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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

UNIDAD TICOMAN

“PROTOTIPO DE ANTENA PARA DME-RHL-1/-2 PARA AVIÓN EJECUTIVO”

T E S I N A

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO EN AERONÁUTICA

PRESENTA:

RAFAEL HERNÁNDEZ LÓPEZ

ASESOR:

ING. JULIO CESAR JIMÉNEZ MARTÍNEZ

MÉXICO, D.F. 2013

II

PROTOTIPO DE ANTENA DME RHL-1/-2 PARA AVION EJECUTIVO.

III


Agradecimientos:

A mi Familia por su cariño, apoyo y motivación a lo largo de mi vida, por los momentos difíciles o con tintes de incertidumbre que sin su ayuda hubiera sido difícil salir adelante, espero jamás defraudarlos y espero que siempre estén a mi lado y que se sientan tan orgullosos de mí como yo lo estoy de ustedes, que sepan también que siempre estaré viendo por ustedes y que no hay distancia que lo pueda evitar. A las personas que mediante su amistad me han brindado también un apoyo incondicional, palabras de aliento e inspiración, a aquellas personas que de alguna forma me hubiera gustado estuvieran conmigo para compartir este instante en mi vida y que aunque ya no formen parte de la misma conmigo, siempre les agradeceré por su inmensurable apoyo y por haberme dado la dicha de compartir un camino.

IV


Glosario de acrónimos

AECU = Unidad De Control Electrónica de Audio.

ARINC = Radio Aeronáutico Incorporado.

CAST = Pruebas totales estáticas de la aeronave.

CSIRO = División de Radio física de la organización común de investigación científica e

Industrial.

CSDB = Banda estándar de Información Comercial.

CW = Reloj/ Onda Continua, tren continuo de oscilaciones idénticas

DSP = Procesador de Señales Digitales/Panel de Selección de Pantalla/Dominio de Parte

Especifico.

DME = Equipo de Medición de Distancia.

EFIS = Sistema Electrónico de Instrumentos De Vuelo.

EFIS CP = Panel de Control Del Sistema Electrónico de Instrumentos de Vuelo.

FHSS = Simulador de Estructuras de Altas Frecuencias.

FMC = Director de Control De Vuelo/ Computadora Administradora de Vuelo

FEM = Método de Elemento Finito

FMS = Sistema Administrador de Vuelo

PFD = Pantalla Primaria De Vuelo

RIU = Unidad de Interfase de Radio.

RTU = Unidad de Sintonización de Radio.

SNR = Relación de Señal-Ruido.

TACAN = Un sistema táctico de navegación aérea que proporciona información de distancia

Y Azimut, a una aeronave, proveniente de una estación fija en tierra, de forma

Opuesta al DME proporciona información de distancia.

TCAS = Sistema de alerta de trafico y evasión de colisión.

TEM = Ondas Transversales Electromagnéticas.

UHF = Frecuencia Ultra Alta

VOR = Radio Omnidireccional en Rango VHF.

VORTAC= Sistema en el cual 2 estaciones VOR y TACAN están acopladas.

VSWR = Relación de Voltaje de Espera de Onda.

Glosario de términos

Apertura El área de captura de la antena. En un tipo dipolo o monopolo se refiere a la dimensión

completa de los elementos activos, además de la aeronave, en antenas de plato es el

diámetro del plato mismo.

ARINC 429 Sistema de transferencia de información digital marca 33, suplemento 13.

Azimut Es el ángulo horizontal formado entre un eje de referencia (por ejemplo el vector radio

ayuda-norte magnético), y el vector radio ayuda-aeronave. En esta clasificación entran

entre otros, el VOR y el ILS/LLZ.

Usar una radio ayuda acimutal a menudo se denomina navegación theta (θ), por la notación

que recibe habitualmente el ángulo proporcionado (azimut).

V


Ayudas de

Distancia

Este tipo de ayudas proporcionan la distancia entre radio ayuda y aeronave. Como esta

distancia a menudo se denota como “rho” (ρ), se habla entonces de navegación rho. A esta

categoría pertenece el DME.

Balun Dispositivo que convierte la línea de transmisión balanceada en una línea coaxial que es

una línea desbalanceada. Proporciona corrientes balanceadas en antenas tipo dipolo

mientras logra los 50Ω de transmisión de línea a los 150Ω nominales de la antena

Canal

Se denomina canal a una banda de radiofrecuencia específica que ha sido asignada para un

uso dado por medio de acuerdos internacionales.

Elementos

Activos

Se refiere a la parte de la antena que desarrolla la radiación o recibe la energía de RF.

Frecuencia Numero de ciclos de una onda por unidad de tiempo (segundo).La frecuencia tiene una

relación inversa con el concepto de Longitud De Onda, a mayor frecuencia menor longitud

de onda y viceversa, debido al efecto Doppler la frecuencia es una magnitud invariable en

el universo.

Hertz Unidad de frecuencia del Sistema Internacional, relacionada con la propagación de ondas

electromagnéticas, esta asociado con la medición de ondas de radio y de audio y equivale a

1 ciclo por segundo.

ILS Sistema de aterrizaje por instrumentos. El sistema proporciona el curso lateral y guía

vertical de la aeronave durante el aterrizaje.

Mach Medida de la velocidad relativa que se define como el cociente entre la velocidad de un

objeto y la velocidad del sonido en el medio en el que se mueve dicho objeto, permite

expresar la velocidad de un objeto no de forma absoluta sino en referencia la velocidad del

sonido

Material

Compuesto

Aquellos materiales formados por dos o más materiales distintos en todo material

compuesto se distinguen 2 componentes:

-Matriz: componente que se presenta en fase continua, actuando como ligante,

-Refuerzo, en fase discontinua, que es el elemento resistente.

Ondas de

Línea

De Vista

Las ondas de este tipo se propagan en línea recta, su alcancé es limitado y no pueden

rodear obstáculos de tamaño medio, esta limitación se convierte en una ventaja dado que es

posible reutilizar las frecuencias una y otra vez si los Emisores/receptores está lo

suficientemente alejados entre sí. Las frecuencias Altas (VHF y superior) en donde este tipo

de propagación predomina son mucho menos susceptibles a la interferencia por causa de

estáticos.

Patrón De

Radiación

El patrón que muestra el nivel de señal relativo alrededor de la antena. La potencia de la

señal puede ser fuertemente reducida en direcciones específicas debido a la interferencia de

otras Antenas, estabilizador vertical, tren de aterrizaje, etc...

VI


Punto De

Conexión

Generalmente el punto en el cual el cable coaxial esta adjuntado a la antena pero podría

referirse también al punto en el cual el dispositivo esta montado en los elementos activos.

TCAS

Sistema Básico que proporciona una aleta a la tripulación sobre la presencia de alguna

otra aeronave (colisión potencial) dentro del área alrededor. Sistema que proporciona

información de tráfico (dentro de aproximadamente 30 Nmi de la aeronave a la tripulación.

VOR VHF rango de radio omnidireccional. El sistema que proporciona la información de

dirección g a la aeronave.

VSWR La relación de la amplitud del voltaje (o campo eléctrico) entre un voltaje máximo y el

voltaje mínimo adyacente. VSWR es una medida de la desalineación entre las líneas de

carga y transmisión.

VII


Lista de tablas y figuras

Figura 1 = Instalación Típica Del Equipo De Medición De Distancia.

Figura 1.1 = Diagrama de Interfaces Del Sistema DME.

Figura 1.2 = Selección de Frecuencia y Control de Audio en el Sistema DME.

Figura 1.3 = Equipo De Medición De Distancia, Señales De Comunicación Del equipo a Bordo

Y la Estación.

Figura 1.4 = Diagrama de Bloques Receptor DME.

Figura 1.5 = Indicaciones Del Sistema DME.

Figura 1.6 = Interfaces Externas Del Sistema DME.

Figura 2 = Antenas Tipo UHF y DME.

Figura 3 = Antena Biconica de Largo Finito e Infinito.

Figura 3.1 = Modelo Representativo De Una Antena DME.

Figura 3.2 = Patrones De Radiación Para Antena DME.

Figura 3.3 = Patrón De Radiación Con Simulación En 3D.

Figura 3.4 = Sistema De Navegación Theta-Rho

Figura 4 = Modelado y Vista General Del Avión Ejecutivo Considerado.

Figura 4.1 = Vista Isométrica De Prototipo de Antena DME-LRH-1.

Figura 4.2 = Vistas Principales de Antena DME-RHL-1.

Figura 4.3 = Opción de Instalación para Antena DME-LRH-1, no considerada por factores

Diversos.

Figura 4.4 = Tipos de Señales para Interfaces Externas.

Figura 4.5 = Área Seleccionada para Instalación de Antenas DME-LRH-1/-2.

Figura 4.6,

4.6.1, 4.6.2 = Disposición de Instalación para Antenas DME-LRH-1/-2.

Figura 4.7 = Detalle de avellanado de barrenos para Instalación de Antena DME-RHL-1/-2.

Figura 4.8 = Vista general de Antenas DME-RHL-1/-2, para avión ejecutivo.

Figura 4.9 = Nomenclatura usada para AntenasDME-RHL-1/-2.

VIII


Resumen

El equipo de medición de distancia DME es un sistema que proporciona ayuda a la

aeronave durante ciertas fases de operación, el presente trabajo proporciona los

fundamentos teóricos para la implementación de un nuevo diseño de antena para dicho

sistema que en conjunto con su receptor, así como por su conexión ofrezcan una mayor

confiabilidad, reduzcan el peso, mejoren el mantenimiento del sistema y conserven las

características propias de la aeronave como fineza aerodinámica y arrastre inducido.

Dichas propiedades son validas para una aeronave ejecutiva de 8+2 pasajeros volando a

una altitud máxima de 41000 ft a una velocidad máxima de 0.85 M., con una estructura

primaria de material compuesto. Se tomaran en consideración recomendaciones de

autores y textos sobre instalación y materiales recomendados para las antenas del sistema

DME, así mismo se consideraran conceptos como el patrón de radiación, interfaces del

sistema, geometría, materiales, dimensiones, ubicación, mantenimiento y requerimientos

de instalación que en su conjunto proporcionen información sólida sobre el prototipo de la

antena que es simétrica por lo cual en realidad 2 antenas son requeridas aunque el

modelado de una es suficiente.

IX


ABSTRACT

The distance measuring equipment DME is a system that helps the aircraft during

certain phases of operation, this document provides the theoretical concepts for the

implementation of a new antenna for DME system that together with its receptor, as well

as its connection provide greater reliability, reduce weight, improve system maintenance

and retain the performance of the aircraft, as aerodynamic finesse and induced drag.

These properties are valid for executive aircraft 8 +2 passengers flying at an altitude of

41,000 ft maximum at a maximum speed of 0.85 M, with a primary structure of

composite material (Fuselage skin). They took into consideration recommendations of

authors and texts on installation and recommended materials for antennas DME system,

also will consider concepts such as radiation pattern, system interfaces, geometry,

materials, dimensions, location, maintenance and installation requirements as a whole

documents provide solid information on the prototype of the antenna, it is symmetrical so

actually two antennas are required modeling although one is enough.

X


Portada …………………………………………………………..………………………………………….I

Hoja de aceptación de Tesina………………………………………………………………………………II

Agradecimientos…………………………………………………………………………………………..III

Glosario de acrónimos…………………………………………………………………………………….IV

Glosario de términos………………………...………………………………………….…….…..……….IV

Lista de tablas y figuras………………………………………………………………………………..…VII

Resumen…………………………………………………………………………………………………XIII

Abstract……………………………………………………………………………..……………………..IX

Índice……………………………………………………………………….……………………………....X

Introducción……………………………………………………………………….………………………..1

Antecedentes……………………………….……………………………………………………………….1

Justificación………………………………………..……………………………………………..…...……2

Objetivo…..…………………………………………………………………………………………………2

Metodología………………………………………………..…………………………………………….…2

Alcance………………………………………………………………………………………..……….…...2

CAPITULO 1.EQUIPO DE MEDICION DE DISTANCIA.

1.1. INTRODUCCION GENERAL DEL EQUIPO DE MEDICION DE DISTANCIA (DME)….....…3 1.2. PRINCIPIO DE OPERACIÓN……………………………………….…………………..…….…..4

1.2.1. INTERFACES INTERNAS DEL SISTEMA…………………………..……………………...…5

1.2.2. SELECCIÓN DE FRECUENCIA…………………………………………………..………....…6

1.2.2.1 IDENTIFICACION DE LA ESTACION…………………………………………………….…8

1.2.2.2 TRANSMISOR DME……………………………………………………………...……………8

1.2.2.3 RECEPTOR DME……………………………………………….…………………………...…9

1.2.3 INDICACIONES DEL SISTEMA………………………………………………………….…...10

1.2.4 SISTEMA DE INTERFACES EXTERNAS DME…………………………………………...…11

CAPITULO 2.ANTENAS EN LA AVIACION.

2.1. ANTENAS UHF………………………………………………...……………………..………….13

2.2. ANTENAS DME………………………………………………...…….………………….………14

2.3. INSTALACION…………………………………………………...………………………………15

CAPITULO 3.ANTENAS DME RHL-1/-2, CONSIDERACIONES DE DISEÑO.

3.1. PATRON DE RADIACION………………………………………………………………………17

3.2. ANTENAS PARA AERONAVES DE MATERIALES COMPUESTOS……….………….……24

3.3. NAVEGACION…………………………………………………………………….………..……24

CAPITULO 4.PROTOTIPO DE ANTENAS DME-RHL-1/-2.

4.1. DISEÑO……………………………….….………………………………………….……………26

4.2. NOMENCLATURA…………………………………………………….………….….……….…34

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES………………………………….…..………..….…….…35

XI


REFERENCIAS…………………………………………………………..……………………………….40

ANEXO A………………………………………………………………………..…….……….…………34

DIBUJO DE DETALLE………………………………………………………...……………..………34

DIBUJO DE INSTALACION…………………………………………………....……………………35

ANEXO B………………………………………………………..…………….………….…..……..……36

CARACTERISTICAS Y ESPECIFICACIONES DEL EQUIPO

COMPATIBLE……………………………….…………………………………………………….…36

1


Introducción

El equipo de medición de Distancia (DME) es un sistema de radar secundario que proporciona al piloto

de la aeronave una indicación visual directa y continua de la distancia a la que se encuentra respecto a las

estaciones en tierra, situadas en puntos geográficos determinados.

El sistema utiliza un pulso doble de la aeronave hacia la estación de interrogación en tierra, comúnmente,

mediante 2 frecuencias portadoras en la banda de frecuencias muy altas (VHF) para su operación, la

selección de la estación en tierra se logra mediante la respuesta de las señales de interrogación teniendo

un intervalo pre-determinado entre los pulsos pares.

El equipo en tierra consiste básicamente de un transceptor con accesorios y equipos en la forma de arreglo

aéreo, y equipo de prueba. El equipo en tierra puede fácilmente abastecer a mínimo 30 aeronaves

simultáneamente y puede en condiciones ideales, proporcionar cobertura omnidireccional para todas las

aeronaves dentro de un rango de 280 millas náuticas, limitada únicamente por la “Línea de Vista”.

El equipo en tierra esta diseñado para operar como una ayuda de vuelo, y para asegurar la continuidad del

servicio, cada instalación incorpora funciones de auto-monitoreo y cambio de funciones. Para garantizar

la mejor simplicidad de la unidad en vuelo, todas las estaciones en tierra operan en las mismas 2

frecuencias, una para la conexión tierra-aire y otra para la conexión aire-tierra.

El cambio de canales es proporcionado por el sistema mediante un pulso doble de interrogación desde la

aeronave, y un pulso separador en tierra. El modo de canales permite al piloto seleccionar una estación en

tierra particular y la exclusión de todas las otras que puedan estar dentro del rango.

Antecedentes

Terminada la segunda guerra mundial y después de la liberación de la mayoría de la información vía radar

por los sistemas de seguridad, se obtuvo un acuerdo para la búsqueda de sistemas de respuesta BEACON

para buscar ayudas principalmente para la aviación civil.

La fase mas importante en esta búsqueda resulto en el desarrollo del equipo de medición de distancia,

desarrollado por el C.S.I.R.O (División de Radio-Física de la Organización de Investigaciones

Industriales y Científicas) desarrollando la aplicación y uso del equipo.

El equipo en tierra consiste básicamente de un transceptor, un equipo en aire de alta potencia con un

equipo de accesorios en la forma de arreglo aéreo, y un equipo de prueba.

2


Justificación.

La Industria de la aviación requiere cada vez de mejores y más sofisticados sistemas que puedan

proporcionar a la aeronave datos más confiables, el DME resulta entonces un sistema de suma

importancia durante la fase de aterrizaje de la aeronave.

El presente trabajo proporciona los datos, información y principios teóricos así como el diseño que define

un nuevo prototipo de antena, las características propias de la antena como son su geometría y material así

como su conexión electrónica determinaran en conjunto con la fuente emisora en tierra el desempeño y

ventajas que la antena propuesta tiene por sobre los diseños actuales.

Si se mejora el material por uno más ligero que a su vez permita el flujo de las señales se facilitara su

mantenimiento y costos, la conexión electrónica proporcionara una mejor confiabilidad del sistema en su

conjunto.

El presente trabajo comprende el diseño y propuesta de la aeronave sin incluir su manufactura, aunque se

generara la información suficiente para su manufactura y se proporcionara un modelo en 3D, sin embargo

el prototipo de antena al ser un componente de la aeronave tendra que seguir a esta durante sus fases de

prueba y certificación incluyendo pero no limitándose a las pruebas CAST.

Objetivo

El objetivo es desarrollar un prototipo de antenas para el sistema DME, proponer su modelo matemático,

el desarrollo de su modelado mediante CATIA V5, su manufactura, proporcionar los materiales sugeridos

y demostrar sus ventajas así mismo como generar 2 dibujos en base al modelo en 3D que reflejen el

detalle e instalación de las antenas de acuerdo a los requerimientos necesarios.

Metodología

Para el Desarrollo y prototipo de la antena para el sistema DME se utiliza una metodología en la que

primeramente se estudian el funcionamiento y operación básica del sistema DME en las aeronaves, los

requerimientos y características que posee así como sus áreas de oportunidad, dicha información será

recapitulada e incorporada durante el prototipo mediante CATIA V5 de la antena, donde se simulara su

instalación.

Alcance.

El presente trabajo proporcionara y completara el prototipo de la antena DME-LRH-1/-2, para el equipo

de medición de distancia (DME), satisfactoriamente cumplirá con los requerimientos necesarios para su

incorporación en un avión ejecutivo con las siguientes características: avión ejecutivo de negocias, con

rango de 3000NM, capacidad para 8 + 2 pasajeros, velocidad máxima de crucero de 0.82 M, techo

máximo de servicio de 49000 ft, cuya estructura (piel) es de materiales compuestos.

3


Capitulado

CAPITULO 1.SISTEMA DE MEDICION DE DISTANCIA.

El capitulo 1 tiene como objetivo describir de manera clara y detallada la operación y funcionamiento del

equipo de medición de distancia (DME), describir los conceptos básicos del sistema, el papel del equipo

dentro de la aeronave y su interacción con la estación en tierra, el rango de frecuencias utilizadas y los

canales con que cuentan dichas frecuencias y su importancia en la aeronave como base para comprender

las características de la antena propuesta en el presente trabajo.

1.1. INTRODUCCION GENERAL DEL SISTEMA DE MEDICION DE DISTANCIA (DME).

El equipo de medición de distancia DME, es un sistema en el cual el equipo en aire, es decir el equipo

ubicado dentro de la aeronave envía una señal a un transceptor en tierra con pulsos determinados en un

espacio específico. El transceptor en tierra recibe la señal de interrogación y después de un tiempo de

respuesta determinado, transmite una respuesta en una frecuencia diferente. El equipo en aire recibe la

respuesta y mide el tiempo de diferencia entre la señal de interrogación original y la respuesta en tierra.

Existen 2 equipos idénticos de medición de distancia (DME) en la aeronave, el equipo procesa y muestra

la distancia de inclinación o la pendiente entre la aeronave y una estación seleccionada en tierra. La

información de distancia es mostrada en los PFD’s y los MFD’s.

Cada DME contiene un transceptor y una antena. El sistema DME contiene 2 transceptores DME y 2

antenas. Existe 2 transceptores instalados comúnmente y dependiendo de la aeronave particular en el

compartimiento de aviónica.

El transceptor DME 1 esta localizado en el lado izquierdo y el transceptor número 2 en el lado derecho.

EL DME es una unidad medidora de distancia que mediante el escaneo en 3 canales, el canal 1 es

manualmente seleccionado por el RTU cuando una frecuencia de navegación VHF es seleccionada, y lo

hace de forma automática por la FMS cuando el receptor de navegación es seleccionado en la posición

AUTO.

La información de salida de las selecciones manuales se usa para ser mostradas en el sistema EFIS. Los

canales 2 y 3 son automáticamente sintonizados por la FMS a través de la IAPS y son usados por los

multisensores de navegación.

Las 2 antenas están instaladas una junto a la otra en la parte superior del fuselaje justo delante de las alas,

La antena 1 está en el lado izquierdo y la antena 2 en el lado derecho. El cable coaxial de la antena es

conectado en la parte frontal del transceptor.

4


1.2. PRINCIPIO DE OPERACIÓN.

El equipo de medición de distancia es utilizado para proporcionar ayuda de navegación respecto a la

posición de la aeronave, el equipo mide la distancia entre una señal proveniente del equipo instalado en la

aeronave y una estación pre-seleccionada de DME fija en tierra. Adicionalmente decodifica el código

identificador de la estación y calcula el rango de aproximación y el tiempo en llegar a la estación

seleccionada.

El equipo de medición de distancia DME, esta formado por una unidad de control de frecuencia, una

antena, un indicador, un sistema de audio en la aeronave para proporcionar una señal discreta entre la

aeronave y la estación en tierra del tipo que sea, véase la Figura 1 para detalles de instalación del sistema

DME.

El sistema opera en 252, canales de 1MHz de frecuencia asignados para un rango de 962 a 1213 MHz.

Cada frecuencia puede ser codificada ya sea en un canal X o Y, e incluye una señal aire-tierra. La

asignación aire-tierra se encuentra en el rango de 1025 a 1087 MHz, el canal X de asignación aire-tierra

esta en el rango de 962 a 1024 MHz o de 1151 a 1213 MHz. El canal Y se encuentra dentro del rango de

1088 a 1150 MHz o de 1025 a 1087 MHz.

La mayoría de las asignaciones de canales DME están sincronizadas con muy altas frecuencia omni-

direccionales (VOR) o con el sistema de aterrizaje por instrumentos (ILS), y es seleccionada por la

entrada asociada a la señal respectiva de frecuencia para VOR o ILS para DME. Las frecuencias DME no

acopladas con el sistema VOR o ILS están arbitrariamente asociadas con un grupo de frecuencias (133 a

135 MHz) en la banda de muy altas frecuencias (VHF).

Existen diferentes tipos de estaciones en tierra, pueden ser del tipo VOR/DME, TACAN y VORTEC. Las

estaciones tipo VOR/DME se definen como una estación fija VOR y DME. Las estaciones TACAN son

frecuencias ultra altas (UHF) para sistemas de navegación militares, que proporcionan tanto el azimut

como distancia (mucho mas como una combinación de VOR y DME), Las estaciones tipo VORTAC son

Figura.1. Instalación Típica Del Equipo De Medición

De Distancia

5


similares a las tipo TACAN exceptuando que se encuentran dentro del rango de frecuencias muy altas

(VHF).

El sistema DME desarrolla las siguientes funciones:

* Mide el rango de pendiente o inclinación de la aeronave con hasta 3 estaciones diferentes en tierra.

*Calcula el rango de aproximación de la aeronave, respecto a cada una de las estaciones en tierra

seleccionadas.

*Calcula el tiempo de arribo a la estación seleccionada en base al rango de aproximación.

*Proporciona tanto una salida de identificación de estación decodificada como audible.

*Monitorea su rendimiento y proporciona salidas de diagnostico de mantenimiento.

*Es capaz de cargar información de una fuente externa de datos.

El equipo de medición de distancia utiliza ARINC 429 un tren comercial estándar digital (CSDB), para

sintonización. El DME incluye una entrada y una salida doble ARINC 429 de 100KHz que están en

comunicación con el RIU-4000. Estos trenes manejan información de control, comando e información de

aplicación.

1.2.1. INTERFACES INTERNAS DEL SISTEMA.

El sistema DME soporta unidades de interface de radio múltiples (RIU).La Fig.1.1 muestra las interfaces

externas del sistema DME que son:

-CTL-32,

-RTU-42XX,

-RIU-4xxx.

Figura.1.1. Diagrama de Interfaces Del Sistema DME.

6


1.2.2. SELECCCION DE FRECUENCIA Y CONTROL DE AUDIO.

Las señales que son intercambiadas entre el equipo en la aeronave y la estación en tierra están dados en la

forma pulsos pares en la banda L, que son designados como P1 para el primer pulso y P2 para el segundo.

La frecuencia portadora determina el canal, mientras el espacio par-pulso determina el modo X o Y. En el

modo X tanto el espacio de pulso aire-tierra y tierra-aire es de 12 microsegundos (De borde de ataque a

borde de ataque). En el modo Y el espacio de pulso aire-tierra es de 36 microsegundos, mientras que el

espacio de pulso tierra-aire es de 30 microsegundos. La frecuencia aire-tierra es la misma para los modos

X, Y para cualquier canal dado, pero la frecuencia tierra-aire es diferente para ambos modos.

La estación DME en tierra transmite pulsos pares espaciados continuamente a un rango de 2700 pp/s (par

pulso por segundo), los pulsos pares que no están respondiendo a la interrogación del equipo en la

aeronave son conocidos como pulsos de espera. Este pulso de espera al igual que todos lo otros pulsos de

respuesta es recibido por el receptor del equipo en la aeronave y es usado como una indicación para la

estación en tierra que en esa frecuencia esta disponible para ser interrogado.

El transceptor del equipo a bordo normalmente no tratara de comunicarse con la estación en tierra a

menos que su pulso de espera este presente. En el modo X el espacio de pulso de respuesta P1 y P2 es de

12 microsegundos. Agregando 4 microsegundos adicionales para el ancho de pulso, cada par-pulso ocupa

un periodo de tiempo de 16 microsegundos.

Esto significa que ocupa solamente alrededor de 4.5 % de su tiempo en la transmisión actual.

Figura.1.2 Selección de Frecuencia y Control de Audio

en el Sistema DME.

7


Cuando se ha establecido que un pulso de espera esta presente, el transceptor a bordo entra en la

configuración operacional de búsqueda y comienza a transmitir pulsos-pares de interrogación en un rango

de búsqueda establecido.

Estas interrogaciones son recibidas por la estación en tierra que primero se asegurara que los pulsos están

debidamente espaciados de acuerdo al modo.

Si la interrogación es determinada como válida, la estación esperara 50 microsegundos (tiempo muerto de

estación, Figura 1.3), y después transmitirá un pulso-par de respuesta P1, P2 remplazando el pulso par del

pulso de espera. El transceptor a bordo detecta el pulso-par de respuesta y lo decodifica para determinar

el espacio correcto y usar el tiempo medido entre la transmisión de interrogación y la recepción de

respuesta (menos los 50 microsegundos de tiempo muerto en la estación) para determinar el rango de

distancia para la pendiente.

Los canales de frecuencia DME están sincronizados con los canales de navegación VHF. La selección de

frecuencia se realiza con los RTU’s del piloto o copiloto en el rango de frecuencia de 108.00 a 117.95

MHz.

La función de DME seleccionada separa el par sintonizado entre los sistemas DME y VHF de navegación

para permitir una operación independiente. La función DME mantiene el transceptor DME con la actual

frecuencia de navegación VHF y permite al receptor de navegación VHF ser sintonizado de manera

independiente. La frecuencia DME puede también ser sintonizada independientemente en la página

principal de navegación mientras que el receptor de navegación VHF se mantiene en la frecuencia actual.

Esta función es seleccionada cuando el botón DME-H en el RTU es presionado. Si el botón DME-H es

presionado nuevamente, la función se cancela. (Figura 1.2).

Cuando la función DME es seleccionada, los siguientes eventos ocurren:

-En la página de mayor nivel, causa que la frecuencia de navegación VHF en el transceptor DME se

muestre en el centro de la pantalla RTU. Una H amarilla se mostrara adyacente a la frecuencia DME,

debajo de la frecuencia de navegación activa que esta mostrada en la pantalla. LA función DME es

apagada, el indicador H en la frecuencia DME desaparece.

-En la página principal de navegación RTU NAV, la frecuencia DME aparece con una letra indicadora H

en amarillo, la frecuencia de navegación VHF o la frecuencia DME pueden ser independientemente

sintonizadas en esta página.

-En los PFD’s y MFD’s relacionados al piloto y copiloto, el equipo DME mostrara una letra H indicadora

en amarillo que remplaza la indicación NM, y la estación identificada es removida.

8


1.2.2.1 IDENTIFICACION DE LA ESTACION.

Las estaciones DME transmiten una señal de identificación de estación cada 30 a 35 segundos. La

estación de transmisión detiene su transmisión normal por alrededor de 4 segundos para permitir la

transmisión de código 2 por cuatro letras de código Morse identificador. Si una señal de identificación de

estación es recibida, una señal de audio es proporcionada a la AECU. La misma señal es digitalizada y

usada por los PFD’s y MFD’s para ser mostrada en la fuente identificadora de navegación. Y es también

usada por el FMC para identificar las estaciones DME automáticamente sintonizadas.

1.2.2.2 TRANSMISOR DME.

El circuito transmisor consiste de un modulador, un sintetizador digital, y un amplificador de energía. El

procesador DSP determina que estación de tierra DME está en rango, los pulsos pares P1, P2 son

generados e implementados dentro del tren de datos del DSP. Estos pulsos inician el modo de transmisión

y los pulsos son incorporados al modulador. El modulador proporciona un pulso guía al amplificador de

energía/potencia. El sintetizador digital origina una frecuencia CW. El procesador DSP programa el

sintetizador con una frecuencia de sintonización que usa un reloj, y activa las líneas de decodificación

provenientes del bus de datos del DSP.

El sintetizador proporciona una frecuencia de interrogación CW, al amplificador de energía/potencia, el

cual establece la frecuencia de interrogación usando un pulso guía proveniente del modulador. El pulso-

par resultante de salida se encuentra en el rango de 1025 a 1150 MHz es amplificado a 300W a la antena.

La salida de interrogación en la banda L es transmitida a través de un diplexor de isolacion y un filtro de

bajo paso a la antena DME. El diplexor es un circuito diodo tipo PIN que está en su modo de transmisión;

Figura.1.3 Equipo De Medición De Distancia, Señales

De Comunicación Del equipo a Bordo y La Estación

En Tierra.

9


esto aísla la antena de los circuitos. Un circuito de supresión previene un posible daño a otros receptores

en la banda L, en la aeronave cuando el equipo DME está transmitiendo. El circuito genera una salida de

pulso en blanco (supresión de DME), cuando la información del procesador DSP esta en el modo de

transmisión.

El pulso en blanco inhibe momentáneamente el receptor en el segundo DME o transductor. Estas

unidades genera además un pulso de salida en blanco cuando están transmitiendo, lo que inhibe

temporalmente al DME.

1.2.2.3 RECEPTOR DME.

El circuito receptor consiste de un pre-selector, un mezclador, un amplificador IF, un filtro IF, y un

detector de video. Cuando la estación en tierra transmite el pulso par de respuesta la señal en el rango de

962 a 1213 MHz en la señal de banda L, es aplicada a la antena a través del filtro de bajo paso y el

diplexor isolador en el pre selector.

El diodo diplexor PIN, en su modo de recepción aísla la antena de los circuitos transmisores. El pre

selector es un filtro de paso de banda de 5 polos, que envía la frecuencia recibida (respuesta), usando un

voltaje de sintonización de corriente directa. El procesador DSP aplica una sintonización de control

FPGA, mediante un convertidor y un amplificador.

El voltaje de sintonización de C.D. sintoniza el receptor en la estación seleccionada. Cuando el modo de

prueba es seleccionado una señal discreta es decodificada del DSP y aplicada al generador de ruido, la

señal resultante es alojada a la entrada del pre selector.

La salida filtrada del pre selector es enviada al mezclador junto con la frecuencia LO del transmisor. El

mezclador produce una frecuencia de diferencia (lo que transmite menos lo que recibe) de 63 MHz, esta

frecuencia de 63 MHz

Es amplificada y enviada al detector de video. El detector de video a su vez envía la señal de respuesta al

procesador de video DSP.

El equipo DME utiliza valores almacenados en el detector de presencia de señal, los circuitos AGC, el

convertidor para la operación de cicleo entre los 3 diferentes canales DME. El procesador DSP

secuencialmente lee estos valores, los resultados son leídos y almacenados en la memoria, después que

Figura.1.4 Diagrama de Bloques Receptor DME.

10


los resultados son almacenados, el procesador DSP comienza la operación del canal, los ciclos del DME

hacia la siguiente estación aproximadamente cada 37 metros.

Cuando son llamados por el procesador DSP, los 3 valores almacenados son entonces leídos

secuencialmente en la memoria, y usados para re-ajustar el receptor y por lo tanto actualizar la memoria.

El procesador DSP determina si hay una similitud de audio en la señal de respuesta, si una similitud es

detectada, la salida es enviada al circuito de audio. La estación identificadora de código Morse es

decodificada, y sintetizada con tono de generador de 1350 Hz y aplicado a través del amplificador al

sistema de audio de la aeronave.

Una barra de entrada de diagnostico de alta velocidad ARINC 426, revisa las entradas y salidas de la

barra proporcionando información de preguntas y respuestas respecto al estado operacional de la unidad.

Esta barra es también usada para iniciar y controlar la función de alineación.

1.2.3. INDICACIONES DEL SISTEMA.

El equipo de medición de distancia DME, es mostrado o desplegado en el PFD y MFD cuando:

-Alguna frecuencia VOR o ILS es sintonizada,

-Cuando la fuente seleccionada de navegación NAV es VOR o ILS,

-el transmisor DME esta sincronizado con alguna de la frecuencia de VOR o ILS seleccionadas.

La pantalla de distancia mostrara en un campo de 4 dígitos, en el mismo color que la fuente de indicación

de navegación relacionada. La fuente de navegación seleccionada se mostrara en verde, y y la aguja de

navegación en amarillo. En una condición de información no-computada la indicación de distancia es

remplazada con guiones que se muestra en el mismo color que la fuente relacionada de navegación. La

indicación de distancia cambia a color blanco si una falla en el sistema DME ocurre.

11


1.2.4. SISTEMA DE INTERFACES EXTERNAS DME.

El sistema DME recibe información de sintonización, que es procesada por los receptores en ARINC,

dicha información es recibida de:

-Los RTU ½ (puerto A/B),

-FMS (puerto C).

La unidad recibe señales discretas de los RTU’s, cuando los interruptores de inhibición de ambos RTU’s

están puestos, una señal es aplicada al buffer que selecciona el puerto C de la FMS sintonizándola a

través del IAPS.

El microprocesador controla el receptor, transmisor, y las funciones de procesamiento de información. El

procesador lee la información de sintonización seleccionada, identifica la fuente, decodifica la

información recibida, y monitorea los parámetros. La información seleccionada de frecuencia de DME es

enviada de regreso a los RTU’s mientras la información es procesada y usada por la FMS y las pantallas

de piloto y copiloto.

El sistema DME envía señales de salida de audio a los sistemas de audio de la aeronave y un tren de datos

de salida digital a la IAPS. La señal DME de audio es convertida en información digital usando la FMS y

el sistema EFIS.

Un circuito de supresión previene un posible daño de los otros receptores en la aeronave cuando el DME

esta transmitiendo. Este circuito genera una salida de pulso en blanco que limpia los otros receptores

operando en la misma frecuencia dentro de la banda L. Una línea de supresión es usada para amarrar los

siguientes sistemas juntos:

-TCAS,

Figura.1.5 Indicaciones Del Sistema DME.

12


-Modo S del transceptor numero 1 y 2,

--El transceptor restante DME.

Figura.1.6. Interfaces Externas Del Sistema

DME.

13


CAPITULO 2.ANTENAS EN LA AVIACION.

El equipo de medición de distancia es un equipo particular que es usado para medir una señal discreta

(Rango de pendiente) entre un transceptor en la aeronave y una estación de tierra seleccionada.

Las estaciones de DME en tierra proporcionan información de distancia a la terminal y están asignadas

por su frecuencia de operación asignada.

Un total de 126 frecuencias de VHF, llamadas canales de DME o Canales NAV, han sido asignados a los

rangos entre 108.00 a 135.90 MHz. Todos estos divididos en X y, Y canales para un total de 252

diferentes canales de operación.

El equipo DME es utilizado con una unidad de control de frecuencia, un indicador, un sistema de audio y

una antena que proporcionan una señal discreta entre la aeronave y una estación seleccionada en tierra

tipo DME/TACAN.

Las Antenas tienen un ciclo de vida complicado, debido a su ubicación externa están en contacto con el

viento, lluvia, hielo y diversos factores. Son probablemente una de las partes que más están sometidas a

condiciones extremas del sistema de aviónica, aunque también uno de los más importantes. A excepción

de algunas cajas (como las de piloto automático), los sistemas de aviónica confían en la antenas para

comunicarse con el mundo exterior respecto a la aeronave.

Las frecuencias en las que operan y sus cualidades direccionales usualmente determinan su forma y

ubicación.

Conocer la posición, función, y limitaciones de las antenas ayudara a explicar algunos de los problemas

más extraños que suelen presentarse.

2.1. ANTENAS UHF.

Las antenas UHF son comúnmente utilizadas por los transceptores y por el equipo DME y son siempre

instaladas en la parte inferior de la aeronave. Por lo general miden aproximadamente 4“de largo, y la

misma antena es usada en ambos sistemas debido a que la frecuencia del transceptor esta a la mitad de la

banda de frecuencia DME. Existen dos tipos principales comúnmente usadas, una es la denominada tipo

estaca o puntiaguda y tipo hoja. La antena tipo estaca es usada comúnmente solo para los transceptores,

debido a que su largo es sintonizado en una frecuencia, la frecuencia del transceptor. La antena tipo hoja

es también llamada antena de banda debido a que puede sintonizar dentro de un rango de frecuencias

DME.

Un antena tipo estaca no trabajaría muy bien para un equipo DME, las antenas tipo hoja son preferidas

debido a los patrones de radiación y a que la formación de hielo es menor con lo cual reduce las

posibilidades de ruptura.

Las antenas tipo estaca son propensas a presentar problemas debido al aceite, reduciendo el rango de

transmisión. Comúnmente, solo limpiando la antena se incrementa el rango del transceptor y se olvida de

estos problemas de transmisión intermitente.

La razon se debe a que los radares secundarios en tierra necesitan solo un pulso para determinar el

codigo, pero necesitan 2 pulsos para determinar la información de altitud.

14


Sin embargo, una antena sucia podria no conducir o tener una confiabilidad no adecuada. Esto es

aplicable para todas las antenas: una antena sucia no desarrolla o cumple con todo su potencial de diseño.

Las antenas tipo estaca son también susceptibles a la ruptura por cepillos que se usan durante su limpieza.

Después de que la antena se desprende de su base, esta puede ser re-colocada.

Provocando que se pregunte porque es que se encontraba transmitiendo intermitentemente.

2.2. ANTENAS DME.

Las antenas DME están localizadas en un punto libre sin obstrucción en la parte baja del fuselaje,

preferentemente en el punto mas bajo de la aeronave durante vuelo. La antena debe estar montada de tal

forma que su base este horizontal cuando la aeronave este en actitud de crucero.

Las antenas deben estar montadas cuando menos a 36” lejos de cualquier obstrucción y tal lejos como sea

posible de otras antenas, Algunas pruebas han mostrado que la localización de la antena respecto a la

obstrucción es de mucha mayor importancia que tenerla instalada de manera vertical.

Sin embargo, el largo de la señal y el patrón se vuelven notablemente afectados tan pronto como el

Angulo de ataque de la antena se aproxima a 45grados respecto a la posición vertical deseada. En

aeronaves con pieles no metálicas, será necesario proporcionar una superficie metálica plana

extendiéndose al menos 12” en todas direcciones desde el centro de la antena. Y se debe asegurar que la

antena tenga un buen contacto eléctrico con el plano.

Para el caso de sistemas DME dobles, tómese en cuenta que la separación entre las antenas debe estar

dentro de un rango recomendado, la antena debe ser routeada de la forma directa mas alcanzable, debido a

que las perdidas pueden ser relativamente altas a estas frecuencias.

Figura.2. Antenas Tipo UHF y DME.

15


2.3. INSTALACION.

Diversos factores influyen el rendimiento de la antena, y por supuesto que la condición física de la antena

juega un papel importante. Si la antena se rompe o su pintura se fractura, el agua podría filtrarse y causar

delaminación (separación de las capas de material compuesto), lo que podría llevar a la antena a una

condición no utilizable.

Otro problema se podría presentar con la estructura alrededor y el contacto eléctrico. Si la base no es

suficientemente rigida la antena vibrara y causara que la piel se fatigue. Eventualmente esto causara

rupturas y puede causar que la antena se desprenda, especialmente si se presentan condiciones de baja

temperatura o formación de hielo. Un plato remachado debajo de la base de la antena previene la

vibración y sobre-esfuerzo de la piel.

La antena debe ser pegada eléctricamente a la estructura de la aeronave de tal forma que exista una buena

conexión eléctrica. Si se presenta algún tipo de corrosión en la antena, el pegado puede ser

comprometido y la eficiencia de la antena puede degradarse hasta el punto en el cual la comunicación

pueda transmitirse solamente en un rango pequeño.

Sin un sellador alrededor de la antena, el agua puede filtrarse dentro de la antena, intentando causar

corrosión. El pegado correcto entonces seria aquel entre una base metálica en la antena y su superficie de

contacto con sellador alrededor de la base de la antena. Por otro lado la transmisión de la antena necesita

un buen contacto respecto a un plano. Para transmitir correctamente (la antena es un cuarto del largo de la

onda electromagnética) necesita una estructura pegada eléctricamente alrededor con un radio igual a el

largo de la antena.

Inclusive en una aeronave de materiales compuestos es necesario un contacto eléctrico con la estructura,

que comúnmente consiste de un plato de metal dentro de la piel. Otro problema común es la pintura, las

antenas nunca deben ser pintadas encima de sus capas originales, cualquier recubrimiento reduce la

eficiencia de la antena.

Las antenas transmisoras son particularmente sensibles a problemas de pintura especialmente cuando son

cubiertas con pinturas metálicas.

La ubicación de la antena es de suma importancia, cuando se selecciona la posición de instalación se

deben considerar ciertos puntos como:

-Evitar la obstrucción en la recepción de la señal debida a la interferencia con otros componentes.

-Ruido por ignición .

-Vibración.

-Aleteo.

-Interferencia por estática causada por instrumentos.

El uso de refuerzos, para reforzar la piel de la aeronave es común con el objetivo de proporcionar un buen

soporte a las antenas, sin embargo es necesario tener un buen procedimiento en la aplicación de sellador

para proteger la antena de aire, líquidos, y vapores provenientes de estructuras presurizadas.

Una vez que equipo y la antena están listos para su instalación, se deben limpiar todas las superficies en

contacto con un solvente recomendado, limpiar el área en donde se aplicara el sellador, después se debe

remover el solvente de las superficies en contacto con una franela también de material especificado.

Coloque una capa de primer sobre la superficie, aplique el sellador en una superficie, usando una espátula

o un rodillo, y esparza el sellador sobre la superficie hasta que logre un espesor uniforme de

16


aproximadamente 1/32 “, coloque las partes y componentes requeridos e instale los afianzadores, si los

afianzadores permanentes no pueden ser instalados, use afianzadores temporales para mantener juntas las

partes hasta que el sellador cure, rellene los hoyos y empalmes inyectando sellador dentro de las

cavidades, remueva el exceso de sellador alrededor de la antena, recuerde que el objetivo de la aplicación

de sellador es prevenir la humedad.

17


CAPITULO 3.ANTENA DME RHL-1/ -2, CONSIDERACIONES DE DISEÑO.

En el capítulo 3 se estudian algunos puntos importantes en el diseño de antenas para sistemas electrónicos

usados en aeronaves, como el sistema DME, se busca mostrar y justificar cuales características debido a

sus propiedades son usadas en el prototipo antena DME

Características como el patrón de radiación, materiales, geometría e instalación son factores directos que

pueden afectar el rendimiento de una antena y por lo tanto el funcionamiento del sistema.

Así mismo se proporcionaran recomendaciones sobre el tipo de antena adecuado para el sistema DME,

algunos puntos importantes durante su ensamble e instalación y características a considerar para

materiales compuestos.

3.1. PATRON DE RADIACION.

El equipo de medición de distancia es una parte muy importante del sistema de navegación con

comunicación en tierra. La antena DME propuesta en el presente trabajo es una antena linear biconica, la

cual consiste de 1-11 Canales de ancho de banda (960-1215 MHz).

En el capítulo 3 se analiza la simulación del patrón de radiación de acuerdo a la forma geométrica de la

antena, así como las recomendaciones proporcionadas por la ICAO, también se estudian las

características de radiación generadas por una antena DME.

El patrón de radiación de este tipo antena es relativamente claro y cada elemento proporciona bajos

valores de ganancia. En muchas aplicaciones, es necesario diseñar la antena con características especiales

y ganancias muy altas para alcanzar las demandas de sistemas de comunicación en distancias largas.

De tal forma se propone analizar la antena para el sistema medición de distancia DME, mediante un

método de elemento finito (FEM), que es un método de análisis numérico basado en una ecuación

diferencial en el dominio de frecuencia.

El método propuesto HFSS es muy atractivo para el estudio o análisis de ondas electromagnéticas

generadas por una antena, posee una gran confiabilidad y resultados aceptables.

En los siguientes párrafos se describen las ecuaciones y definiciones que demuestran las características y

comportamiento de una antena usada en el sistema DME.

18


Las antenas DME tipo biconicas pueden ser divididas en dos tipos de acuerdo al largo de su cono (l), una

es de cono de largo infinito, y el otro tipo es finito (Figura 3). Cuando la mitad del ángulo de los conos,

ángulos θ1=θ2, la antena biconica es llamada antena simétrica biconica, de forma opuesta la antena es del

tipo asimétrica.

La antena biconica es más fácil de manejar en coordinadas esféricas. Si los campos dominantes son

satisfactorios para un modo esférico TEM respecto a su dirección r, los campos Eθ y Hф presentes en la

antena bi-conica son:

En el punto Q (1, θa, фa), cuando el voltaje de la fuente es V0, y el campo dado es 1, el campo de

radiación dEθ de la apertura infinitesimal es:

Figura.3. Antena Biconica de Largo Finito e Infinito.

19


Donde el campo Eθ1, es el mismo campo infinito y el largo del cono l (a lo largo de la superficie), y E θ1 es

1.

Sin embargo debido al campo de radiación la ecuación se reduce a:

Integrando numéricamente sobre la apertura de la antena, el patrón de radiación obtenido para la antena

es el obtenido anteriormente.

20


El campo total de la antena está determinado por el vector sumatorio de los campos radiados por los

elementos individuales. La impedancia de entrada de la antena es:

Adicionalmente, la impedancia de entrada de la antena es:

Donde: n es la impedancia media de transmisión, n= 367.7 Ω ~ 120πΩ.

La impedancia total de la antena es la combinación paralela de las impedancias terminales:

Donde: N es el número de elementos de la antena.

Cuando el largo de la antena a=60mm, el ángulo de mitad de cono θ1=θ2=30º, la frecuencia f= 1080MHz,

el voltaje es “1V y la fase es cero, en la figura 2 podemos observar que el patrón de radiación H de la

antena es omni-direccional, y en el plano E aparece la forma de un”8” con una ganancia máxima en la

dirección 0°.

Figura.3.1. Modelo Representativo De Una Antena

DME.

21


Ahora bien si por ejemplo a=60mm, θ1=θ2=30°, f=1080MHz, el número de elementos N=10, la distancia

entre los elementos es d=10mm, y todos los voltajes de los elementos de fase son 1V y 0 respectivamente.

Dos comportamientos de los patrones de radiación en E y H son representados en la fig 3.2

En la figura 3.2 se puede observar el comportamiento de la radiación de la antena. El plano H continúa

siendo omni-direccional, y respecto al patrón en el plano E, el número de patrones se incrementa, lo cual

proporciona una ganancia mayor a la antena.

En la figura 3.2 la ganancia máxima de la antena es -1.1 dB en la dirección 0°, también la ganancia

máxima es -9.9 dB e la dirección 0°. Se aprecia entonces que es mejor utilizar una antena bi-conica para

los requerimientos de una buena dirección y altos valores de radiación.

El sitema DME, que consiste de un interrogador en la aeronave y un transductor en tierra, es un sitema

muy importante recomendado por la ICAO, este proporciona el rango de pendiente entre la aeronave y la

estación en tierra. La antena consiste de una relación de banda 1-1 (960-1215MHz). Normalmente la

ganancia máxima en el plano E según el patrón para la antena DME es requerido en el punto e una

dirección de 4º de elevación para una aeronave ejecutiva.

Asumiendo un factor lineal:

Donde:

Figura.3.2. Patrones De Radiación Para Antena DME.

22


En el rango de -90° y -4.8°.

En Este punto el ruido generado es:

Donde A es constate, y la expansión de los coeficientes de Fourier P (u) es:

La relación de ruido en la señal es:

Donde:

Normalmente, para alcanzar el patrón de radiación requerido, se espera que el SNR sea tan largo como

sea posible. Sin embargo este es un problema de optimización comprensible. La variable es la fase de

ganancia, la función objetivo es el SNR.

Considere el máximo SNR cuando las siguientes condiciones cumplan la condición.

Igual a:

Ahora con el método de iteración por perturbación se resolverán las ecuaciones, después se usara el

criterio de convergencia.

Los parámetros de diseño son los siguientes: a=60mm, θ1=30°, θ2=60°, N=10, d=10mm, f=1080MHz.

23


La fase de los elementos de la antena es posicionada como se muestra es decir comienza en el origen de la

coordenada.

El modelo de la antena DME se muestra en la fig.6.

En la situación mostrada, las características de radiación de la antena son las mejores, los patrones de

radiación en los planos E y H se muestran en la figura 3.3.

Se puede observar que la ganancia máxima es de alrededor de 9.4dB en la dirección 4°, lo cual cumple

con el requerimiento solicitado por el ICAO. Sin embargo, considérese también que la radiación del

campo en la dirección 0° tiene una mejor atenuación.

Figura.3.3. Patrón De Radiación Con Simulación En

3D.

24


3.2. ANTENAS PARA AERONAVES DE MATERIALES COMPUESTOS.

El sistema DME es un descendiente directo de los sistemas IFF (Identificación de Amigo o enemigo) que

fue desarrollado durante la segunda guerra mundial para identificar enemigos.

En operación el radar transmite un pulso en la misma dirección que el pulso del radar, el transductor

recibe en la aeronave dicho pulso, lo decodifica, lo codifica con el código de la aeronave y lo re transmite

de regreso al radar.

El receptor en el radar decodifica el pulso g y envía la señal a la computadora para fines de enlace. El

equipo DME a grandes rasgos funciona de la misma forma, el trasductor opera a frecuencias de 1030 y

1090 MHz.

El constructor de la aeronave tiene la opción, a menos que sea material compuesto (Fibra de Carbono), de

instalar una antena tipo onda monopola, o una antena tipo onda di-polo. Si la opción es del tipo

monopolo un plano de contacto es recomendado y se recomiendan que este plano sea de alrededor de

12”.

En aeronaves de material compuesto no se recomienda colocar el plano de contacto con la antena

extendiéndose a través de la piel de la aeronave. Ya que pueden generarse efectos extraños con la señal

emtiendose o viajando la mitad a través del espesor de la piel y la otra no, por lo cual es recomendable

instalar algún tipo de malla y tratar de mantener siempre una tierra positiva RF entre el cable blindado y

la malla.

En aeronaves con estructura metálica por supuesto que es recomendable instalar sus antenas

externamente utilizando la piel como el plano de contacto a tierra.

Al instalar la antena en una estructura metálica, se recomienda considerar una distancia de alrededor de 6”

en el plano vertical, las localizaciones preferidas serian en la parte exterior de las alas.

Estos equipos operan a una frecuencia 10 veces más que la frecuencia de los sistemas VOR y COM con

una generación considerable de pérdidas por cable, por lo cual se recomienda un cable del tipo RG 58

para distancias de 6 a 10 ft de largo ya que ayudara a generar menos perdidas para la antena. Por otra

parte el cable RG55/CU es igual al RG58 excepto que tiene un aislado doble y por lo tanto genera un

poco menos de perdidas.

3.3. NAVEGACION

El sistema DME tiene su principio de funcionamiento en el método rho-theta, que es en el cual junto con

el VOR puede existir una estación DME colocalizada en un punto P1, En este caso, además de un ángulo

θ1, se tiene una distancia o rango ρ1, ver Figura 3.4.

Como se observa, hay dos líneas de posición: LOP1 correspondiente al ángulo θ1 y LOP2 que

corresponde al rango ρ1. En la intersección entre ambas LOPs se encuentra la aeronave.

La ecuación que corresponde a LOP2 se puede expresar:

25


Nótese que este sistema puede resolverse incluso si el VOR y el DME no están en el mismo lugar.

Asimismo, es posible que la LOP de ρ constante intercepté a la LOP de θ constante en más de un lugar,

dando como resultado una ambigüedad que deba resolverse con información adicional.

Figura.3.4.Sistema De Navegación Theta-Rho

26


CAPITULO 4.PROTOTIPO DE ANTENAS DME-RHL-1/-2.

En los capítulos 1, 2 y 3 se presento la descripción general del funcionamiento del sistema DME, después

se analizaron los tipos más comunes de antenas usadas en la aviación como algunas de sus características

y funcionamiento, después en el capítulo 3 se consideraron características de diseño en las antenas, en el

capítulo 4 se presenta, haciendo uso de los conceptos, análisis y recomendaciones de los capítulos

anteriores el prototipo de antena DME-RHL-1/-2.

Se muestran los conceptos usados para su modelación así como las características específicas de

funcionamiento usando el software de diseño CATIA V5.

4.1. DISEÑO.

Usando el Software de diseño CATIAV5 R19 se ha realizado el modelado de la antena.

El primer punto a considerar era la superficie sobre cual se montara la antena, posteriormente con el

modelado de la propia antena y después las consideraciones para su instalación.

Con el objetivo de hacer un procedimiento a seguir más claro a continuación se muestran los pasos a

seguir y la razón por la cual se considero dicho orden:

1) Modelado de Estructura Primaria del avión ejecutivo a analizar; con el objetivo de obtener las medidas,

superficies y requerimientos a los cuales se debe de acoplar la antena DME-LRH-1.

2) Se comenzó con el modelado y conceptualización de la antena DME-LRH-1 por si misma.

3) Se realiza el análisis de los materiales, posición e instalación de la Antena DME-LRH-1.

4) A partir del modelo en 3D del detalle de la antena DME-LRH-1 se genera un dibujo en 2D,

Que muestre sus dimensiones así como detalle de los materiales usados y algunas especificaciones y

recomendaciones durante su fabricación.

5) Se genera a partir del modelo en 3D un dibujo de instalación que muestre las condiciones generales de

instalación de la antena en la aeronave.

6) Finalmente se dan algunas recomendaciones y se proporcionara la nomenclatura utilizada para la parte

y dibujo de detalle así como para la instalación con su respectivo dibujo.

La figura 4 muestra el modelado general de la aeronave véase también el anexo 1 para dimensiones

generales y especificaciones, se omitieron la mayoría delos detalles sobre el diseño de la aeronave ya que

solo se uso el modelo a escala real del avión prototipo como base para el desarrollo de la antena DME-

LRH-1/-2.

27


En el primer paso se realizo entonces un modelado de la estructura completa del avión ejecutivo a

considerarse, esto para poder tomar todas las referencias necesarias durante la conceptualización de la

antena DME-LRH-1/-2.

Una vez obtenido el modelado general del avión, con lo cual se obtiene lo que se buscaba, que es tener un

modelo real con el cual pueda interactuar nuestro modelo en detalle de la antena, se necesita entonces

generar el modelado en detalle de la antena, el cual se muestra en la figura 4.1 y también se hace

referencia al anexo 1 y al dibujo de detalle de antena.

Figura.4.Modelado y Vista General Del Avión

Ejecutivo Considerado.

Figura.4.1.Vista Isométrica De Prototipo de Antena

DME-LRH-1

28


Como se vio en el capitulo 3 existen 2 tipos de antenas principales usadas comúnmente en el sistema

DME, la primera es del tipo de “estaca” y la segunda tipo “aleta”, se selecciono la segunda debido a las

ventajas que presenta respecto a la tipo estaca, ya que también se considero que su instalación favorecerá

un rendimiento optimo de la antena al colocarse en un punto de nula o mínima interferencia debida a otros

componentes de la aeronave.

Véase la Fig. 4.2 para algunos detalles sobre la antena.

Una vez obtenido el modelo general de detalle de la antena DME-RHL-1, el material seleccionado es A-

356, debido a que será instalada dentro de una estructura alrededor de materiales compuestos (Fibra de

carbono Unidireccional, PW, 8HS) y dicho material cumple con los requisitos propios para la interacción

entre dichos materiales, es decir se estará evitando la generación de humedad en las fibras.

Para su posición de instalación originalmente se considero una instalación simétrica en la unión ala-

fuselaje, y aunque dicha posición cumple con el criterio presentado en capitulo 3 de ubicar la antena en

una posición en la cual tenga obstrucciones mínimas, el criterio de garantizar que la antena tenga una

posición vertical con respecto a las diversas fases de vuelo de la aeronave queda comprometido debido a

la geometría de la piel del fuselaje, y se necesitaría entonces un plato sobre el cual montar la aeronave y

además se modificaría de forma mínima la resistencia inducida de la aeronave.

Figura.4.2.Vistas Principales de Antena DME-RHL-1

29


La Figura 4.3 muestra el área de instalación considerada originalmente para la antena, sin embargo debido

a los comentarios anteriores dicha opción se desecho.

Se considero modificar el concepto de instalación que se tenia en un inicio por uno que cumpliera

también con los requerimientos de posición respecto a la aeronave, considerando también el tipo de señal

o interface entre la antena y el sistema DME (Figura 4.4).

Figura.4.3.Opcion de Instalación para Antena DME-

LRH-1, no considerada por factores diversos.

30


Se opto entonces por una nueva opción de instalación que será directamente en la parte inferior delantera

del Fuselaje, detrás del tren de aterrizaje de nariz y delante de la unión ala-fuselaje, se considero también

montar las antenas una detrás de otra(véase anexo 1, dibujo de instalación para dimensiones no mostradas

en la figura 4.5).

Figura.4.4. Tipos de Señales para Interfaces Externas.

31


Véanse también las figuras 4.6-4.6.2 que muestran la disposición de instalación para ambas antenas DME.

Las dos Antenas estarán dispuestas una detrás de la otra, su instalación considera la distancia mínima con

respecto a otras antenas y también la distancia mínima que tendrá con el tren de aterrizaje de nariz

cuando este sea extendido (Ver anexo 1).

Figura.4.5. Área Seleccionada para Instalación de Antenas DME-LRH-1/-2.

Figura.4.6. Disposición de Instalación para Antenas DME-LRH-1/-2.

32


Figura.4.6.1.Disposición de Instalación para Antenas

DME-LRH-1/-2.

Figura.4.6.2.Disposición de Instalación para Antenas

DME-LRH-1/-2.

33


En la Figura 4.7 se aprecia la posición de la antena DME-LRH-1, en donde se destaca que para su

instalación será necesario hacer el avellanado de los 4 barrenos que servirán para montar la antena en la

aeronave, en el caso de la antena DME-LRH-2 la instalación se realizara de la misma forma.

La figura 4.8 muestra una vista general con referencia a la aeronave ejecutiva de ambas antena DME-

RHL-1/-2.

Figura.4.7. Detalle de avellanado de barrenos para

Instalación de Antena DME-RHL-1/-2.

Figura.4.8. Vista general de Antenas DME-RHL-1/-2,

para avión ejecutivo.

34


4.2. NOMENCLATURA.

En el presente trabajo se ha desarrollado el prototipo de las antenas DME-RHL-1/-2, proporcionando una

nomenclatura que si bien identifica de forma clara ambas antenas estas fueron identificadas con la

nomenclatura usada en el medio aeronáutico, por lo cual se pide re-identificarla con un numero de dibujo.

El asignar a la antena un número de dibujo permitirá detallar más sus propiedades y características así

mismo como incluir requisitos indispensables para el fabricante. Y que resultan indispensables para su

instalación, nótese que si bien ambas antenas serán fabricadas por un fabricante diferente a el fabricante

del avión, quien terminara instalando la antena y realizando pruebas operacionales y funcionales será el

fabricante del avión, por lo cual es una ventaja incorporar el prototipo de antenas dentro de la

nomenclatura usada por el fabricante de la aeronave.

001/-002 Numero de Detalle.

00 Acabado. 20 Material

40 Sub-Capitulo ATA.

34 ATA Capitulo de Navegacion.

20 Fuselage Seccion Delantera.

X Representa un Prototipo

Figura.4.9. Nomenclatura usada para Antenas DME-RHL-1/-2.

35


Conclusiones y recomendaciones.

El sistema DME sigue siendo uno de los sistemas de ayuda para la aeronave vigente y a pesar de que

tecnologías como el GPS podrían ser usadas para aplicaciones similares, el sistema, incluido su equipo y

diversos componentes sigue vigente y no espera cambios en los próximos años.

Si bien es cierto que los sistemas satelitales GPS ofrecen una mejor localización de la aeronave en una

posición horizontal con un error mínimo necesitan sistemas complementarios para algunos casos como

por ejemplo aterrizaje con cero visibilidad.

Derivado del presente trabajo se considera entonces que si bien los sistemas y equipos pueden ir

modificándose como consecuencia directa de los avances tecnológicos y como respuesta a los

requerimientos de la aviación, el uso de señales mediante ondas electromagnéticas para transferencia de

datos seguirá siendo de uso común con lo cual el uso de las antenas que permitan la recepción de dicha

información seguirá de igual forma vigente.

En nuestro caso particular el prototipo de antena propuesta DME-RHL-1/-2, cumple con los requisitos de

instalación para una aeronave ejecutiva con características descritas previamente, y si bien es solo un

prototipo que tiene que ser probado con la aeronave durante las diversas pruebas (FTV1, CAST1, DADT,

etc.), los puntos siguientes sustentan su aplicación:

1.-La geometría propuesta para el prototipo de Antena DME-RHL-1/-2, tipo “Aleta”, presenta un mejor

patrón de radiación.

2.-La instalación dentro de la aeronave, situada en la parte delantera inferior del fuselaje, delante de la

unión ala-fuselaje, posiciona a las antenas libres de la obstrucción en la recepción de la señal debida a la

interferencia con otros componentes así como de factores causados por si interacción con otros

componentes como: interferencia, vibración, aleteo, etc.…

3.-La antena es compatible con equipos DME fabricados por Rockwell Collins.

4.-Los materiales considerados en conjunto con las recomendaciones de Instalación minimizan los efectos

derivados de diversos fenómenos presentes en la aeronave ya sea en tierra o en vuelo, (humedad,

fracturas, fatiga, corrosión, etc).

5.-La nomenclatura y notas contenidas dentro de los dibujos de detalle e instalación facilitan y contienen

los requerimientos para su fabricación e instalación.

Se recomienda seguir las notas contenidas dentro de los dibujos y si es el caso consultar las

especificaciones para aclaraciones sobre materiales y productos.

36


Referencias.

Salazar Hernández J. Dagoberto. (2008) Navegación Aérea, Cartografía y Cosmografía, México.

Rockwell Collis, 2011, (1, 4, and 14) DME-4000 Distance Measuring Equipment: 2011.

Bombardier Aerospace, 2006, (Chapter 34, Navigation). Maintenance Manual.

Qiuyuan Pang, Yude Design and Radiation Characteristics Analysis of DME Beacon Antenna.

http://www.jcisme.org/paperInfo.aspx?ID=273 2011-2012.

http://www.jcisme.org/paperInfo.aspx?ID=273

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ANEXOA.

DIBUJO DE DETALLE

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DIBUJO DE INSTALACION.

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ANEXO B.

CARACTERISTICAS Y ESPECIFICACIONES DEL EQUIPO COMPATIBLE.

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escuela superior de ingenieria mecanica y ...tesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/12456/1/1870...

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