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Curso Básico y Avanzado para pilotos de RPAS

Según el artículo 50.5.c, de la Ley 18/2014, de 15 de octubre.

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Índice 1. COMUNICACIONES EN LOS RPAS............................................................................................5

2. PRINCIPIOS GENERALES DE LA TRANSMISIÓN POR RADIO .........................................7

2.1. LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA .........................................................................................7

2.2. EL ESPECTRO DE RADIOFRECUENCIA ..........................................................................................9

2.3. MODULACIÓN ............................................................................................................................9

2.3.1. Amplitud modulada (AM) ...................................................................................................10

2.3.2. Frecuencia modulada (FM)................................................................................................10

2.3.3. Tecnologías de espectro disperso (SS) ...............................................................................11

2.4. PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS DE RADIO ..................................................................................12

2.4.1. Ondas espaciales ................................................................................................................12

2.4.2. Ondas de tierra...................................................................................................................13

2.5. FACTORES QUE CONDICIONAN EL ALCANCE DE LA COMUNICACIÓN .........................................14

2.5.1. Elevación ............................................................................................................................14

2.5.2. Potencia de transmisión .....................................................................................................14

2.5.3. Presencia de obstáculos .....................................................................................................15

2.6. COMUNICACIONES POR RADIO EN BANDAS DE ALTA FRECUENCIA............................................16

3. EMISORES, RECEPTORES Y ANTENAS.................................................................................17

3.1. INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS DE COMUNICACIÓN POR RADIOFRECUENCIA (RF) .................17

3.1.1. Emisor de radiofrecuencia .................................................................................................17

3.1.2. Receptor de radiofrecuencia...............................................................................................18

3.1.3. Transceptores .....................................................................................................................19

3.2. ANTENAS .................................................................................................................................20

3.2.1. Funcionamiento de una antena ..........................................................................................20

3.2.2. Principales parámetros de una antena...............................................................................21

3.2.3. Tipos de antenas más usuales.............................................................................................24

3.2.4. Antenas diversity en los RPAS............................................................................................25



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1. COMUNICACIONES EN LOS RPAS

De acuerdo con el artículo 8 del Convenio de Aviación Civil Internacional, una aeronave pilotada por control remoto es una aeronave sin personas a bordeo que se pilota desde una estación remota. Así pues, las operaciones con RPAS dependen absolutamente de las comunicaciones vía radio.

Un sistema de aeronave pilotada a distancia (RPAS) se compone de la aeronave propiamente dicha (RPA) y de la estación del piloto remoto (RPS, Remotely Pilot

Station, según la terminología usada por la OACI). La estación del piloto remoto también se suele denominar estación de control en tierra (GCS, Ground Control

Station).

Entre ambos subsistemas se establece una comunicación uni o bidireccional, a través de uno o varios enlaces de datos, vía radio.

De entre los enlaces de radio disponibles en un RPAS, uno de ellos tienen especial importancia desde el punto de vista de la seguridad operacional: el enlace de datos de mando y control (C2, Command and Control), que es el que se establece entre el RPA y la RPS con el objeto de controlar el desarrollo del vuelo.

Si las operaciones requieren de comunicaciones con el control de tráfico aéreo (ATC), al conjunto del C2 y las comunicaciones entre el piloto remoto y el ATC, la OACI lo denomina con la sigla C3 (command, control and ATC communications).

Para la seguridad de las operaciones, es necesario que el sistema cuenta con los dispositivos y procedimientos necesarios para gestionar adecuadamente una pérdida del enlace C2. Esta situación no necesariamente tiene que provocar una situación catastrófica, pero sí conlleva la suspensión de la operación normal del RPAS.

Durante los próximos capítulos, se verán tecnologías más utilizadas para la comunicación remota, en los micro y mini RPAS civiles.



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Características de los enlaces de datos de un RPAS (Universidad de Liubliana)



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2. PRINCIPIOS GENERALES DE LA TRANSMISIÓN POR RADIO

2.1. La radiación electromagnética Las ondas de radio son un tipo de radiación electromagnética. Las ondas de radio

se irradian y se propagan desde una antena de transmisión.

La radiación electromagnética es la encargada de transportar la energía asociada a un campo electromagnético. Se genera al acelerar cargas eléctricas (caso de la luz generada por una chispa eléctrica), o cuando se produce la transición de un electrón a un estado de energía menor (caso del fenómeno de la fluorescencia, por ejemplo).

La radiación electromagnética se propaga a la velocidad de la luz, siguiendo un patrón armónico y continuo (ondas electromagnéticas) e interacciona con la materia, de manera que los obstáculos pueden alterar su trayectoria o impedir su propagación. La propagación es en línea recta, en todas las direcciones del espacio.

La radiación electromagnética se propaga en línea recta, en todas las direcciones del espacio. Al interaccionar con la materia, la dirección de propagación se puede ver

afectada y producirse fenómenos de reflexión y refracción.

Las ondas electromagnéticas se han clasificando de manera arbitraria atendiendo a su longitud de onda (λ ) y a su frecuencia (f). Ambos parámetros guardan una relación inversa:

Siendo c la velocidad de la luz

λ =

c

‒

f



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Espectro electromagnético

La longitud de la onda es la distancia entre dos crestas consecutivas y se expresa en metros. A la porción de una onda comprendida entre dos crestas se le denomina ciclo.

La frecuencia es el número de ciclos que pasan por un punto del espacio, en una unidad de tiempo y su unidad es el hercio, hertzio o hertz (Hz). Dado que los valores de frecuencia a manejar en el contexto de las telecomunicaciones son muy grandes, se suelen expresar en múltiplos del hercio, como el kilohercio (KHz, 1 x 103 Hz), o el megahercio (MHz, 1 x 106 Hz).

Parámetros de una onda



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Por último, la amplitud nos indica la variación máxima de la perturbación y es la distancia entre el punto culminante de una cresta y el punto medio o de equilibrio de una onda. Esta directamente relacionada con la intensidad, que se la potencia energética transmitida en cada unidad de tiempo y se mide en belios (B) y sus fracciones (decibelio, dB).

La energía asociada a un tipo de onda electromagnética es inversamente proporcional a su longitud de onda, y directamente proporcional a su frecuencia. Las ondas más largas y de menor frecuencia, como las de radio, serán también las menos energéticas.

2.2. El espectro de radiofrecuencia Dentro del espectro electromagnético, el rango de frecuencias que se emplea en

las comunicaciones por radio abarca desde los 20 kilohercios (longitud de onda de 15 kilómetros), hasta los 30 gigahercios (longitud de onda de 1 centímetro), aproximadamente.

En función de la banda del espectro que consideremos, hablaremos de:

� Banda de alta frecuencia (HF), que comprende el rango de frecuencias entre 3 y 30 MHz y se suele utilizar en radiocomunicaciones de largo alcance.

� Banda de muy alta frecuencia (VHF), que abarca desde los 30 a los 300 MHZ. Las longitudes de onda de esta banda de frecuencias está entre los 10 metros y el metro, por lo que se necesitan antenas notablemente más pequeñas que en el caso de la alta frecuencia.

� Banda de ultra alta frecuencia (UHF), que comprende desde los 300 MHz, hasta los 2.450 MHz, ya en la banda de las microondas. Los equipos que transmiten y reciben en esta banda de frecuencias necesitan antenas muy pequeñas (las longitudes de onda oscilan entre 1 metro y 58 centímetros), por lo que es la más adecuada para los radioenlaces de los RPAS civiles ligeros.

2.3. Modulación Modular es variar el valor de algún parámetro que define un fenómeno.

Para que una onda de radio transmita información, es necesario codificarla en forma de variaciones rítmicas y de acuerdo con un patón conocido, de alguno de sus parámetros: amplitud, frecuencia, fase, emisión).

La forma más simple de modulación de una onda de radio es controlando su emisión, mediante un conmutador de encendido-apagado. Este el método usado en las transmisiones de código Morse.



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Cuando se trata de transmitir la voz o datos, lo métodos de modulación a aplicar deben ser más complejos.

2.3.1. Amplitud modulada (AM) En esta forma de modulación, se hace variar la amplitud (la intensidad) de la onda

portadora (la onda modificada o modulada por lo que se quiere transmitir), en función de la intensidad del origen de la señal o información a transmitir. Así, los datos se codifican en las variaciones de amplitud.

En el proceso de modulación de la amplitud, se crean dos ondas laterales, que son las que transportan la información.

Modulación de amplitud

La mayor parte de la energía se transporta por la onda portadora, que no transporta información, por lo que el proceso es relativamente ineficiente.

Este sistema de modulación es muy sensible a las interferencias.

2.3.2. Frecuencia modulada (FM) Este mecanismo de modulación se basa en modificar la frecuencia de la onda

portadora, de acuerdo con los cambios de la señal a transmitir. En este caso, es la propia portadora la que transporta a la vez, la energía y la información.

Modulación de la frecuencia



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La frecuencia modulada produce una señal más limpia que la modulación de la amplitud, pero tiene el inconveniente de que requiere mucho más ancho de banda, lo que limita las frecuencias utilizables.

La modulación por posición de pulso (PPM), que, y la modulación por impulsos codificados (PCM), que incorpora tecnología digital, ambos muy populares en aplicaciones de radio control aficionado, son también formas de modulación de frecuencia.

La PPM se introdujo en los sistemas de radio control aficionados en la década de los 80 del siglo pasado y supuso la llegada al mundo del radio control de la FM. El principal inconveniente de este sistema es su susceptibilidad a interferencias causadas por dispositivos eléctricos (ruido eléctrico).

En cuanto a la PCM, consiste en embeber una señal digital en la onda portadora de frecuencia modulada. La incorporación de tecnología digital la hace muy poco susceptible a interferencias y hace posible la implementación de funciones Fail Safe.

En el caso de los RPAS, si la señal no llega o llega muy degradada al receptor de la, el microprocesador que porta será incapaz de decodificar la señal y ejecutará automáticamente una secuencia de instrucciones previamente programadas, que harán que la aeronave realice unas maniobras determinadas.

El principal inconveniente de los sistemas de radio control que utilizan modulación de frecuencia en sus transmisiones es el limitado número de frecuencias en el acho de banda disponible, lo que hace a estos sistemas susceptibles de interferirse unos a otros.

2.3.3. Tecnologías de espectro disperso (SS) Buena parte de los RPAS civiles ligeros son aeromodelos adaptados a un uso

profesional y emplean la misma tecnología.

En los últimos años, el campo del aeromodelismo ha sufrido una verdadera revolución en cuanto a radioenlaces, gracias a la comercialización de sistemas que utilizan la tecnología de espectro disperso (SS, del inglés Spread Spectrum) en la banda de frecuencias de los 2,4 GHz.

Esta tecnología aporta una alta protección frente a todo tipo de interferencias y permite el funcionamiento simultáneo de un gran número de sistemas, sin que se produzcan conflictos entre ellos. Hay que tener en cuenta que, a pesar de la gran expansión que ha tenido esta tecnología en los últimos años por la enorme difusión de las tecnologías inalámbricas, los primeros sistemas basado en espectro disperso se utilizaron ya durante la Segunda Guerra Mundial.



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El principio en el que se basa esta tecnología es la dispersión de la señal transmitida por una banda de frecuencias muy ancha, en lugar de transmitirla utilizando una banda estrecha, como ocurre con la FM y la AM. Por tanto, no se trata estrictamente de una forma de modulación.

Hay dos tecnologías principales de transmisión por radio basadas en el espectro disperso:

� El espectro disperso por salto de frecuencias (FHSS, Frequency Hopping

Spread Spectrum), que consiste en una transmisión en una determinada banda de frecuencias (2,4 GHz en el caso de los RPAS), pero cambiando la frecuencia precisa de transmisión cientos de veces cada segundo. Los sistemas de radioenlace que utilizan esta tecnología son especialmente inmunes a las interferencias, aunque adolecen de un corto alcance, condicionado por la calidad de la señal.

� El espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS, Direct Sequence

Spread Spectrum) se basa en la utilización de frecuencias seleccionadas de forma pseudoaleatoria, dentro de un ancho de banda (también 2,4 GHz en el caso de los RPAS civiles). Los sistemas basados en este sistema tiene mucha más capacidad de procesamiento de datos y más alcance que los basados en FHSS.

La mayoría de los sistemas de radiocontrol y telemetría utilizados en los RPAS ligeros civiles combinan las dos tecnologías.

2.4. Propagación de las ondas de radio La forma en la que se propagan las ondas de radio desde la antena emisora es

compleja y depende de muchos factores: frecuencias, patrón de radiación de la antena, potencia de emisión, condiciones atmosféricas, obstáculos, naturaleza de la superficie del terreno, etcétera.

Podemos asumir que, la propagación de las ondas de radio va a ser siempre en línea recta, aunque pueden resultar absorbidas, reflejadas o refractadas, por lo que sus trayectorias finales serán también complejas. Atendiendo a la trayectoria que siguen, podemos clasificar las ondas en ondas terrestres y ondas espaciales.

2.4.1. Ondas espaciales Las ondas espaciales permiten las comunicaciones a larga distancia, más allá del

horizonte. Esto es posible para las ondas en la banda HF (por debajo de 30 MHz), que resultan reflejadas por las capas de la ionosfera, regresando a la superficie terrestre y pudiendo alcanzar estaciones receptoras situadas incluso a miles de kilómetros.



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La ionosfera es transparente para las ondas cuya frecuencia está por encima de los 30 MHz (VHF y UHF) .

2.4.2. Ondas de tierra Las ondas terrestres o de tierra son las que viajan siguiendo la superficie terrestre.

En su camino desde la estación emisora a la de receptora, pueden resultar reflejadas por la superficie terrestre, en cuyo caso hablaremos de ondas terrestres reflejadas.

La mayor parte de la energía empleada en la comunicación la transportan las ondas directas, que son las que siguen una trayectoria en línea recta entre la estación emisora y la receptora. Sirven para comunicaciones en línea de vista (LOS, line of

sight), en las que ningún obstáculo se interpone entre las estaciones. Su alcance, depende en gran medida de la potencia del emisor.

Por último, otra parte de la energía radiada se transporta por ondas que siguen una trayectoria paralela a la superficie terrestre. Son las ondas de superficie. Si el material de la superficie sobre la que se mueven tiene propiedades conductoras de la electricidad (por ejemplo, agua marina), las ondas de superficie puede alcanzar distancias de varios centenares de kilómetros antes de ser completamente absorbidas.

Propagación de las ondas de radio



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2.5. Factores que condicionan el alcance de la comunicación

En el caso de los RPAS ligeros, las comunicaciones por radio entre los miembros de la tripulación (voz) y entre los distintos sistemas (datos) se realiza mediante sistemas que trabajan en las bandas VHF y UHF y a distancias que oscilan entre unas decenas de metros y unos pocos kilómetros. Usando terminología militar, se trata de escenarios tácticos de comunicaciones.

En estos casos, la calidad y el alcance de la comunicación se va a ver condicionada por la elevación de las antenas, la potencia de transmisión y la presencia de obstáculos.

2.5.1. Elevación Ya hemos visto que en las bandas de alta frecuencia, la comunicación más

eficiente se realiza en condiciones LOS, es decir, cuando las antenas emisora y receptora se encuentran en línea de vista.

Dada la curvatura de la superficie terrestre, el alcance de una transmisión tierra-tierra (por ejemplo, una comunicación de voz empleando walkie talkies) dependerá de la distancia del horizonte visible. Ésta (y con ello, el alcance LOS) es de algo más de 8,5 kilómetros sobre una superficie llana y cuando emisor y receptor se encuentran a la altura de la boca de una persona.

Por tanto, si es necesario aumentar el alcance, una de las primeras medidas a considerar es ubicar las antenas a una mayor altura sobre el suelo.

Como es obvio, en el caso de las comunicaciones tierra-aire (con el RPA, por ejemplo), el alcance LOS puede extenderse hasta muchas decenas de kilómetros.

2.5.2. Potencia de transmisión En la mayoría de los sistemas de transmisión, al duplicarse la distancia, la

potencia de la señal de radio se divide por cuatro. Por tanto las comunicaciones por radio se verán beneficiadas por una mayor potencia de transmisión.

En el caso de los sistemas de comunicaciones con los que van equipados los RPAS ligeros civiles, este puede ser un factor limitante en determinadas aplicaciones,



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dadas las restricciones legales sobre al potencia admisible de emisión. Un ejemplo, son los transmisores de vídeo analógico, que utilizan la banda de 5,8 GHz, que están limitados por la normativa legal en materia de telecomunicaciones a 0,25 W de potencia.

2.5.3. Presencia de obstáculos Las ondas VHF y UHF tienen poco capacidad para traspasar obstáculos y suelen

resultar absorbidas, aunque pueden atravesar ventanas de vidrio, por ejemplo.

La trayectoria de las ondas también se ve notablemente afectada ante la presencia de aristas marcadas (esquinas, crestas de montañas), que producen fenómenos de refracción y pueden favorecer un mayor alcance de la comunicación.

En todo caso, lo habitual es que, al chocar contra un obstáculo sólido, la energía transportada por la onda resulte notablemente atenuada o sea absorbida completamente, cortándose la comunicación.

Zona de Fresnel Aún en condiciones de visibilidad directa entre antenas, para asegurar que la

comunicación se realice sin interferencias es necesario tener en cuenta los obstáculos que puedan estar situados en un volumen alrededor de la línea de vista. Este volumen que debe estar libre de obstáculos tiene forma de elipsoide, con los focos en las antenas emisora y receptora, respectivamente, y se denomina zona de Fresnel.

En una línea de transmisión existen multitud de zonas de Fresnel, a modo de elipsoides concéntricos definidas en función de múltiplos de la mitad de la longitud de onda. Sin entrar en más profundidad ni cálculos entorno a este concepto, es importante saber que el 50 % de la energía transportada por las ondas de radio se concentra en la primera zona de Fresnel. Por ello, un obstáculo que afecta a ésta zona provocará una degradación en la señal y afectará negativamente a la comunicación.

Zona de Fresnel



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Los obstáculos que sólo ocupen hasta un 20% de esta primera zona de Fresnel, no afectarán de forma apreciable a la calidad de la señal.

2.6. Comunicaciones por radio en bandas de alta frecuencia

Los sistemas de comunicaciones que utilizan las bandas de altas frecuencias (por ejemplo, 2,4 GHz y 5,8 GHz) son mucho menos susceptibles a las interferencias, que otros que usan frecuencias más bajas. Además, presentan la gran ventaja de necesitar antenas muy pequeñas, gracias a lo contenido de la longitud de onda de la radiación empleada.

Por otro lado, su gran inconveniente es la fácil absorción y reflexión de las ondas por parte de los objetos, con el consiguiente problema de atenuación o pérdida de la señal de radio.

Este efecto contraproducente es muy importante cuando los objetos están constituidos por materiales conductores, como la fibra de carbono y el aluminio, ampliamente utilizados en las estructuras de RPAs de tipo multirrotores y helicópteros.

La solución a este problema pasa por la instalación en los receptores de sistemas de antenas redundantes (diversity) y por la adecuada disposición de la antena de las emisoras.

Estas cuestiones se analizarán con detalle en el próximo capítulo.



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3. EMISORES, RECEPTORES Y ANTENAS

3.1. Introducción a los sistemas de comunicación por radiofrecuencia (RF)

Una comunicación se verifica cuando unos datos codificados se codifican en una señal y ésta es emitida por un emisor, se transmite por un medio y se recibe por un receptor, que decodifica los datos y los transforma en información.

Sistema de comunicaciones

En los sistemas comunicación por radiofrecuencia, los datos se codifican en una señal, una magnitud eléctrica que varía con el tiempo, según un código preestablecido.

La señal se procesa en un emisor, que la modifica para adaptarla al canal de transmisión (el aire en el caso de los RPAS) y mejorar su propagación. La señal debidamente preparada se emite al medio a través de la antena emisora y se propaga en forma de ondas electromagnéticas, hasta alcanzar una antena receptora, conectada a un receptor. Este último dispositivo se encarga de reconstruir la señal y decodificar los datos que porta.

Sistema de comunicaciones RF

3.1.1. Emisor de radiofrecuencia El emisor, transmisor o emisora es el transductor que se encarga de procesar la

señal a transmitir, embeberla en una onda electromagnética y enviarla a la antena emisora, que es transductor que la emite al medio (canal) de transmisión.

Siguiendo el diagrama de bloques más habitual para un emisor, el primer componente del sistema es el oscilador. Este dispositivo vibra para generar una señal oscilatoria constante, de alta frecuencia, que será la que se use como portadora.

La señal generada por el oscilador es de muy baja intensidad, por lo que es necesario un primer amplificador de radiofrecuencia, que aumente su energía y la disponga para ser modulada.



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Diagrama de bloques de un transmisor RF

El modulador recibe la señal portadora del amplificador y la moduladora de la fuente (un micrófono, un potenciómetro, una palanca) y las une, bien en frecuencia (modulación de frecuencia, FM), o en amplitud (modulación de amplitud, AM).

Hay que llamar la atención sobre el hecho de que, para caracterizar a un emisor o a un receptor de radiofrecuencia, nos referiremos a la banda de frecuencias de las portadoras, con la que es capaz de trabajar (receptor de AM, de FM, de 2,4 GHz).

Este primer conjunto de componentes se denomina excitador y puede ir o no conectado a otro amplificador de radiofrecuencia, que amplifica al conjunto de la onda portadora y la moduladora, de acuerdo con los límites legales para la operación del equipo. Este segundo bloque de amplificación está unido a la antena emisora.

En los equipos transmisores de baja potencia, como el caso de los de control de los mini y micro RPAS, esta segunda etapa de amplificación no es necesaria, por lo que estos emisores son excitadores que emiten directamente.

En un último paso, la señal de alta frecuencia se transmite a la antena por medio de un cable. Hay que procurar que este cable sea lo más corto posible, a fin de que la señal no sufra la menor atenuación posible.

Es muy importante recordar que nunca se debe hacer funcionar un transmisor si la antena colocada. Sin este transductor, la corriente de alta frecuencia generada retorna de nuevo a los circuitos, dañándolos irreversiblemente.

3.1.2. Receptor de radiofrecuencia El receptor es el dispositivo conectado a una antena receptora, en el que se lleva a

cabo el proceso inverso al de modulación: la demodulación o detección.



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El diagrama de bloques en un receptor heterodino de frecuencia modulada consta de siete bloques básicos.

Diagrama de bloques de un receptor superheterodino

El primer bloque funcional es la etapa de sintonía, que permite seleccionar la frecuencia de la onda portadora que se desea recibir.

Una vez sintonizada la frecuencia buscada, es necesario una primera amplificación de la señal recibida a través de la antena, para que pueda ser adecuadamente tratada. Esto lo realiza el amplificador de radiofrecuencia (alta frecuencia). Este componente debe ser selectivo, para amplificar sólo las frecuencias deseadas y no todas las que se reciben a través e la antena.

La sensibilidad del receptor aumenta si se añaden varios amplificadores de radiofrecuencia en cascada y convenientemente sintonizados. Para ello, se inyecta en todas las etapas amplificadores una señal de frecuencia fija, independiente de la frecuencia sintonizada. Esta señal es uno de los productos de un proceso de heterodinación (generación por una diferencia), en el que se mezclan la señal captada en la antena, con la generada por el oscilador local. Esta mezcla de frecuencia se lleva a cabo en el mezclador.

La onda pasa del mezclador al filtro de frecuencia intermedia, un componente que se caracteriza por ser muy selectivo en cuanto a frecuencias y que se encarga de aislar la señal a demodular.

Por último, el detector demodula la señal de frecuencia intermedia, con lo que se recupera la señal original emitida, que pasa a otro amplificador de baja frecuencia, que le aporta la ganancia exigida en función de la salida del sistema.

3.1.3. Transceptores Un transceptor (transceiver, en inglés) es un dispositivo que aporta la

funcionalidad de poder emitir y transmitir señales, por ejemplo, vía radio. Es el caso de



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los teléfonos móviles, los walkie-talkies, y las "emisoras" de control del piloto del RPAS dotadas de telemetría.

Estos sistemas pueden compartir parte los componentes para la emisión y la recepción. En estos casos, puede realizar las dos funciones, pero no simultáneamente. Hablaremos en este caso de transceptores semi-duplex, y un ejemplo lo tenemos en los walkie-talkies y buena parte de los equipos de radiocomunicación utilizados en banda ciudadana y en aeronaves. Estos sistemas disponen de un conmutador, normalmente en forma de botón, que es preciso activar para hablar.

En el caso, por ejemplo, de las emisoras del piloto en los RPAS, cuando cuentan con la funcionalidad de recepción de telemetría, lo correcto es referirse a ellas como transceptores, puestos que son capaces de emitir y recibir señales de radiofrecuencia. En estos casos, ofrecen las dos funcionalidades simultáneamente (no es necesario conmutar entre una y otra), por lo que se trata de sistemas full-duplex. Este es el caso también de los teléfonos móviles.

Por último, los emisores o receptores puros carecen de esta capacidad duplex, por lo que el tipo de comunicación que son capaces de proporcionar es simplex (en un sólo sentido). Será el caso de las emisoras de control más sencillas o de los receptores de vídeo, en un RPAS.

3.2. Antenas Una antena es un dispositivo metálico capaz de radiar y de recibir ondas

electromagnéticas. Su función es la de convertir una señal que se transmite por una línea de transmisión (un cable), en ondas electromagnéticas capaces de propagarse por el espacio, y viceversa (también es capaz de convertir esas ondas en impulsos o señales eléctricas). Cuando la antena se utiliza para transmitir ondas de radio, hablaremos de antena emisora. Si su función es captar esas ondas, lo haremos de antena receptora.

El tamaño de la antena depende directamente de la banda de frecuencias que se quiere transmitir o captar. Las frecuencias más bajas conllevan una mayor longitud de onda y por tanto, requieren de antenas más grandes.

3.2.1. Funcionamiento de una antena Una antena es la interfaz entre dos medios, la línea de transmisión y el espacio

(atmósfera, espacio exterior), que poseen impedancias muy diferentes (resistencia de un medio a la propagación de una onda). Así pues, la primera función de la antena es actuar como dispositivo adaptador de impedancia, de manera que la energía transportada por las ondas electromagnéticas abandone la línea de transmisión y se propague por el espacio, sin causar distorsión en la señal que transmite.



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Una antena eficiente, que radie la mayor parte de la energía que se le suministre, debe tener unas dimensiones del orden de la longitud de la onda que se pretende radiar o captar. Dependiendo de las aplicaciones, las antenas se diseñan con tamaños que oscilan entre 1/8 de la longitud de onda (λ) y la longitud completa.

Por ejemplo, en el caso de la banda de frecuencias de las microondas, para 2,4 GHz, la longitud de onda es de 12,5 centímetros, y de 6 centímetros para 5 GHz, lo que permite tamaños de antena muy pequeños y manejables.

Antenas dipolo

Las antenas más usuales son las del tipo dipolo de 1/2 de onda o antena de Hertz. Consisten en dos tramos colineales de un conductor, dispuestos a 90° respecto al tramo de línea que los conecta con el emisor o receptor, y que suman una longitud total igual a la mitad de la longitud de onda que se pretende radiar o captar.

3.2.2. Principales parámetros de una antena

Ganancia La ganancia de una antena es la relación (el cociente) entre la energía que se le

suministra y la que es capaz de radiar.

La ganancia se expresa en decibelios (dB) y expresa la comparación de la energía efectivamente radiada por la antena real, comparada con la que radiaría una antena isotrópica equivalente (una antena que radia toda la energía que le llega y lo hace por igual en todas las direcciones del espacio -patrón de radiación esférico-)

Directividad y patrón de radiación En el caso de que la antena radie o capte la mayor parte de la energía que se le

suministra en una sola dirección las antenas se denominan direccionales. Si lo hace por igual en todas direcciones del plano horizontal, hablaremos de antenas omnidireccionales.

A la representación gráfica de la forma en la que una antena radia al espacio la energía electromagnética se le denomina diagrama o patrón de radiación.



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Normalmente, en las características técnicas de las antenas, vendrán especificados tanto el patrón de radiación en el plano horizontal (patrón de azimut) y en el plano vertical (patrón de elevación). Estos patrones nos permitirán estimar la densidad de la energía radiada en función de la dirección.

Patrones de radiación de una antena direccional

En el caso de antenas omnidireccionales, que son las más adecuadas para comunicaciones con sistemas móviles, el patrón de dispersión se caracteriza por tener forma toroidal, con una caída de ganancia muy acusada sobre la vertical de la antena.

Patrón de radiación de una antena omnidireccional típica

Dado que este tipo de antenas es muy utilizada en los RPAS, los pilotos deben tener en cuenta este comportamiento y evitar que la punta de la antena (la zona de menor emisión de energía) apunte hacia donde vuela el RPA, lo que puede acarrear la interrupción del radio enlace C2.

Para evitar este tipo de situaciones, es conveniente disponer la antena del emisor formando un ángulo respecto a la dirección en la que se encuentra la aeronave. De esta



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manera, la parte de la antena desde la que se emite la mayor parte de la energía estará orientada hacia el receptor.

Polarización La polarización es la orientación del campo eléctrico de las ondas

electromagnéticas radiadas por la antena. Puede ser lineal (vertical, horizontal u oblicua) o circular (circular o elíptica, a derecha o a izquierda).

Polarización lineal (vertical y horizontal) y circular

Es importante que la polarización de las antenas emisora y receptora sean iguales, para obtener el máximo rendimiento.

En el caso de las antenas omnidireccionales, la polarización es siempre vertical. Este tipo de polarización es ligeramente menos susceptible a las reflexiones en el camino de transmisión, pero las antenas verticales tienen más probabilidad de captar interferencias de origen antrópico.



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Polarización lineal en antenas dipolo dispuestas vertical y horizontalmente.

3.2.3. Tipos de antenas más usuales Los tipos de antenas más frecuentes son:

� Antenas dipolo, ya vistas en los apartados anteriores. Su patrón de radiación es omnidireccional, por lo que la transmisión se degrada considerablemente en la dirección de su eje longitudinal.

� Antenas dipolo multielemento. Tienen un patrón de radiación similar al de las de dipolo simple, aunque tienen una mayor ganancia en el plano de elevación.

� Antenas Yagi. Consisten en un arreglo de elementos de antena independientes, de los que sólo uno transmite o capta las ondas de radio. Son más direccionales que las de panel y no tanto como las parabólicas.



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� Antenas de panel plano. Son un panel cuadrado o rectangular, configuradas en un formato tipo patch (estructura plana). Suelen ser muy direccionales y por ello, también de alta ganancia.

� Antenas parabólicas. Se caracterizan por disponer de un plato reflector de forma parabólica, que concentra las ondas de radio recibidas en un punto focal. Se caracterizan también por ser muy direccionales y por proveer una alta ganancia.

3.2.4. Antenas diversity en los RPAS Como ya se vio, los enlaces de datos establecidos usando altas frecuencias(2,4

GHz y 5,8 GHz) pueden verse afectados por interferencias debidas a reflexiones y absorciones de las ondas que transportan la señal. Este efecto indeseado se soslaya instalando dos o más antenas receptoras, en diferentes localizaciones y orientaciones. Basta con disponer un par de antenas en un ángulo de 90° y separadas tan sólo unos centímetros.

La antena diversity así creada asegura en gran medida que, al menos una de las antenas



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receptoras capte una señal fuerte y clara, independientemente de los cambios de posición del RPA en el que vayan instaladas.

Para asegurar aún más la calidad del radioenlace, algunas emisoras de control de última generación incluyen dos antenas emisoras, dispuestas también perpendiculares entre sí, los que mejora también la diversidad.

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