elevación y mediante un tubo inclinado o índice, fijado al rotor, se puede leer la demora de las antenas en un círculo graduado pintado en una plancha sobre el suelo.

16. Demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicación 1, caracterizado por que para conocer la posición de las antenas y de todo el sistema, desde una ubicación remota a las mismas, a parte de la indicación proporcionada por el sistema de control del rotor, se utilizará un cimómetro electrónico o un acelerómetro u otra tecnología, ubicado en el otro de los extremos de la verga, proporcionándonos el ángulo de elevación y mediante compás magnético dotado de flujómetro o bien mediante unos giróscopos, fijados a la verga, se puede leer la demora magnética y o verdadera de las antenas mediante un computador que utilice entradas y salidas analógicas o digitales.

17. Demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicación 16, caracterizado por que los giróscopos se encuentran ubicados en ángulo recto uno respecto a otro y ambos en posición vertical, proporcionando el Norte Verdadero y la señal de error de apuntamiento sobre éste.

18. Demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicación 16, caracterizado por que los acelerómetros se encontrarán situados en tres posiciones: una que será paralela a las antenas, otra perpendicular a la primera y la tercera será perpendicular a las otras dos, formando un 5 sistema de coordenadas de tres ejes.

19. Demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicación 1, caracterizado por que el sistema electroóptico de confirmación del apuntamiento comprende una cúpula de material transparente para la

radiación electromagnética que cubre, a forma de radomo, el sistema y en

la que se han marcado los círculos de elevación y azimut vistos desde el Sistema, en el que mediante la aplicación de un rayo láser activado desde un ordenador, es posible iluminar la posición exacta en la que están apuntando las antenas.

20. Demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicación 19, caracterizado por que verificar en manera remota la posición de la antena, se incorpora al sistema una cámara de video integrada con la red de datos, conectada a esta por cable, por radio o por fibra óptica.

21. Demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicación 1, caracterizado por que el sistema electromecánico de perturbación posicional consistente en una plataforma circular con movimiento de rotación alrededor de su eje, dotada de cuatro actuadores verticales que

proveerán de movimiento de balanceo y cabeceo al Sistema completo y un

computador de perturbación que se integrará con los motores y los actuadores mediante una tarjeta electrónica de control, permitiendo introducir una secuencia de movimientos que deban ser deshechos con precisión por el Sistema de Antenas.

22. Demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicación 21, caracterizado por que la plataforma circular dispone, en su base, de varias ruedas que facilitan el giro de la misma y le dan sustento, así como de un motor eléctrico, controlado por computador, que posicionan a la misma en la dirección deseada.

23. Demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicación 21, caracterizado por que los cuatro actuadores verticales, situados sobre la base, contarán con sensores para poder saber su longitud exacta y permitir su despliegue y retracción mediante un sistema eléctrico, electrónico, mecánico o hidráulico controlado por ordenador.

24. Demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicación 23, caracterizado por que para permitir el balanceo del sistema, se dota a los actuadores de dos rótulas en los extremos que se fijarán a las plataformas circulares mediante tomillos.

25. Uso del demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicaciones 1 a 24, para la enseñanza de la física en general y de los procesos de radioastronomía y radiocomunicaciones terrenales y terrenas.

26. Uso del demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicaciones 1 a 24, para la enseñanza de los procesos de mezcla y distribución de señales de radiofrecuencia.

27. Uso del demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicaciones 1 a 24, para la enseñanza de sistemas de seguimiento de satélites de órbita polar baja desde puntos fijos.

28. Uso del demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según

reivindicaciones 1 a 24, para la enseñanza de sistemas de seguimiento de satélites geoestacionarios y de órbita polar baja e intermedia desde unidades móviles.

29. Uso del demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según

reivindicaciones 1 a 24, para la enseñanza de sistemas de seguimiento de vehículos de superficie y aeronaves desde puntos fijos y móviles.

30. Uso del demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según 15 reivindicaciones 1 a 24, para la enseñanza de geolocalización de emisores

de radiofrecuencia.

31. Uso del demostrador de conceptos de radiofrecuencia, según reivindicaciones 1 a 24, para la enseñanza de radioastronomía.