Antenne satellitariProgetto 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.

Antenne satellitariIn 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".

Antenne satellitari

TIPILa 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 (/4) , o meglio, tenendo conto di un fattore correttivo del 5% in meno, è il 95% di lamda/4 (/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.

Antenne satellitari• 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.

Antenne satellitariGuadagno 1

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

Antenne satellitariDiagramma di irradiazione di un dipolo hertziano in 3D :

Antenne satellitari

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.

Antenne satellitariUN 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 ---> 5 zeri ---> 50 dBm P = 1 W ---> 1.000 mW ---> 3 zeri ---> 30 dBm P = 1000 W ---> 1000.000 mW ---> 6 zeri ---> 60 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

Antenne satellitariDirettività

•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, ηl’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.

Antenne satellitariAi 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.

Antenne satellitari• Il dipolo ripiegato, indicato in figura sotto, ha resistenza di radiazione di 300 ; 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/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.

Antenne satellitari• 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 0.0036 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

Antenne satellitari 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)

3 Direttori (parassiti)

Doppio riflettore

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Caratteristiche di una antenna commerciale tipo Yagi:

Frequenza 144 MHz 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

Elementi 8

Guadagno12.19 dBd / 14.23

dBi

Rapporto F/R 25 dB

Angolo a -3 dB piano E - H

34.54° - 37.74°

Spaziatura piano E - H

3.5 - 3.21 m

R.O.S. 1:1.2

Lunghezza boom4.25 m - 2.04

lambda

Diametro boom 25 - 30 - 25

Diametro elementi

5

Antenne satellitariDiagrammi di radiazione sul piano orizzontale

Diagrammi di radiazione sul piano verticale

Antenne satellitariApertura 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:

-3dB-3dB

= 34, 54°

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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.

Antenne satellitari 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.

Antenne satellitari 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'ondaCome 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:

Antenne satellitariPolarizzazione 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 .

Antenne satellitariImpedenza 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.

Antenne satellitari 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

Antenne satellitariAntenna Selit

(Italia)

Elettriche - Electrical 

Guadagno - Gain 32dBi  @5,85GHz

Frequenza - Frequency 5,15-5,85GHz

WSVR Max 1,65:1

Rapporto fronte-retro - Front to back ratio 30dB

Potenza Massima - Max Power 100W

Angolo Orizzontale - Horizontal Beamwidth 4°

Angolo Verticale - Vertical Beamwidth 4°

Impedenza - Impedance 50 ohm

Connettore - Connector N femmina integrato

Polarizzazione - Polarization H / V

   

Meccaniche - Mechanical 

Dimensioni - Dimension Diam. 90cm

 Carico al vento / Wind loading  @200Kmh/125Mph

181Kg / 74Kg con radome, 374Kg with radome

Peso - Weight 10Kg

Diametro Palo - Pole diameter 38-75mm

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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Antenne satellitariAntenna offset Kathrein(Germania)

Antenne satellitariLNB 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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