Antena de guía de onda de haz

En una antena de guía de onda de haz, la energía recogida por el reflector principal y el subreflector se acopla a una cadena de reflectores internos que transporta el haz hasta un foco remoto.^[1][2] Los reflectores planos se emplean sobre todo para plegar la trayectoria del haz, mientras que los reflectores curvos se utilizan para reenfocarlo y controlar su divergencia a lo largo del sistema.^[1][3]

El principio de diseño procede de la óptica geométrica aplicada a microondas: mediante pares de reflectores adecuadamente conformados y posicionados puede reproducirse el patrón de radiación del alimentador en otro punto del espacio, de modo que el sistema funciona como una guía cuasi-óptica.^[3] En realizaciones prácticas, sin embargo, el comportamiento se aparta del modelo ideal debido a efectos de difracción, pérdidas por spillover, errores de fase y sensibilidad a desalineaciones.^[3]

En muchas implementaciones, la trayectoria del haz queda contenida dentro de una envolvente metálica. Aunque el concepto básico suele tratarse como una guía abierta, la presencia de ese conducto puede influir de forma apreciable en el rendimiento, sobre todo a frecuencias más bajas, donde las condiciones de contorno afectan a la propagación y pueden introducir pérdidas o distorsiones adicionales si no se consideran en el diseño.^[1][3]

Los conceptos de beam waveguide aparecieron en la literatura de microondas a mediados de la década de 1960, cuando se describieron sistemas de reflectores capaces de guiar haces electromagnéticos con pérdidas reducidas.^[6] La arquitectura adquirió relevancia práctica en grandes antenas de seguimiento y comunicaciones espaciales cuando se comprobó que podía desplazar el alimentador y la electrónica asociada desde el foco elevado hasta un recinto remoto mucho más accesible.^[1][2]

Un hito importante fue la construcción en Goldstone de la antena experimental DSS-13 de 34 metros, concebida para introducir la arquitectura BWG y preparar la operación en banda Ka en la red de la NASA.^[2] Tras su puesta en servicio, la Red del Espacio Profundo incorporó antenas operativas de 34 metros con alimentación BWG.^[7]

La bibliografía técnica de finales de la década de 1980 situaba además esta arquitectura en otros contextos, como grandes radiotelescopios y estaciones terrenas de telecomunicaciones por satélite.^[1][3] Fuera de la red estadounidense, una realización temprana y muy citada fue la antena de 64 metros del centro de espacio profundo de Usuda, en Japón, construida para comunicaciones de espacio profundo.^[8]

En la década de 2000, la arquitectura se incorporó también a la red europea de espacio profundo. La Estación de Nueva Norcia fue descrita por la ESA como una antena de 35 metros con sistema de alimentación beam-waveguide, espejo dicróico, equipos criogénicos en bandas S y X y previsión de ampliación a banda Ka.^[9][10] Poco después, la Estación de Cebreros incorporó una solución BWG de tipo Cassegrain con transmisión y recepción en banda X, recepción en bandas K y Ka, y elementos dicróicos como parte central del sistema multifrecuencia.^[11][12] La Estación de Malargüe, tercera antena europea de espacio profundo, comenzó a construirse a finales de 2009, recibió sus primeras señales de prueba el 14 de junio de 2012, fue inaugurada en diciembre de 2012 y entró en servicio rutinario a comienzos de 2013; su sistema de radiofrecuencia se basa asimismo en una arquitectura BWG de tipo Cassegrain con espejos dicróicos y operación en bandas X y Ka.^[13]

En radioastronomía, el concepto evolucionó tanto en radiotelescopios concebidos con rutas BWG suplementarias como en conversiones de antenas de telecomunicaciones destinadas a observación astronómica y geodesia.^[4][5]

Summarize Fact Check

La arquitectura beam-waveguide se ha aplicado sobre todo a grandes antenas de doble reflector, en las que la trayectoria del haz se reorganiza mediante reflectores internos sin alterar la función básica del reflector principal y del subreflector.^[1][3] Aunque las realizaciones concretas varían según la banda de frecuencia, el tamaño de la antena y las exigencias mecánicas de cada instalación, la literatura técnica coincide en varios rasgos de diseño: el uso combinado de reflectores planos y curvos, la conducción del haz hasta una zona accesible, la posible presencia de una envolvente metálica y la integración de rutas multifrecuencia.^[1][3]

La mayoría de los diseños beam-waveguide comparten varios elementos básicos.^[1][3] El reflector principal recoge la radiación incidente y la dirige hacia el subreflector, que a su vez la acopla a una cadena de reflectores internos que conduce el haz hasta un foco remoto.^[1][2] En muchas realizaciones, esa cadena óptica queda alojada dentro de una envolvente metálica o tubo, mientras que el alimentador y los receptores se sitúan en una posición más accesible y menos afectada por el movimiento en elevación.^[3][14][10]

En la configuración clásica, el haz recogido por el reflector principal y el subreflector se acopla a una cadena de espejos internos que lo lleva hasta un foco remoto.^[1][3] Los reflectores planos se emplean principalmente para plegar la trayectoria del haz y adaptarla a la geometría del montaje, mientras que los reflectores curvos se utilizan para reenfocarlo y controlar su divergencia.^[1][3]

En la literatura de la DSN se describen configuraciones centradas y configuraciones de bypass para conducir el haz hasta el recinto de receptores.^[1][2][14] En las antenas de 34 metros BWG descritas en el manual de interfaces de la red, el recinto de receptores es de tipo pedestal room; otros diseños BWG, no utilizados allí, sitúan el equipo en una alidade room situada por encima de la vía de azimut y por debajo del reflector principal.^[15] En el diseño centrado, la trayectoria óptica atraviesa la región central de la antena y el eje de azimut hasta una sala situada bajo la estructura; en el diseño de bypass, el trayecto se sitúa fuera del cojinete de elevación sobre la plataforma giratoria de azimut, con el fin de adaptarse a restricciones geométricas y estructurales distintas.^[2]

Muchas antenas beam-waveguide alojan la cadena de reflectores dentro de una envolvente metálica o tubo.^[3] Esta solución proporciona protección ambiental, mejora la seguridad durante la transmisión y ayuda a controlar interferencias y radiación no deseada.^[3] En la práctica, esa envolvente puede influir de forma apreciable en el rendimiento, sobre todo cuando su diámetro no es muy grande en relación con la longitud de onda.^[3][14]

A bajas frecuencias, los sistemas BWG diseñados geométricamente pueden degradarse porque los centros de fase determinados por difracción se apartan del foco de óptica geométrica, lo que incrementa el desenfoque y las pérdidas por spillover.^[14] En ese régimen, además, ignorar el efecto de la envolvente metálica puede conducir a análisis inexactos del comportamiento electromagnético.^[3]

Una de las ventajas más características de la arquitectura beam-waveguide es que facilita la operación en varias bandas desde una zona de receptores más accesible.^[1][10] En ese entorno pueden instalarse varios alimentadores, receptores criogénicos, convertidores y elementos selectivos en frecuencia, como espejos dicróicos, sin cargarlos sobre la parte móvil de la antena.^[10][12][13]

En las estaciones europeas de espacio profundo, los elementos dicróicos constituyen una parte central de la solución multifrecuencia: en Nueva Norcia la ESA describe un sistema BWG con espejo sensible a frecuencia, y en Cebreros y Malargüe el concepto BWG de tipo Cassegrain aparece asociado a espejos dicróicos y a la integración de varias bandas de operación.^[10][12][13]

La arquitectura beam-waveguide se adopta principalmente cuando las ventajas operativas de un foco remoto compensan la mayor complejidad de la cadena óptica interna.^[3][1] En grandes antenas de espacio profundo y radioastronomía, esta solución permite separar físicamente los subsistemas sensibles de la parte más desfavorable de la estructura móvil, pero también introduce nuevas exigencias de diseño, alineación y modelado electromagnético.^[3][2]

La ventaja más citada es la posibilidad de instalar el alimentador, los receptores criogénicos y otros equipos delicados en una zona más accesible y protegida.^[3][1] Esto proporciona un entorno más estable desde el punto de vista mecánico y térmico, simplifica el acceso para mantenimiento y evita cargar esos equipos sobre una estructura móvil situada en un foco elevado.^[3][2]

Otra ventaja importante es la facilidad con la que esta arquitectura admite operación en varias bandas de frecuencia.^[3][10] Al concentrar la instrumentación en una sala o compartimento de receptores, resulta más sencillo integrar varios alimentadores, receptores especializados y elementos selectivos en frecuencia.^[10][12][13]

La principal limitación es que el haz debe atravesar una cadena adicional de reflectores antes de llegar al sistema receptor.^[3] En comparación con una alimentación más directa, esto introduce nuevas fuentes de degradación, como pérdidas por spillover, divergencia del haz entre espejos, distorsiones de amplitud y fase, y sensibilidad a desalineaciones o deformaciones estructurales.^[3][14]

Estas dificultades se vuelven especialmente importantes a frecuencias más bajas, donde el desenfoque asociado a la difracción y la influencia de la envolvente metálica pueden dejar de ser efectos secundarios y pasar a condicionar de manera apreciable el rendimiento global del sistema.^[3][14]

El rendimiento de una antena beam-waveguide suele evaluarse mediante una combinación de modelado electromagnético y campañas de medida sobre la antena completa.^[16][15] Entre las magnitudes más empleadas figuran la ganancia de antena, la eficiencia de antena, la temperatura de ruido del sistema y la relación G/T.^[15]

En grandes antenas BWG, la eficiencia no depende únicamente del reflector principal, sino también de la cadena de espejos internos, de la calidad de alineación y de la estabilidad geométrica del conjunto.^[16] Las campañas de caracterización realizadas en la antena DSS-13 de 34 metros mostraron que la eficiencia en bandas X y Ka varía con la elevación, y que en banda Ka no se apreciaban variaciones significativas con el acimut una vez aislada esa dependencia con la elevación.^[16]

La documentación de telecomunicaciones de la DSN utiliza, además de la ganancia en vacío, parámetros nominales de temperatura de ruido y G/T para describir las prestaciones de las estaciones BWG de 34 metros y facilitar el diseño de enlaces.^[15]

La calibración de apuntamiento es especialmente crítica en las antenas BWG que operan en banda Ka, donde el haz es mucho más estrecho que en bandas más bajas y los errores angulares producen pérdidas apreciables de señal.^[17] En la red DSN, esta exigencia favoreció la adopción de sistemas de apuntamiento monopulso en las antenas BWG de 34 metros.^[17]

Las reflexiones sucesivas de la cadena beam-waveguide afectan asimismo a la rotación efectiva del feed y a las correcciones de fase asociadas, un aspecto relevante en observaciones de alta precisión.^[18]

La arquitectura beam-waveguide se utiliza sobre todo en grandes antenas para espacio profundo, radioastronomía, interferometría de muy larga base y algunas estaciones terrenas de telecomunicaciones por satélite, ámbitos en los que la posibilidad de situar los receptores en una zona accesible aporta ventajas operativas y científicas relevantes.^{[1][3][7][4][5]}

En las redes de espacio profundo, las antenas beam-waveguide se emplean para combinar alta ganancia, operación multibanda y acceso sencillo a receptores de muy baja temperatura de ruido.^[1][15] Esta arquitectura ha sido especialmente útil en estaciones multibanda de espacio profundo, en particular en bandas S y X, y en algunas instalaciones también en Ka.^{[1][15][9][11][13]}

La literatura técnica ha señalado también su empleo en grandes estaciones terrenas y sistemas de telecomunicaciones por satélite, donde la arquitectura BWG permite combinar varias bandas y alojar la electrónica de radiofrecuencia en posiciones más accesibles que en una alimentación directa en foco elevado.^[1][3]

En radioastronomía, la arquitectura BWG se ha utilizado tanto como sistema principal de alimentación como en configuraciones suplementarias destinadas a proporcionar focos adicionales y alojar varios receptores en posiciones accesibles.^[4][19] En el Sardinia Radio Telescope existe una sala BWG con varios espejos y cuatro focos adicionales.^[19]

La reutilización de grandes antenas de telecomunicaciones para observaciones de interferometría de muy larga base y geodesia espacial también ha mantenido vigente la arquitectura beam-waveguide.^[5][18]

Entre los ejemplos más citados de uso en espacio profundo figuran las antenas de 34 metros de la Red del Espacio Profundo de la NASA, desarrolladas a partir de la experiencia obtenida con la antena experimental DSS-13 y convertidas después en una familia operativa de estaciones BWG.^[2][7]

Otro caso destacado es la antena de 64 metros del centro de espacio profundo de Usuda, en Japón, una de las realizaciones tempranas más conocidas de gran antena de espacio profundo con alimentación beam-waveguide.^[8]

En la red europea de espacio profundo, la Estación de Nueva Norcia, la Estación de Cebreros y la Estación de Malargüe constituyen ejemplos destacados de antenas de 35 metros con arquitectura BWG y soluciones multibanda basadas en elementos dicróicos y receptores criogénicos.^[10][12][13]

En radioastronomía, el Sardinia Radio Telescope constituye un ejemplo importante de uso de un sistema BWG suplementario junto a otros focos de observación y varios receptores especializados.^[4][19]

En el ámbito de la VLBI, la conversión del radiotelescopio de 30 metros de Warkworth a partir de una antena de telecomunicaciones ilustra la continuidad del enfoque BWG en instalaciones reutilizadas para astronomía y geodesia.^[5]