Antenas para cohetes de aficionados y también CANSAT por LW7HRM primera parte

El desarrollo de sistemas de comunicaciones inalámbricas no es una tarea trivial, implica conocer y entender el comportamiento de las ondas electromagnéticas o radiofrecuencia (RF), lo cual para muchos electrónicos es como una ciencia oscura (en broma a los que trabajamos con RF nos llaman brujos o hechiceros de la electrónica o que somos del lado oscuro  jeje). Pero lejos de ello es igual que la electrónica, una ciencia con reglas que hay que respetar para llegar a un sistema que funcione correctamente. Hoy en día con el acceso a módulos de RF integrados y bajo costo se usa mucho este tipo de comunicaciones, lo que hace que mucha gente y estudiantes los usen y a veces fracasan en su implementación sin siquiera llegar a saber el porqué. Voy a tratar de escribir este artículo para que pueda ser entendido por estudiantes.

 

El gran problema que veo en el área de RF y antenas que les ocurre a otros y me ocurre a mi también es que nos convocan tarde, cuando el sistema ya se encuentra construido, que justamente, cuando juntan todas las partes  con las antenas y equipos de RF empiezan a tener problemas, lamentablemente a esa altura ya es tarde y solucionarlo se vuelve más caro y más laborioso.

Entonces cuando encaren un proyecto de un cohete que involucre comunicaciones inalámbricas usando antenas (inalámbrico también puede ser por láser, etc.) incluyan el área de RF desde el día cero.

Ahora hablemos de las antenas. Una antena no es un transistor que puede funcionar sin relacionarse con lo que tiene alrededor, la antena interacciona con todo lo que tiene alrededor, sea plástico, metal, etc. Cada tipo de material va a generar una reacción distinta, el resultado dependerá de esto, además también de su forma, tamaño y ubicación espacial respecto de la antena. Entonces cuando hablamos de antenas no hablamos solo de de ésta, es la antena y el cuerpo donde se va a instalar.

Como el cuerpo del cohete forma parte de la antena esto genera una serie de desafíos propios de esta disciplina como es la cohetería amateur.

Entonces en resumen colocar una antena en un cohete para una comunicación inalámbrica no es una tarea trivial. Requiere que se tenga en cuenta desde el minuto cero del diseño del cohete y su carga útil. Lo cual en cualquier ámbito profesional es lo que se usa como flujo de diseño, no es el cohete solo, es un todo, es la misión, el cohete, el motor, son solo una parte de los medios para cumplir esa misión, al igual que las antenas.

Juguemos un rato con un ejemplo.

Misión: tomar muestras de temperatura, humedad y cantidad de luz, desde el nivel del suelo hasta los 250m de altura con la menor diferencia de tiempo posible entre las muestras del suelo y las de 250m (esto justifica el uso de un cohete) y a su vez esas muestras se necesitan en tiempo real para compararlas con otros sensores (esto justifica la transmisión inalámbrica).

Entonces ya tenemos nuestra misión, que por las restricciones de la misma no puede ser hecha por un dron, un globo, etc, y tiene que tener transmisión inalámbrica por RF (por infrarrojo o láser sería mucho más difícil).

Los sensores son lo primero que se elije, estos determinan el volumen de información a transmitir, luego se elije la computadora que procese esa información y arme el paquete de datos a transmitir y luego el transmisor (o transceptor) para hacer el enlace inalámbrico.

Suponiendo el uso de elementos COTS (de la estantería) tomamos un módulo LORA con antena integrada (solo como ejemplo).

 

Este módulo al tener la antena integrada irá dentro del cuerpo del cohete, lo que fija la primer restricción, la sección donde se ubica este módulo debe ser transparente a las radiofrecuencias y la pintura que usemos no debe tener carga metálica en su composición, o no ir pintado esa sección. Plástico, cartón seco, fibra de vidrio son materiales que a fines prácticos son transparentes a la RF. Además la antena no debe tener cables, baterías u otras placas alrededor de ella.

Materiales que NO son transparentes a la RF, fibra de carbono, metales, plásticos con carga metálica en su interior, grafito, etc.

Luego toda esa electrónica, su fuente de alimentación y su estructura de soporte nos darán el peso de la carga útil, además los sensores deben estar en contacto con el medio circundante, lo cual también define como será esa parte del cohete, los orificios que tendrá, hay que encenderla antes del vuelo y debe tener un interruptor externo, etc.

Concentrémonos un momento en la estructura de soporte de la electrónica, esta debe sostener los sensores, la electrónica, batería y el módulo LORA junto con su antena, por lo que también debe ser de material transparente a la RF, podemos usar madera balsa o contrachapada, cartón duro, placas de fibra de vidrio (FR-4) o pertinax (FR-1)(sin el cobre), plástico PLA, PET, ABS, etc. (Cada material tendrá un coeficiente de pérdida, ya que no son aislantes perfectos), por lo que la parte en cercanías de la antena debe ser lo más fina posible o evitar material en esa parte. En general cuando la onda electromagnética que sale de la antena pasa a través de un material sufre una atenuación, mientras más material atraviese (más grueso) más se atenúa.

Además de esto imaginemos que la antena del módulo LORA es una lamparita que emite luz, y queremos que alumbre para todos lados, si le ponemos cosas cerca, esos objetos tapan la luz y generan sombra, la sombra será mayor a medida que esté más cerca de la lamparita, con las antenas sucede exactamente lo mismo, debemos alejarla de los demás elementos especialmente los que no son transparentes a la RF. Entonces nuestro módulo LORA deberá ir separado del resto de las cosas la mayor distancia posible, es una relación de compromiso, si lo alejo mucho se hace más larga la carga útil lo que incrementa el peso y otra serie de inconvenientes. Mientras más “luz” (RF) salga de nuestro cohete mejor será la comunicación inalámbrica, menos cortes de señal a medida que el cohete se mueve.

El sistema de recuperación (paracaídas, etc) igualmente si es de materiales transparentes a la RF (tela de algodón, nylon, etc) no habrá problemas con las antenas.

Ya tenemos nuestra carga útil diseñada, ya hemos definido su composición, peso y tamaño, lo que sigue es el diseño del cohete que la llevará hasta los 250m de altura lo cual no es parte de este artículo pero debe seguir los mismos lineamientos si la carga útil con la antena van dentro de este en cuanto a la sección que la contiene.

En un próximo artículo trataremos módulos con antenas separadas.