Análisis estático de una estación terrestre de banda X en Colombia

1. Resumen Ejecutivo

Este informe técnico presenta un análisis estático de una estación terrestre propuesta que opera en la banda X (7,25–8,4 GHz) en Colombia. El análisis incluye consideraciones estructurales, rendimiento electromagnético y restricciones ambientales. Se presta especial atención a la atenuación por lluvia, un factor crítico para las comunicaciones satelitales de alta frecuencia. Se identifican tres ubicaciones potenciales en función de la baja pluviosidad, la topografía y el acceso a la infraestructura.

2. Introducción

La banda X se utiliza comúnmente para la observación de la Tierra, misiones espaciales y comunicaciones militares por satélite. Debido a su frecuencia relativamente alta, es susceptible a efectos atmosféricos como la atenuación por lluvia. Seleccionar una ubicación con mínima precipitación es crucial para un rendimiento óptimo.

3. Marco de Análisis Estático

• Consideraciones de Carga Estructural: Las cargas de viento, la actividad sísmica y la distribución del peso de la antena deben analizarse mediante modelado de elementos finitos (MEF). Para una antena parabólica móvil de 8 metros, el análisis de carga estructural incluye:
  • Carga de viento (Fw): Calculada mediante la ecuación:

    Fw = 0,5 * Cd * A * ρ * V²

    Donde:
    • Cd = coeficiente de arrastre (≈1,2 para antenas parabólicas)
    • A = área proyectada (≈π × r² = 50,27 m²)
    • ρ = densidad del aire (≈1,225 kg/m³ a nivel del mar)
    • V = velocidad del viento (p. ej., 50 m/s para eventos extremos)
    Sustituyendo los valores:

    Fw = 0,5 × 1,2 × 50,27 × 1,225 × (50)² ≈ 92 372 N

  • Carga Sísmica (Fs): Calculada mediante el método de cizallamiento basal:

    Fs = Cs × W

    Donde:
    • Cs = coeficiente sísmico (≈0,1–0,3 para Colombia)
    • W = peso del sistema de antena (≈10 000 kg × 9,81 m/s² = 98 100 N)
    Suponiendo Cs = 0,2:

    Fs = 0,2 × 98 100 ≈ 19 620 N

  • Distribución del Peso: Requiere el análisis de los momentos de vuelco y del centro de gravedad para evitar la inestabilidad estructural. El software FEM (por ejemplo, ANSYS o SolidWorks Simulation) puede modelar estas tensiones bajo diferentes configuraciones de azimut y elevación.
• Ingeniería de Cimentación: Se requieren pruebas de suelo y análisis geotécnicos para garantizar la estabilidad del pedestal de la antena.
• Blindaje EMC/EMI: El diseño de la estación debe incluir blindaje de RF para mitigar la interferencia de fuentes cercanas.
• Gestión Térmica y de Energía: Debido al alto consumo de energía, la disipación térmica y la integración solar deben abordarse en las primeras etapas del diseño.

4. Atenuación por Lluvia y Criterios de Selección del Emplazamiento

La atenuación por lluvia en la banda X puede alcanzar hasta 5-10 dB durante precipitaciones intensas. Para minimizar la pérdida de enlace, la estación terrestre debe ubicarse en una región con baja pluviosidad anual y patrones climáticos predecibles. Se utilizaron los mapas de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT-R P.837) y los datos históricos de IDEAM para identificar las ubicaciones óptimas. Ubicaciones propuestas en Colombia

5.1 Desierto de La Tatacoa, Huila

• Precipitación promedio: ~600 mm/año
• Altitud: ~430 metros
• Ventajas: Clima árido, vegetación escasa, baja nubosidad y acceso por carretera desde Neiva.

5.2 Región de Valledupar, Cesar

• Precipitación promedio: ~900 mm/año
• Altitud: ~100 metros
• Ventajas: Estabilidad en la estación seca, ubicación estratégica en la región Caribe, precipitaciones relativamente bajas para las zonas costeras.

5.3 Villa de Leyva, Boyacá

• Precipitación promedio: ~850 mm/año
• Altitud: ~2150 metros
• Ventajas: Microclima seco en los Andes, accesibilidad desde Bogotá, baja contaminación lumínica y radiofrecuencia.

6. Conclusión

La atenuación por lluvia es un parámetro crítico en la planificación de estaciones terrestres de banda X. Mediante un cuidadoso análisis estático y ambiental, este documento identifica La Tatacoa, Valledupar y Villa de Leyva como ubicaciones adecuadas para la implementación. Se recomienda realizar más mediciones in situ y la participación de las partes interesadas para avanzar hacia el despliegue.

7. Referencias

• ITU-R P.837-7: "Características de la precipitación para el modelado de propagación"
• Datos climáticos históricos del IDEAM, Colombia
• Conjuntos de datos de observación de la Tierra de la NASA