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Il satellite rigenerativo

satellite rigenerativo

Un satellite è un corpo artificiale che orbita attorno ad un corpo celeste descrivendo una traiettoria chiusa. Il satellite rigenerativo deve comunicare in modo bidirezionale con le stazioni di terra e, quindi, deve poter contare sull’assegnazione di apposite tratte radio.

In particolare, le tratte radio che consentono a un terminale utente posto a terra di comunicare con il satellite sono dette di “uplink”, mentre quelle che consentono la comunicazione dal satellite al terminale utente sono dette di “downlink”. Nel caso in cui i segnali ricevuti da terra siano rielaborati a bordo prima di essere rispediti al terminale utente si parla di satellite “rigenerativo”. In figura 1 è riportato uno schema di principio degli apparati elettronici presenti a bordo di un satellite di questo tipo.

Come si può notare, il segnale viene prelevato da un’antenna parabolica (A) e direttamente trasferito in una guida d’onda rettangolare (B), un mezzo propagativo a basse perdite formato da un unico metallo a sviluppo longitudinale e sezione rettangolare. All’uscita dalla guida d’onda è posto un isolatore, un dispositivo in grado di far passare il segnale in un unico verso (dalla guida d’onda ai dispositivi successivi) e di evitare che il segnale torni verso l’antenna e venga ritrasmesso a terra.

Una volta attraversata la guida d’onda il segnale viene trasferito ai circuiti elettronici planari del cosiddetto “downconverter”(C), un ricevitore di telecomunicazioni che ha il compito di amplificare e traslare in frequenza il segnale ricevuto. Il ricevitore è costituito dai seguenti dispositivi:

- Un amplificatore a basso rumore (LNA, Low Noise Amplifier)(D);

- Un mixer (E);

- Un amplificatore che lavora alla frequenza di downlink(G);

L’amplificatore a basso rumore ha il compito di amplificare il segnale d’ingresso introducendo il minor rumore possibile, al fine di evitare che il debole segnale proveniente dall’antenna venga sommerso dal rumore stesso. Per realizzare un amplificatore di questo tipo occorre mettere in atto le seguenti fasi (Fig. 2):

- Realizzazione del chip;

- Preparazione di un supporto metallico detto carrier e montaggio del chip sul carrier;

Facendo riferimento ad una tecnologia ibrida, l’LNA viene solitamente realizzato creando su un substrato semiconduttore un layout interdigitato in cui i terminali di gate e di drain sono posti tra due apposite “dita” di source (Fig. 2a). Una volta realizzato, l’amplificatore deve essere montato nella configurazione a source comune, in modo da ottenere un buon livello di amplificazione e il più basso contributo di rumore possibile. A tal fine è necessario realizzare un supporto metallico (carrier) posto a potenziale nullo e collegare ad esso le “dita” di source dell’amplificatore. Il carrier viene realizzato con un unico strato metallico munito, nella regione centrale, di un apposito dente a sezione rettangolare. Tale dente serve a separare i due substrati sui quali verranno poi realizzate le linee di adattamento d’ingresso e d’uscita del dispositivo e deve avere uno spessore pari a quello dei substrati stessi, al fine di evitare indesiderati dislivelli. Al centro del dente metallico viene realizzato un incavo nel quale viene posto il chip realizzato in precedenza; in tal modo si evitano possibili moti torcenti del chip nel momento in cui viene incollato al carrier. Una volta fissato il chip nello scasso (Fig.2b), occorre realizzare il collegamento tra i terminali di source e il carrier e, a tal fine, viene utilizzata la tecnica della termocompressione (Fig. 3):

- Si avvolge un microfilo in oro ad un rocchetto (Fig. 3a);

- Si comprime l’estremità libera del filo sulla piazzola metallica del source tramite l’utilizzo di un’apposita punta e si effettua la saldatura aiutandosi con un aumento controllato della temperatura (Fig.3b);

- Si srotola il filo dal rocchetto in modo da formare un semicerchio tra le piazzole da porre in collegamento (questo accorgimento consente di tenere sotto controllo le dimensioni dei fili e di evitare rotture in caso di sollecitazioni meccaniche) e si comprime termicamente il filo sulla piazzola del carrier (Fig.3c);

Dopo aver montato il chip sul carrier si deve mantenere l’intero dispositivo alla giusta temperatura. Il guadagno di un dispositivo attivo, infatti, tende a diminuire all’aumentare della temperatura, con conseguente aumento del rumore generato. Per evitare questo inconveniente sul dente metallico del carrier vengono montati dei dispositivi di freddaggio e l’intero LNA viene posto a temperature molto basse, vicine a quella dell’azoto liquido.

Dopo essere stato amplificato dall’LNA, il segnale passa attraverso un mixer; quest’ultimo è un dispositivo in grado di traslare la frequenza di uplink (Fup) nella frequenza di downlink (Fdl), utilizzando per riferimento la frequenza (Flo) generata a bordo da un oscillatore locale. In particolare, le frequenze di uplink e downlink sono legate tra loro tramite la frequenza dell’oscillatore locale secondo la seguente equazione di conversione:

Fup - Flo = Fdl

Per effettuare tale traslazione in frequenza, il mixer deve essere realizzato tramite un dispositivo non lineare (ad esempio un diodo) che, prendendo in ingresso la frequenza di uplink e quella dell’oscillatore locale, fornisca in uscita tutte le componenti spettrali combinazione lineare delle due frequenze. Tra tutte queste componenti, poi, il successivo filtro passa-banda (F) selezionerà solo quella corrispondente alla frequenza desiderata: quella di downlink.

Una volta attraversato il mixer, il segnale passa attraverso un sistema amplificatore atto ad evitare che eventuali perdite di guadagno successive al ricevitore non consentano al segnale di raggiungere un livello sufficiente per essere correttamente rinviato a terra. Il sistema amplificatore è costituito da un correttore di pendenza (H) e da un amplificatore a guadagno variabile (I). Il correttore di pendenza è un dispositivo attivo che introduce una variazione di guadano al variare della frequenza e consente, quindi, di compensare le distorsioni lineari introdotte dalla tratta radio di uplink e dai dispositivi precedenti al ricevitore (essi, infatti, tendono ad attenuare maggiormente le componenti a frequenza più elevata rispetto a quelle a frequenza più bassa). L’amplificatore a guadagno variabile, invece, serve a recuperare le perdite dovute alle variazioni della temperatura e, più in generale, delle condizioni atmosferiche.

Dopo essere stato amplificato il segnale passa attraverso un IMUX (Input Multiplexer) (L) un dispositivo atto a dividere la banda del segnale di uplink (500 MHz) in tanti canali (ciascuno da 20 MHz) quanti sono i contenuti informativi da trasmettere.

Dopo la canalizzazione viene introdotto un mixer connesso ad un oscillatore locale (M), per portare in banda base le frequenze dei segnali nei canali.

A seguito di tale traslazione in frequenza si effettua, per ogni canale, un’operazione di demodulazione (N), cioè si privano i segnali di tutti i dati serviti per la trasmissione e se ne estrae l’informazione.

Una volta effettuata la demodulazione è possibile immagazzinare in apposite memorie le informazioni raccolte, elaborarle in banda base (O) e modularle in maniera diversa da come erano state modulate in trasmissione (P).

A seguito del processamento in banda base i segnali raggiungono gli amplificatori di canale (Q), dispositivi attivi in grado di operare in due modalità distinte: “a guadagno fisso” o “a controllo automatico di livello”. Nel primo caso il guadagno ingresso-uscita dell’amplificatore rimane costante indipendentemente dalle condizioni operative del satellite. Nel secondo caso, invece, il livello di potenza dell’amplificatore viene controllato da terra, attraverso un apposito sistema di telemetria e aumentato o diminuito a seconda delle esigenze. Dal momento che il livello di potenza del segnale di uplink aumenta se si trasmette in condizioni di cielo sereno mentre diminuisce in caso di pioggia, la modalità operativa maggiormente utilizzata è quella “a controllo automatico di guadagno”. Il controllo da terra viene effettuato inviando al satellite una parola di 8 bit rappresentante il corretto livello di potenza da raggiungere; tale parola viene confrontata automaticamente con quella relativa al livello di potenza effettivamente presente a bordo e, in base al risultato della comparazione, si commuta da terra il livello di guadagno degli amplificatori di canale. Per la realizzazione pratica di un amplificatore di questo tipo solitamente si utilizzano attenuatori e stadi buffer in cascata (Fig. 4).

 

Gli attenuatori sono tipicamente digitali e, quindi, costituiti da più celle attenuatrici; queste ultime ricevono da terra la parola corrispondente all’attenuazione da introdurre e, a seconda del valore associato a ciascun bit fanno variare il livello di attenuazione introdotto dall’amplificatore e, di conseguenza, il livello di potenza ad esso associato. I buffer sono amplificatori a singolo stadio che garantiscono un certo livello di guadagno; se essi non ci fossero il dispositivo non potrebbe amplificare, ma solo attenuare.

Dopo gli amplificatori di canale è presente un linearizzatore (R), un dispositivo atto a rendere maggiormente lineare l’uscita dell’amplificatore di canale, eliminando le componenti a frequenze indesiderate. Questo dispositivo serve ad evitare che il successivo amplificatore di potenza (S), lavorando ad alta efficienza, introduca troppe distorsioni, abbassando la qualità del segnale da trasmettere. Per comprendere meglio quanto appena esposto, consideriamo un amplificatore di potenza ad alta efficienza e inviamo in ingresso ad esso un segnale a singolo tono, cioè caratterizzato da un unico valore di frequenza (frequenza fondamentale). In uscita dall’amplificatore avremo un segnale a frequenza nulla (la componente continua), un segnale alla stessa frequenza di quello di ingresso e altri segnali a frequenze multiple della fondamentale (armoniche).

Se, invece, in ingresso all’amplificatore poniamo due toni, in uscita, oltre alla componente continua, alla fondamentale amplificata e alle armoniche, compare un termine legato all’interazione tra i due toni in ingresso. Tale termine è detto di soppressione, in quanto sottrae potenza utile in uscita degradando la qualità del segnale da trasmettere. A fronte di quanto appena rilevato, minori sono i toni in ingresso all’amplificatore di potenza, maggiore è il livello di potenza del segnale, migliori sono le prestazioni del satellite. Da questo punto di vista un buon linearizzatore posto all’ingresso dell’ultimo amplificatore è un componente fondamentale per la corretta trasmissione del segnale al terminale utente di terra.

All’uscita dall’amplificatore di potenza i segnali relativi ai vari canali vengono ricombinati tramite un OMUX (Output Multiplexer) (T) identico all’IMUX in ingresso e rinviati verso terra tramite l’antenna (U).

 

 

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