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DISEÑO, PLANIFICACIÓN Y DESARROLLO DE UNA ESTACIÓN DE RADIO
EN HF DE ALTA COMPETITIVIDAD PARA RADIO DEPORTIVA
ETS Ingenieros de Telecomunicación
Universidad Politécnica de Madrid
Esta presentación es incompleta sin las
explicaciones orales que la acompañan Salvador Doménech Fernández, EA5DY
13 julio 2012
INDICE
¿QUÉ ES LA RADIO DEPORTIVA?
OBJETIVOS DEL PFC
DESARROLLO DEL PROYECTO
CONCLUSIONES
Introducción
LA RADIO DEPORTIVA: MUCHO MÁS QUE UN HOBBY CIENTÍFICO
•LA RADIO DEPORTIVA ES UNA ACTIVIDAD COMPETITIVA DONDE PARTICIPAN
RADIOAFICIONADOS COMPITIENDO A NIVEL MUNDIAL
•Duración de 24/48 horas
•Con el objetivo de realizar el máximo número de comunicados internacionales,
con el máximo posible de países o zonas del mundo,
•Utilizando seis bandas diferentes del espectro de onda corta
•COMBINACIÓN DE DESTREZA OPERATIVA E INNOVACIÓN TÉCNICA EN
RADIOCOMUNICACIONES DE HF
•CQWW DX CONTEST: EL EVENTO DEPORTIVO, DE CUALQUIER TIPO, CON MAYOR
NÚMERO DE PARTICIPANTES DE TODO EL MUNDO
•Más contendientes que en las Maratones de Londres o Nueva York
•Participantes de más de 150 naciones de todos los continentes
•La clasificación definitiva lleva meses de trabajo de análisis computerizado
•LAS ESTACIONES PUNTERAS REUNEN OPERADORES QUE RECORREN MILES DE KM
PARA ESTAR EN LAS MEJORES UBICACIONES DEL MUNDO
Objetivos
DISEÑAR Y CONSTRUIR UNA ESTACIÓN DE ALTA COMPETITIVIDAD,…
– …ES DECIR, UNA ESTACIÓN DE RADIO DE ALTAS PRESTACIONES, OPTIMIZADA PARA
COMPETICIONES Y CON CAPACIDAD DE OBTENER PUESTOS DE CABEZA
– LAS MEJORES ESTACIONES A NIVEL MUNDIAL COMBINAN:
– Extensos campos de antenas
– Ubicaciones geográficas privilegiadas
– Elevadas inversiones en equipamiento
– Experimentados equipos de operadores internacionales
Ejemplo: CR2X, Is. Azores
Ejemplo: CN2R, Marruecos
Desarrollo del proyecto
UNA ESTACIÓN HF DE ALTAS PRESTACIONES REQUIERE DESARROLLAR
CUIDADOSAMENTE CINCO COMPLEJAS ÁREAS CLAVE
• ELEVADA GANANCIA
• DIVERSIDAD AZIMUTAL
• DIVERSIDAD DE ELEVACIÓN
SISTEMAS
DE ANTENAS
HF
SISTEMAS
DE FILTROS
SELECCIÓN
UBICACIÓN
ÓPTIMA
TRANSMISORES
RECEPTORES
INTEGRACIÓN
OPERATIVA
• ELIMINACIÓN DE ARMÓNICOS
MÚLTIPLOS
• RX Y TX SIMULTÁNEOS
• ERGONOMÍA
• FUNCIONALIDAD
• INTELIGENCIA COMPETITIVA
• ALTA PUREZA ESPECTRAL
• ALTO MÁRGEN DINÁMICO
• ROBUSTEZ ANTE IMD
• ANÁLISIS PROPAGACIÓN HF
• CONDX GEOGRÁFICAS
Desarrollo: Selección de la ubicación
SE ANALIZARON CUATRO ZONAS DEL MUNDO
– ANÁLISIS DE LA PROPAGACIÓN HF HACIA
ZONAS CLAVE DEL MUNDO
– Horas de apertura
– Intensidad de señal esperable
– ESTRUCTURA DE PUNTUACIÓN DE LOS
PRINCIPALES CAMPEONATOS
– CONDICIONES DE RECEPCIÓN Y RUIDO LOCAL
– “ATRACTIVIDAD” DEL PAIS PARA LAS
ESTACIONES CORRESPONSALES
– PARA LA TOMA DE DECISIÓN, SE DESARROLLO UN ALGORITMO DE EVALUACIÓN QUE
ANALIZA LA PUNTUACIÓN MÁXIMA ESPERABLE DESDE CADA UBICACIÓN
CRITERIOS DE VALORACIÓN
EA peninsular
Canarias
Caribe sur
Brasil
Desarrollo: Selección de la ubicación
ALGORITMO DE SELECCIÓN DE LA UBICACIÓN
S S PTOS totales = (rate) x (S/N) x (band) Banda 24 h
•CANARIAS 100
•CARIBE SUR 98
•BRASIL 86
•ESPAÑA PENIN. 65
Desarrollo: Sistema de Antenas
CRITERIOS DE DISEÑO DEL SISTEMA DE ANTENAS
– ANTENAS DIRECTIVAS CON
DIVERSIDAD AZIMUTAL
– Lóbulos de radiación azimutales
amplios
– TX-RX HACIA DOS RUMBOS EN
SIMULTÁNEO
– LÓBULOS DE RADIACIÓN
ORIENTABLES EN ELEVACIÓN
– ANTENAS DE RECEPCIÓN INMUNES
AL RUIDO
– CAMPO DE ANTENAS < 1 Ha
INPUTS RESULTADOS
S/N objetivo en cada zona del mundo
Predicción horaria de propagación
por zona del mundo
Ángulos ionosféricos de llegada por
zona del mundo LÓBULO EN ELEVACIÓN
LÓBULO EN AZIMUT
Ejemplo de la banda de 28 MHz
CRITERIOS DE DISEÑO
Desarrollo: Sistema de Antenas
CAMPO DE ANTENAS: CINCO TORRES DE 45 METROS DE
ALTURA CON 32 ANTENAS DIRECTIVAS
80m: 1 x 2 el
yagi
15m: 4 x 5 el
yagi
40m: 2 x 4 el yagi
10m: 4 x 5 el yagi
160m:1 x 2 el delta
(NA)
80m: 1 x 2 el
yagi
20m: 3 x 5 el
yagi
20m: 3 x 5 el
yagi
15m: 3 x 5 el
yagi
40m: 2 x 4 el yagi
10m: 3 x 5 el yagi
160m:1 x 2 el delta
(EU)
TORRE 1 TORRE 2 TORRE 3
TORRE 4 TORRE 5
SALA DE
RADIOS
(“Shack”)
130 m
77
m
45 m 45 m
45 m
• 10 METROS:
– 7 antenas Yagi de 6 elementos
• 15 METROS:
– 7 antenas Yagi de 5 elementos
• 20 METROS:
– 6 antenas Yagi de 5 elementos
• 40 METROS:
– 4 antenas Yagi de 4 elementos
• 80 METROS:
– 2 antenas Yagi de 2 elementos
• 160 METROS;
– 2 antenas delta-loop de 2 elementos
• RECEPCIÓN (80m y 160m)
– 4 antenas Beverage
ANTENAS DESARROLLADAS
Desarrollo: Sistema de Antenas
ANTENAS PARA 160 METROS (1.850 kHz)
– 2 ANTENAS DE BUCLE EN DELTA DE 2 ELEMENTOS CON UN REFLECTOR PASIVO
– POLARIDAD VERTICAL
– 4 DIRECCIONES CONMUTABLES REMOTAMENTE
30m
16m
VENTAJAS:
• EXCELENTE RELACIÓN FRENTE/ESPALDA: REDUCCIÓN DE RUIDO
• CONMUTACIÓN INMEDIATA DE RUMBO
• BAJO ÁNGULO DE RADIACIÓN SIN REQUERIR ALTURAS ELEVADAS
• POLARIZACIÓN OPUESTA A LA SIGUIENTE BANDA (reducción interacción
destructiva)
Desarrollo: Sistema de Antenas
ANTENAS PARA 80 METROS (3.500 kHz - 3.800 kHz)
– 2 ANT YAGI DE 2 ELEMENTOS ACORTADOS AL 60% MEDIANTE BOBINAS DE ALTO Q
– EXCELENTE F/B > 25 dB
– COBERTURA DE TODA LA BANDA MEDIANTE UNA RED ADAPTADORA
Lóbulo azimutal 3,7 MHz
Desarrollo: Sistema de Antenas
ANTENAS PARA 40 METROS (7.000 kHz – 7.200 kHz)
– 4 ANT YAGI DE 4 ELEMENTOS DE TAMAÑO COMPLETO (21 m)
– EXCELENTE F/B = 25 dB
– COBERTURA DE TODA LA BANDA MEDIANTE DOBLE EXCITADO
Lóbulo azimutal 7,1 MHz
Desarrollo: Sistema de Antenas
ANTENAS PARA 20 METROS (14,0 MHz – 14,35 MHz)
– 6 ANT YAGI DE 5 ELEMENTOS DE TAMAÑO COMPLETO (10,5 m)
– EXCELENTE F/B > 27 dB, G = 9,6 dBi. SWR <1,3:1 EN TODA LA BANDA
– ANCHURA DE LÓBULO (-3dB) = 54º
Lóbulo elevación14,2 MHz
(antena a 42m de altura)
Desarrollo: Sistema de Antenas
ANTENAS PARA 15 METROS (21,0 MHz – 21,45 MHz)
– 7 ANT YAGI DE 5 ELEMENTOS
– EXCELENTE F/B > 27 dB, G = 9,6 dBi. SWR <1,5:1 EN TODA LA BANDA
– ANCHURA DE LÓBULO (-3dB) = 52º
Lóbulo azimutal 21,2 MHz
Desarrollo: Sistema de Antenas
ANTENAS PARA 10 METROS (28,0 MHz – 29,7 MHz)
Lóbulo azimutal 28,4 MHz
– 7 ANT YAGI DE 6 ELEMENTOS DE ESPACIADO LARGO
– EXCELENTE F/B > 30 dB, G = 10,4 dBi. SWR <1,6:1 EN TODA LA BANDA
– ANCHURA DE LÓBULO (-3dB) = 50º
Desarrollo: Sistema de Antenas
APILAMIENTO VERTICAL DE LAS ANTENAS YAGI PARA CUBRIR
TODOS LOS ÁNGULOS IONOSFÉRICOS (ejemplo de 28 MHz)
TORRE 2
ANT 10-4: 38 metros s.n.s.
ANT 10-3: 28 metros s.n.s.
ANT 10-2: 18 metros s.n.s.
ANT 10-1: 8 metros s.n.s.
ENFASADO
SELECTIVO
Ganancia / ángulo vertical
Ant 1
Ant 2
Ant 1 + Ant 2
Ant 1+ Ant 2 + Ant 3
Desarrollo: Sistema de filtrado
EL RETO ES OBTENER ATENUACIONES ENTRE PUESTOS TX/RX
CONTIGUOS DE AL MENOS 147 dB
CONDICIONANTES
– TRANSMISORES CON 1500 W DE SALIDA Y POTENCIA
RADIADA DE MÁS DE 30 KW pire
– ANTENAS SITUADAS EN UN RECINTO INFERIOR A 500
METROS DE RADIO
– LAS BANDAS SON TODAS MÚLTIPLOS CONSECUTIVOS
DE FRECUENCIA
– EL ARMÓNICO INTERFERENTE NO DEBE BLOQUEAR
FRECUENCIAS EN LA BANDA SIGUIENTE (máx 1 ch)
– LA AUSENCIA DE INTERFERENCIAS ES UNA GRAN FUENTE DE VENTAJA COMPETITIVA
-150
-140
-130
-120
-110
-100
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
- 0
+10
+20
+30
+40
+50
+60
+70
+80
1500 W (potencia máxima del transmisor)
Daño en el receptor
Nivel de bloqueo a 50 khz en el receptor
Señal de S9+60dB
Señal de S9+40dB
Señal de S9+20dB
Señal de S9
Nivel de interferencia moderada
Umbral de ruido del receptor (típico RX K3)
Umbral de ruido del receptor (mejor banda)
10 kW
IMD en el RX a nivel de ruido
Nivel ruido externo en 20 m (típico)
Señal (dBm)
Desarrollo: Sistema de filtrado
ESQUEMA GENERAL DEL SISTEMA DE FILTRADO
• SINTONIA AUTOMÁTICA
• PASO EN ALTA DE ALTO Q Y ALTA
IMPEDANCIA (lámparas de vacío)
• ELEVADA ATENUACIÓN DE ARMÓNICOS
• ATENUACIÓN SELECTIVA DE LAS BANDAS
DAÑINAS
• ELABORADO CON LINEAS DE TRANSMISIÓN • ACTIVO EN TX Y RX
• ATENUACIÓN DE 70 dB EN SIGUIENTE BANDA
• BAJAS PÉRDIDAS DE INSERCIÓN
• ELEVADA PUREZA ESPECTRAL
• MUY BAJO RUIDO DE FASE
TRANSMISOR
(Icom 7800)
FILTRO PASOBANDA
AMPLIFICADOR
LINEAL
FILTROS GRIETA CIERRA-BANDA
LÍNEA l/4 en
1er armónico
Desarrollo: Sistema de filtrado
FILTRO PASOBANDA PARA CADA UNA DE LAS SEIS BANDAS
FILTROS PASO BANDA PARA 160, 40, 15
Y 10 METROS
C1 C3
C2 L2-A L2-B
L3 L1
FUENTE CARGA
Desarrollo: Sistema de filtrado
FILTRO DE GRIETA PARA 80 METROS: PASA 3,7 MHz Y
ATENÚA 7 MHz, 14 MHz, 21 MHz y 28 MHz
– FILTRO PASO BANDA DE 3,65 MHz MÁS RESONADORES MONOBANDA PARA LOS
MÚLTIPLOS DE LA FRECUENCIA DE PASO
– LA CALIDAD DEL FILTRO ES MUY DEPENDIENTE DE LA CALIDAD DE LOS
COMPONENTES DISCRETOS
Abierto Abierto
9,08 m de coax LMR600 AMPLIFICADOR
LINEAL
ANTENAS
20m
9,08 m
de LMR600
9,08 m
de LMR600
Corto
4,54 m
de LMR600
Corto
4,54 m
de LMR600
Desarrollo: Sistema de filtrado
FILTRO DE GRIETA PARA 20 METROS: PASA 14 MHz Y
ATENÚA 7 MHz, 21 MHz y 28 MHz
– REALIZADOS CON LÍNEA COAXIAL
DE TX DE BAJAS PÉRDIDAS.
– SOPORTA POTENCIAS > 2kW
– ATENUACIÓN > 45 dB en f1
– PÉRDIDAS DE INSERCIÓN DE 0,2 dB
EN f0
– CADA BANDA Y PUESTO DE OPERACIÓN DISPONE DE SU PROPIO CONJUNTO DE
FILTROS DE GRIETA (12 filtros de grieta en total)
Desarrollo: Transmisores-Receptores
SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS EN BASE A CINCO CRITERIOS
– MSD: Mínima señal discernible
– MDB: Margen dinámico de bloqueo
– IMDDR: Margen dinámico de
distorsión por intermodulación
– IP3: Punto de intercepción de
tercer orden
– ERGONOMÍA
FlexRadio SDR-5000 132 123 99 47 media
Icom IC-7800 II 141 144 108 51 excelente
Elecraft K3/100 138 142 106 51 buena
Yaesu FT-Dx 5000 136 133 98 41 excelente
Yaesu FT-Dx 9000 D 134 138 100 46 buena
Ten-Tec Orion II 137 136 92 31 excelente
MSD MDB IMDDR IP3 ERGON.
Análisis: Laboratorios ARRL
RADIO A
(IC-7800)
AMPLIFICADOR
LINEAL
Antenas A
TX-RX
INTER-
LOCK
FILTRO
PASO-BANDA
Interfaz
MK2R
FILTROS
GRIETA
MATRIZ
CONMUTACIÓN
ANTENAS
Antena RX
U. CONTROL
RUMBOS
RED DE ÁREA LOCAL
RADIO A
(IC-7800)
AMPLIFICADOR
LINEAL
Antenas B
TX-RX
FILTRO
PASO-BANDA
Interfaz
MK2R
FILTROS
GRIETA
MATRIZ
CONMUTACIÓN
ANTENAS
Antena RX
PC puesto 2 PC puesto 1
Auricul. Microf. Llave CW Auricul. Microf. Llave CW
Mandos de
ROTORES
A los rotores de antena
Torre A
A los rotores de antena
Torre B
Desarrollo: Integración operativa
INTEGRACIÓN DE SISTEMAS DE UNA BANDA DE FRECUENCIAS
CON DOS PUESTOS DE OPERACIÓN
– ESTA CONFIGURACIÓN SE REPITE SEIS VECES, UNA POR CADA BANDA DE FRECUENCIAS
Desarrollo: Integración operativa
ERGONOMÍA Y FUNCIONALIDAD EN LOS PUESTOS DE OPERACIÓN
– TODAS LAS FUNCIONES DE CONTROL Y OPERACIÓN SE MANEJAN DESDE EL ORDENADOR
DEL OPERADOR (Log, equipos, antenas, análisis propagación, citas, rumbos, etc…)
– EJEMPLOS ILUSTRATIVOS DEL LAYOUT DE LOS PUESTOS DE OPERACIÓN
Estación NR5M, (TX, USA) Estación EB8AH*, (Gran Canaria)
(*) Estación record mundial en 2012 del CQWPX Contest SSB
Implantación
CALENDARIO DE IMPLANTACIÓN
– JALON 0: ADQUISICIÓN DE TERRENO, PERMISOS Y LICENCIAS DE OBRA...
– JALÓN 18: ENTREGA AL CLIENTE
Conclusiones
LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN A FUTURO
•DESARROLLO DE FILTROS A CRISTAL MUY ESTRECHOS DE PASO VARIABLE PARA
OPERAR DOS ESTACIONES DE RUNNING EN LA MISMA BANDA.
•MODULAR EL ÁNGULO DE DESPEGUE DE LAS ANTENAS VARIANDO LAS FASES DE
ALIMENTACIÓN DE LAS YAGIS APILADAS MEDIANTE REDES DESPLAZADORAS DE
FASE
•OPERACIÓN AGRESIVA DE RUNNING Y S&P EN LA MISMA BANDA DECODIFICANDO EN
SIMULTÁNEO TODO EL ESPECTRO DE LA BANDA (SOLO VIABLE EN CW Y RTTY)
•ESTUDIO COMPARATIVO DEL DESEMPEÑO DE LAS SOLUCIONES DE ESTA ESTACIÓN
MEDIANTE ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE LAS SEÑALES EN RECEPTORES REMOTOS
(REVERSE BEACON)
Conclusiones
SÍNTESIS DE LAS CONCLUSIONES (I)
•EL ANÁLISIS DE LA PROPAGACIÓN ESPERABLE Y LA SELECCIÓN DE LA UBICACIÓN ES
UN FACTOR DETERMINANTE PARA MAXIMIZAR LA PUNTUACIÓN
•LAS YAGIS OPTIMIZADAS POR ORDENADOR Y APILADAS SON UNA EXCELENTE
ALTERNATIVA PARA MODULAR LOS ÁNGULOS DE ELEVACIÓN ADAPTÁNDOLOS A LAS
CONDICIONES IONOSFÉRICAS
•ES VIABLE CONSTRUIR ANTENAS DIRECTIVAS DE HILO PARA 1,8 MHz CON ALTURAS
MODERADAS Y MUY ALTA EFICACIA MEDIANTE BUCLES EN DELTA
•LAS YAGIS ACORTADAS MEDIANTE BOBINAS DE MUY ALTO Q (Q>1500) PUEDEN
MANTENER UNA ELEVADA GANANCIA Y ALTO F/B
- A costa del ancho de banda que debe ser resuelto mediante redes de ajuste
•LOS FILTROS DE GRIETA CON LÍNEAS DE TX SON UNA EXCELENTE OPCIÓN PARA
ELIMINAR ARMÓNICOS SUCESIVOS CUANDO SE COMBINAN CON FILTROS PASOBANDA
•LA INTEGRACIÓN DE LA ESTACIÓN PARA PERMITIR TÉCNICAS AGRESIVAS DE
OPERACIÓN ES UNA CLARA FUENTE DE VENTAJA COMPETITIVA EN LOS CONCURSOS
Conclusiones
SÍNTESIS DE LAS CONCLUSIONES (II)
•ESTA ESTACIÓN PUEDE USARSE, DE MANERA INMEDIATA Y SIN MODIFICACIONES,
COMO ESTACIÓN DE COMUNICACIONES DE EMERGENCIA EN CASO DE CATÁSTROFE
•Cobertura mundial
•Capacidad para voz y datos por HF
•Autonomía energética plena
•Acceso a las bandas del Servicio de Aficionados y de las redes de emergencia
adyacentes
•E-mail mediante red Winlink2000
FIN
EF8HQ, Campeón Mundial IARU HF CHAMPIONSHIP 2009
AO8A, Campeón Mundial M/2 CQWW DX 2009
EF8R, Campeón Mundial M/M CQWW DX 2010
EB8AH, Campeón Mundial M/M CQWPX 2010
EB8AH, Campeón Mundial M/2 CQWPX 2011
EF8HQ, Campeón Mundial IARU HF CHAMPIONSHIP 2011
EF9A, Campeón África SO10m CQWW DX 2011
EB8AH, Campeón Mundial M/M CQWPX 2012
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