Antenne satellitari

Antenne satellitari
Progetto Edusat 3° modulo
IISS "G.Marconi" - Bari
ing. Marcello Surace
Antenne satellitari
Introduzione
Per poter capire meglio l’uso di determinate antenne, sia sui i satelliti che nelle stazioni a terra, è
necessario affrontare l’argomento, prima facendo un po’ di storia e poi cercando di capire il principio
fisico e la progettazione di una antenna. I satelliti per telecomunicazioni e le bande di frequenza sulle
quali operano (V-U-Shf e microonde) hanno sviluppato nel settore specifico l’antenna parabolica. Nel
corso di tale presentazione affronteremo gli aspetti più salienti per avere un quadro esaustivo sul
funzionamento della stessa.
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In telecomunicazioni un'antenna è un dispositivo atto a irradiare o a captare/ricevere onde
elettromagnetiche. Le antenne sono dispositivi in grado di convertire un segnale elettrico in onde
elettromagnetiche ed
irradiarle nello spazio circostante o viceversa.”
Un po' di storia
Alcune delle prime antenne rudimentali furono costruite nel 1888 da Heinrich Hertz (1857-1894) nei
suoi esperimenti volti a dimostrare l'esistenza delle onde elettromagnetiche, previste dalla teoria
di James Clerk Maxwell. La parola "antenna" che oggi usiamo così comunemente proviene però
dai primi esperimenti di Guglielmo Marconi. Deriva infatti dalla stessa parola marinaresca che
indica il lungo palo, trasverso rispetto all'albero, che sostiene in alto la vela quadra o latina.
L'estensione dal significato originale è dovuta allo stesso Marconi (il cui padre desiderava per lui
una carriera in Marina) quando osservò che, appendendo uno dei due terminali dell'oscillatore
(all'epoca un cubo o una sfera di ferro stagnato) su un alto palo (appunto una "antenna"), i segnali
trasmessi (e ricevuti) potevano coprire distanze molto maggiori. Iniziò così, in contrapposizione al
"terminale a terra", a indicare quello in alto come "(terminale) antenna".
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TIPI
La prima antenna fu inventata da Hertz ed ha la forma indicata in figura.
Oggi l'antenna che porta il suo nome è molto usata, ad esempio nei trasmettitori e ripetitori per
cellulari e per sistemi radiotelevisivi, spesso non da sola, ma in cortine.
La lunghezza di ognuno dei due stili è, in prima approssimazione,
lamda/4 (l/4) , o meglio,
tenendo conto di un fattore correttivo del 5% in meno, è il 95% di lamda/4 (l/4) .
L'antenna marconiana, che prende il nome da Guglielmo Marconi, ha invece uno stilo a
massa ed un altro lungo lamda/4, o, se si vuole essere più esatti, il 95% di lamda/4 .
L'antenna hertziana ha resistenza di radiazione uguale a 73 ohm, mentre quella marconiana
ha resistenza di radiazione uguale a 36,5 ohm.
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•
L'antenna costituisce la terminazione di una linea a radiofrequenza. Lungo la linea viaggiano
un'onda di tensione e di corrente che giunte all'antenna determinano su di questa un'onda
stazionaria di tensione e di corrente i cui diagrammi sono rappresentati qui sotto nel caso di
un'antenna hertziana.
Guadagno 1
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Le antenne non irradiano energia elettromagnetica con la stessa intensità nelle varie direzioni
circostanti.
Il diagramma di radiazione indica l'intensità di potenza che viene irradiata nelle varie direzioni
dall'antenna in esame. Per meglio realizzare questo studio si è definita un'antenna, detta isotropa o
isotropica, inesistente nella realtà, ma che viene comodo usare come confronto per i diagrammi di
radiazione di tutte le altre antenne.Questa ha la caratteristica di irradiare in ogni direzione con la
stessa intensità ed ha quindi come diagramma di radiazione una sfera che, in una rappresentazione
piana, diventa un cerchio.
Il guadagno di un'antenna è definito come il rapporto fra la potenza irradiata dall'antenna in esame
nella direzione di massima irradiazione e la potenza che irradierebbe un'antenna isotropa nella stessa
direzione se fosse alimentata con la stessa potenza.
Il guadagno dell'antenna Marconiana è il doppio di quella hertziana, e cioè: 3,3
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Diagramma di irradiazione di un dipolo hertziano in 3D :
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Guadagno 2
•
Un rapporto misurato in bel si definisce come il logaritmo in base 10 del rapporto stesso. Dire che
un rapporto è di 1 bel equivale quindi a dire che il rapporto stesso è di 10:1.
Il rapporto espresso in bel fra due numeri o due grandezze fisiche omogenee, N1 e N2, resta
quindi definito come:
•
per essere espresso in decibel, deve essere moltiplicato per 10:
•
Esempio: Per un dipolo hertziano il rapporto tra potenze è di N1/N2 è 1,65 in decibel quanto
vale?
GdB = 10 x log10 1,65 = 10 x 0,2174 = 2,174 dBi
Dove N1 è la potenza del dipolo nella direzione di max irradiazione e N2 è la potenza dell’antenna
isotropa ed omnidirezionale.
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UN SEMPLICE CALCOLO CON I DECIBEL
Pur non trascurando la formula che definisce il decibel , è curioso osservare , e risulta utile per
ricordare, che è molto facile convertire un valore di potenza da W a dBm senza uso di alcuna
calcolatrice. Consideriamo, ad esempio, valori "facili" di potenza, ossia tutti quelli multipli di un
fattore 10 del
Watt o del mW, quindi 1 W, 10 W, 100W, 1000W etc.
Ebbene, per convertire tali valori in dBm basta prima trasformarli in mW, moltiplicandoli per 1000,
e poi contare il numero di zeri risultante. Il valore in dBm si otterrà subito scrivendo come prima
cifra
il
suddetto
numero
di
zeri
e
come
seconda
zero.
Esempio:
P
=
100
W
--->
100.000
mW
--->
P
=
1
W
--->
1.000
mW
--->
P = 1000 W ---> 1000.000 mW ---> 6 zeri ---> 60 dBm
5
3
zeri
zeri
--->
--->
50
30
dBm
dBm
Ancora, come fare a convertire in dBm un valore di potenza intermedio, per esempio 50 W ? Con il
suddetto procedimento non potremmo più farlo. Torna ora utile ricordare che il raddoppio della
potenza equivale ad un guadagno di 3dB , oppure che un dimezzamento della potenza equivale
ad una perdita sempre di 3dB. Ciò significa che se so il valore in dBm corrispondente al doppio
del valore della potenza in questione, posso conoscere il valore in dBm della potenza in questione
semplicemente
sottraendo
3
dB.
Esempio:
P
=
50
W
è
la
metà
di
100
W,
che
corrispondono
a
50dBm
quindi
50-3
=
47
dBm
oppure
P = 250 W è la metà di 500 W, che a sua volta e la metà di 1000W, che corrispondono a 60dBm,
quindi
60-3-3
=
54
dBm
oppure
P = 200 W è il doppio di 100W, che corrispondono a 50dBm, quindi 50+3 = 53 dBm
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Direttività
•Sappiamo che Il guadagno di un'antenna in una certa direzione è definita invece come il rapporto tra
la potenza di radiazione irradiata in tale direzione e la potenza totale irradiata in tutte le direzioni dall’
antenna isotropa. La differenza con la direttività è che quest'ultima al denominatore presenta la
potenza totale in ingresso all'antenna che è solo in parte irradiata e in parte dissipata dal conduttore
dell'antenna stessa. Il guadagno è sempre inferiore alla direttività di un fattore pari proprio all’efficienza
η (eta) dell’antenna:
G(θ,φ) = η D(θ,φ)
Dove G rappresenta il guadagno, η l’efficienza <1 , D la direttività, θ,φ i parametri che individuano il
campo elettrico in un punto definito dalle direzioni θ, φ (angoli misurati rispetto ai tre assi x,y,z
coordinate polari).
η= Nirr / Ning
I materiali di cui è costituita un’antenna (conduttori e dielettrici) non sono ideali e pertanto introducono
delle perdite, che fanno sì che la potenza irradiata (Nirr) sia inferiore alla potenza erogata dal
generatore in ingresso all’antenna (Ning). G e D sono rapporti di grandezze omogenee espressi in Db.
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Ai fini del calcolo del campo irradiato spesso vengono introdotti due parametri ausiliari: l’EIRP e
l’ERP:
• EIRP (Effective Isotropically Radiated Power): per una fissata direzione angolare, è la potenza che
dovrebbe irradiare un’antenna isotropa per dare lo stesso livello di campo prodotto dall’antenna in
esame.
EIRP(θ,φ) = Nirr x D(θ,φ) = Ning x G(θ,φ)
• ERP (Effective Radiated Power): per una fissata direzione angolare, è la potenza che dovrebbe
irradiare un dipolo mezz’onda, orientato ortogonalmente a tale direzione, per produrre lo stesso
livello di campo.
ERP(θ,φ) = Nirr x D(θ,φ)/ 1,64 = Ning x G(θ,φ)/1,64
con (Ddip=1.64)
Dove Nirr =potenza irradiata , Ning= potenza in ingresso, D direttività , G guadagno.
Nella normativa ITU su alcune frequenze si può trasmettere non superando un determinato ERP a
prescindere dal tipo di antenna che si voglia usare e dalla potenza in uscita del trasmettitore.
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•
Il dipolo ripiegato, indicato in figura sotto, ha resistenza di radiazione di 300 W; guadagno di 1,65;
maggiore larghezza di banda dell'antenna hertziana, ed è usato nei trasmettitori per radio,
televisione, cellulari, spesso organizzato in cortine. La lunghezza è sempre l/2 e la distanza fra i
lati paralleli è variabile (da 2 a 7 cm) in funzione della larghezza di banda che si vuole ottenere.
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•
L’antenna di tipo Yagi-Uda è la più diffusa, in assoluto. La configurazione più popolare è formata
da un solo elemento attivo (dipolo semplice o ripiegato), con l’aggiunta di un numero di altri non
direttamente eccitati (induttivi), detti anche parassiti. L’elemento posto dietro il dipolo funzione da
riflettore (il più lungo) mentre gli altri (più corti), i direttori, sono posti in avanti. Questa antenna
presenta una impedenza di 33+j7.5ohm (34ohm) ed ha un guadagno di circa 6-7dBi. I conduttori
utilizzati hanno uno spessore di circa 0.0036l e possono essere realizzati in alluminio o ottone.
Calcoli relativi al guadagno : 6= 10xlog10 ( N1/N2)-> 6/10 = log10 ( N1/N2) -> N1/N2 = 100,6 -> 3,98
(rapporto tra la potenza irradiata nella direzione preferenziale dalla Yagi e la stessa potenza
irradiata con l’antenna omnidirezionale).
Elemento attivo
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Nella Yagi 5 o più elementi , i direttori sono tre o più, il riflettore è sempre 1 (o 2 se posti entrambi
alla stessa distanza dal dipolo elemento attivo).
Riflettore (parassita)
Doppio riflettore
3 Direttori (parassiti)
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Caratteristiche di una antenna commerciale tipo Yagi:
Frequenza
Elementi
Guadagno
Rapporto F/R
Angolo a -3 dB
piano E - H
Spaziatura piano
E-H
R.O.S.
Lunghezza boom
Diametro boom
Diametro
elementi
144 MHz
8
12.19 dBd / 14.23
dBi
25 dB
34.54° - 37.74°
3.5 - 3.21 m
1:1.2
4.25 m - 2.04
lambda
25 - 30 - 25
5
8JXX2 144.000 144.300 144.600
MHz 8 elem., diametro elem. = 5.000
mm
000 507.8729
362.148 474.0000
607.377 471.2721
1072.443 467.0316
1827.870 458.7185
2662.489 453.3003
3518.270 449.9591
4244.733 453.4258
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Diagrammi di radiazione sul piano orizzontale
Diagrammi di radiazione sul piano verticale
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Apertura del lobo di radiazione:
Per convenzione si definisce l’angolo di apertura del lobo di radiazione , l’angolo formato dalle
direzioni dove la potenza è pari al 50% del suo valore massimo lungo la direzione di massima
potenza irradiata. Questo valore corrisponde a -3db. Vediamo l’esempio dell’antenna 8JXX2:
a = 34, 54°
-3dB
-3dB
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RICAPITOLANDO
I parametri che definiscono un’antenna sono:
•
•
•
•
•
•
•
•
diagramma di radiazione;
apertura a -3 dB (lobo di radiazione);
direttività;
guadagno;
efficienza;
polarizzazione;
impedenza di ingresso;
larghezza di banda.
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Sappiamo che le onde elettromagnetiche sono una oscillazione del campo elettromagnetico, e
che si propagano in una direzione ortogonale ai campi elettrico e magnetico. Non è stato detto
nulla però sulla direzione di questi campi o su come può variare nel tempo. La polarizzazione è
appunto una proprietà che descrive la direzione in cui il campo elettrico e magnetico oscillano.
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Polarizzazione lineare
Esempi di polarizzazione lineare Il tipo più semplice di polarizzazione è quella lineare: in questo
caso il campo elettrico oscilla lungo una sola direzione, ortogonale all'oscillazione del campo
magnetico e alla direzione di propagazione dell'onda. Le animazioni mostrano l'oscillazione del
campo elettrico in un'onda con polarizzazione lineare vista in sezione (entrante o uscente dallo
schermo). Le antenne Yagi possono irradiare RF sia in polarizzazione orizzontale che
verticale individuata dalla posizione degli elementi (orizz. o vert.)
Scomposizione di un'onda
Come per i vettori, un'onda è sempre scomponibile nelle sue componenti. In particolare, quando
incontra una superficie, è utile scomporla nelle componenti con polarizzazione lineare parallela e
ortogonale alla superficie. Un esempio è nell'animazione a fianco: l'oscillazione del campo
elettrico (in rosso) è scomposta in due onde con polarizzazioni ortogonali (verde e blu).
Le onde risultanti dalla scomposizione hanno lo stesso periodo e lunghezza d'onda, la stessa fase, e
ampiezza pari all'ampiezza dell'onda originaria per il coseno dell'angolo formato con l'onda
originaria:
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Polarizzazione circolare o ellittica
Abbiamo appena detto che un'onda con polarizzazione lineare si può scomporre in onde con la
stessa fase. Se invece pensiamo un'onda scomponibile in due onde con polarizzazione
ortogonale e sfasate di 1/4 di periodo, otteniamo una polarizzazione di tipo circolare, se le due
onde hanno la stessa ampiezza, o ellittica se di ampiezza differente.
Il risultato è un campo elettromagnetico che, in un punto, ruota su stesso; mentre l'onda in un
istante forma nello spazio un'elica (destrogira o levogira a seconda dello sfasamento). Un
antenna Yagi a dipoli ed elementi incrociati a 90° irradiano RF in polarizzazione circolare
sempre che gli elementi attivi siano sfasati di 90° uno rispetto all’altro anche dal punto di
vista dell’alimentazione l/4.
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Impedenza di una antenna:
L’impedenza è un numero complesso (vettoriale) che rappresenta l’equivalente in corrente alternata della
resistenza in corrente continua. La resistenza è una grandezza che quantifica la capacità di un componente
elettrico di opporsi al passaggio della corrente elettrica.
Sia la resistenza che l’impedenza si misurano in Ohm (Ω).
L’impedenza è un parametro descrittivo fondamentale di qualsiasi componente che lavora in RF (ad esempio
antenne, cavi, connettori, ecc…);
L’impedenza dipende dalla forma, dimensione e materiali con cui è stata costruita l’antenna.
La condizione di adattamento di impedenza tra cavo ed antenna (o tra qualsiasi altro componente) è molto
importante, in quanto permette di raggiungere il massimo trasferimento di potenza tra di essi, ovvero di trarre il
massimo guadagno.
Quando un’onda elettromagnetica incide su una discontinuità (chiamata interfaccia), ad esempio tra cavo ed
antenna, non tutta l’onda elettromagnetica riesce a “passare” a causa di fenomeni di riflessione. Solo una parte
della potenza che avevamo nel cavo riesce ad arrivare all’antenna, la rimanente viene riflessa e torna verso il
trasmettitore. L’entità di questa riflessione è determinata dai valori delle impendenze dei componenti in
questione.
Il massimo trasferimento di potenza (minima di riflessione) si ha quando:
Impedenza Antenna = Impedenza Cavo (Condizione di adattamento)
Bisognerà quindi prestare attenzione ad utilizzare componenti con la stessa impedenza all’interno del nostro
sistema rice–trasmittente.
I valori standard di impedenza sono:
▪ 52 Ohm: antenne Wireless, reti locali in cavo coassiale, strumenti di misura, antenne radioamatoriali;
▪ 75 Ohm: antenne televisive o radiofoniche.
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La larghezza di banda è l’intervallo di frequenza che un’antenna è in grado di ricevere o su cui è
capace di irradiare mantenendo impedenza resistiva; La larghezza di banda di un’antenna è
definita come quell’intervallo di frequenze all’interno delle quali le prestazioni dell’antenna (riferite
a una determinata caratteristica) si mantengono entro un determinato standard.
Le antenne log-periodiche (o logaritmiche) sono costituite da una serie di dipoli, tutti alimentati,
equiorientati ed allineati lungo un asse ortogonale ai dipoli. Il rapporto tra la lunghezza di un
elemento e quella del successivo, nonché il rapporto tra la distanza tra due elementi e quella tra
i due successivi, sono costanti (l’antenna scala in sé stessa periodicamente). Ogni dipolo risuona
ad una determinata frequenza. A tale frequenza quel dipolo si comporta da dipolo alimentato,
mentre gli altri sono circa passivi (a causa dell’alta impedenza che limita la corrente in ingresso) e
fungono da riflettori e direttori.
Si ha dunque un comportamento simile a quello di una Yagi-Uda, ma questa volta su una banda
larghissima (in teoria infinita se l’allineamento non fosse troncato).
In pratica, il dipolo più lungo determina la frequenza minima di funzionamento, mentre quello più
corto determina la frequenza massima di funzionamento. Il campo è ancora polarizzato
linearmente, come per il singolo dipolo.
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Antenna prime-focus (primo fuoco )
L'antenna prime-focus è una antenna parabolica a riflessione ricavata sezionado un paraboloide
con un piano perpendicolare all'asse dello stesso.
Il fuoco si trova in asse con l'antenna e pertanto al centro di essa. L'LNB per captare i segnali
provenienti dal satellite è montato pertanto in corrispondenza del centro del disco.
Commercialmente le antenne prime focus sono generalmente di diametro maggiore delle antenne
offset.
A causa delle maggiori dimensioni, l'antenna prime-focus è meno sensibile a piccole irregolarità
della superficie, anche se, a causa dell'angolo di apertura più piccolo, necessita di maggiore
accuratezza nell'installazione e nel puntamento rispetto alle più comuni antenne offset.
Tuttavia, a causa della posizione di montaggio più orizzontale, rispetto alle antenne offset la
pioggia o neve si possono raccogliere facilmente sul disco dell'antenna condizionando
negativamente la ricezione dei segnali prevenienti dal satellite.
Inoltre l'LNB e i bracci di sostegno di questo coprono con la loro ombra parte del segnale che
giunge dal satellite che non colpisce pertanto la superficie del riflettore.
animazione specchi parabolici
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Elettriche - Electrical
Guadagno - Gain
Frequenza - Frequency
WSVR Max
Rapporto fronte-retro - Front to back
ratio
Potenza Massima - Max Power
32dBi @5,85GHz
5,15-5,85GHz
1,65:1
30dB
100W
Angolo Orizzontale - Horizontal
Beamwidth
4°
Angolo Verticale - Vertical
Beamwidth
4°
Impedenza - Impedance
Connettore - Connector
Polarizzazione - Polarization
50 ohm
N femmina integrato
H/V
Meccaniche - Mechanical
Dimensioni - Dimension
Carico al vento / Wind
loading @200Kmh/125Mph
Peso - Weight
Diametro Palo - Pole diameter
Diam. 90cm
181Kg / 74Kg con radome, 374Kg
with radome
10Kg
38-75mm
Antenna Selit
(Italia)
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Antenna offset
Un'antenna satellitare di tipo offset è un particolare tipo di antenna per la ricezione di segnali
provenienti da satelliti geostazionari, e sono molto diffuse per la ricezione della televisione via
satellite.
Una antenna offset è costituita essenzialmente da un riflettore, in acciaio, alluminio o materiale
plastico, ricavato dalla superficie di un paraboloide tagliandola con un piano non perpendicolare
all'asse del paraboloide stesso. Pertanto il fuoco del paraboloide, dove sarà collocato il ricevitore
LNB non è in corrispondenza del centro dell'antenna ma spostato di un angolo di offset rispetto
alla verticale della parabola.
Rispetto ad una tradizionale antenna prime focus, in queste antenne il segnale provieniente dal
satellite colpisce la totalità della superficie del riflettore che non è coperto dall'ombra del
convertitore LNB o dei bracci che lo sostengono. La superficie delle antenne offset in commercio
è normalmente ellittica.
L'angolo di offset generalmente si aggira intorno ai 20-25 gradi, pertanto le parabole offset sono
montate più verticalmente rispetto ad una parabola prime focus. Questo si traduce in un ulteriore
vantaggio, soprattutto nei paesi con latitudine elevata, dal momento la posizione quasi verticale
dell'antenna riduce il rischio che possa deformarsi a causa dell'accumulo di neve sul piatto.
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Antenna offset Kathrein
(Germania)
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LNB è l'acronimo di Low Noise Block converter, vale a dire convertitore a basso rumore (disturbo). E'
l'elemento che viene montato nel punto focale di fronte alla parabola, nell'anello che si trova sulla
punta della staffa. Il compito di questo elemento è di ricevere e convertire ad una frequenza più
bassa i segnali riflessi dalla parabola, convogliandoli poi in un cavo che va al ricevitore.
Il LNB è composto da tre apparati elettronici riuniti in un solo pezzo: Illuminatore: raccoglie le
onde elettromagnetiche ricevute dalla parabola e le convoglia in un polarizzatore.
Polarizzatore: in fase di trasmissione le onde elettomagnetiche vengono polarizzate (sono cioè
disposte su piani diversi). Dopo aver attraversato l'illuminatore, il polarizzatore seleziona la
polarità che intendiamo usare, per poi passare il segnale al convertitore.
Convertitore: ha la funzione di trasformare i segnali ad altissima frequenza ricevuti dalla
parabola, e perciò non trasportabili via cavo, in segnali di frequenza più bassa (detta intermedia)
usabile dai ricevitori .
Gli LNB detti "universali" sono alimentati dal ricevitore e convertono i segnali ricevuti dal satellite
in uno spettro di frequenze con valori molto più bassi: infatti mentre i ricevitori lavorano con
frequenze che vanno da 950 a 2150 MHz, i satelliti emettono generalmente in una banda che va
da
9750
a
12750
MHz.
Un'altra importante caratteristica dei convertitori è la sensibilità in ricezione, espressa come
"figura di rumore". Un buon convertitore deve avere tale parametro inferiore a 0.7 dB, e minore è
tale
valore
minore
sono
i
disturbi
che
andranno
al
ricevitore.
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