Apparati per carichi utili di satelliti commerciali

1) Tipologie di payloads :

• Trasparente: Si ha ricezione, separazione dei canali, amplificazione degli stessi, aggregazione dei canali e ritrasmissione tramite TWTA ed eventuale predistorsore
• Rigenerativo: come per il payload trasparente, in più però si ha anche un processamento in banda base

2) Schema di un payload trasparente :

Il segnale dall'antenna viene convertito ad una frequenza più bassa mediante dei downconverter, ve ne sono da 4 ad 8 in parallelo selezionati tramite opportuni switch di ridondanza sia in ingresso che in uscita dai downconverters. A valle si hanno da 24 a 44 canali ciascuno dei quali ha in ingresso un IMUX ed a seguire un amplificatore di canale a guadagno variabile ed un linearizzatore per il successivo TWTA, il successivo OMUX riunisce in antenna i diversi canali

3) Schema di un payload rigenerativo :

Il segnale dall'antenna viene inviato ad un banco di LNAs questo al fine di garantire la ridondanza, segue una conversione ad una frequenza più bassa che avviene anche essa tramite un banco di oscillatori locali e di mixer. A seguire si ha IMUX il quale separa i canali anche al fine di evitare intermodulazione. I canali vengono poi riportati in banda base, demodulati, processati e successivamente rimodulati e riportati in banda traslata, a seguire c'è un predistorsore il quale lavora in coppia con un TWTA, OMUX provvede poi a riunire i diversi canali in modo da convogliarli a terra in un unico fascio.

4) IMUX ed OMUX :

IMUX separa i diversi canali ricevuti dall'antenna, è costituito da un banco di filtri accordati in modo da far passare unicamente le frequenze di interesse, OMUX è anche esso costituito da un banco di filtri accordati e unisce i diversi canali da rinviare in antenna.

5) Oscillatore locale :

E' costituito da un oscillatore a microonde il quale attraverso un circuito PLL ad aggancio di fase viene agganciato all'armonica di un quarzo che può oscillare a 10MHz oppure a 100MHz. Vi possono essere due varianti:

• Agganciarsi alla frequenza fondamentale e utilizzare un divisore opportuno

• Agganciarsi ad una armonica della frequenza fondamentale, in tal caso non serve il divisore il quale è difficile da realizzare in alta frequenza

6) Alimentazione del payload :

A partire dai circa 100v messi a disposizione dal bus si scende sino ai 5v o 3v attraverso un DC/DC converter realizzato con un circuito oscillante a 100kHz la cui uscita in corrente alternata viene trasformata e raddrizzata, si ottengono rendimenti di circa 80%.

7) Caratteristiche di un ricevitore satellitare :

• Guadagno di circa 55dB
• Cifra di rumore di 1,8dB a 12GHz e di 3dB a 30GHz
• Intercetta del terzo ordine a 26dBm per ogni portante
• Stabilità in frequenza pari a 4 parti per milione a fine vita ossia dopo 15 anni

8) PLL :

Si ha un oscillatore di riferimento al quarzo, ad esso viene sottratto il segnale che proviene dalla retroazione, l'integrale di questa differenza di frequenza da luogo ad una differenza di fase che viene amplificata e filtrata, se ne ottiene un segnale d'errore che va a pilotare un VCO il quale genera in tal modo la frequenza di uscita, essa viene poi suddivisa per un fattore N in modo da poter essere confrontata con la frequenza di riferimento generata dall'oscillatore quarzato. Il loop è in equilibrio quando la f_OUT = N f_REF . Il divisore per N è complesso da realizzare allora si ovvia con un diodo il quale genera armoniche a pettine e ci si aggancia ad una di esse.

9) Fattore di rumore :

          Indica il peggioramento del rapporto segnale / rumore nel transito nella rete

10) Cifra di rumore :

11) Fattore di rumore di una cascata di stadi :

Si evidenzia come sia dominata dal fattore di rumore del primo blocco della cascata a patto che esso abbia un guadagno decente, per questo motivo il primo amplificatore è un LNA.

12) Guadagno di una cascata di stadi :

13) Considerazioni sui guadagni nella sezione RF e nella sezione IF :

Il fattore di rumore totale è sostanzialmente il fattore di rumore del primo amplificatore in quanto i contributi dei restanti blocchi sono divisi per il guadagno dello stadio precedente quindi è importante realizzare un amplificatore a basso rumore e con un buon guadagno, di solito pari a 30dB.

14) Isolatore :

Ha lo scopo di consentire il transito di potenza soltanto in un verso, viene ottenuto richiudendo la porta 3 del circolatore su di un carico adattato, in tal modo la  potenza scorre soltanto dalla porta 1 alla porta 2 e non viceversa. La perdita che introduce è di circa 0,2dB.

15) Adattatore :

Ha il compito di passare dalla guida d'onda alla microstriscia, è importante in quanto deve essere ermetico infatti i circuiti vengono isolati con un gas inerte.

16) Flatness Corrector :

Ogni canale ha una banda di 12MHz all'interno della quale il suo livello di potenza può essere stato cambiato dal canale trasmissivo in funzione della frequenza, il flatness corrector ha il compito di compensare questo errore.

17) Amplificatore di canale :

Consente di amplificare il segnale ma soprattutto di controllarne il livello prima di inviarlo al TWTA, questo controllo ha il compito di correggere effetti di propagazione ed altre caratteristiche della stazione ricevente.

Le modalità attraverso le quali avviene questo controllo del guadagno sono sostanzialmente due :

• A guadagno fisso selezionato da Terra tramite il telecomando
• A controllo di livello ossia da Terra tramite il telecomando viene scelta la potenza di uscita, si ottiene tramite un accoppiatore direzionale che preleva 1/100 della potenza in uscita, dopodichè tramite un diodo raddrizzatore ottengo una tensione la quale va ad aumentare il guadagno dell'amplificatore

In termini di banda passante si ha che è la stessa indipendentemente dal canale, questo perché è già progettazione a banda stretta trattandosi di circa 500MHz centrata intorno a 12GHz. In tal modo viene sia semplificata la progettazione che ottimizzata in termini di costo e di ridondanza.

18) TWTA :

Travelling Wave Tube Amplifier, amplificatore ad onda progressiva, è un amplificatore con una ottima efficienza ma che introduce necessariamente delle nonlinearità, laddove sia invece richiesta una buona linearità viene inserito a monte un predistorsore il quale ha sostanzialmente una risposta uguale ed opposta a quella del TWTA.

Il TWTA consente di raggiungere potenze trasmissive sul satellite pari a 200W mentre con amplificatori a stato solido e a basse frequenze si arriva al più a 50W. Le distorsioni introdotte dal TWTA sono di due specie:

• AM/AM : Caratteristica non lineare della potenza d'uscita rispetto alla potenza d'ingresso, se nel canale vi sono più portanti, la potenza complessiva del canale deve rimanere costante pertanto se una portante satura il TWTA comporterà la soppressione delle altre portanti
• AM/PM : variazione non lineare indotta sulla fase dalla potenza d'ingresso, se ho una sola portante, le fluttuazioni di inviluppo si convertono in una modulazione spuria di fase

Nella pratica si hanno i seguenti casi:

• Unica portante, come la TV modulata in FM, conviene utilizzare il TWTA al massimo della potenza trasmessa
• Unica portante con trasmissione digitale TDM, conviene utilizzare un backoff di 2dB
• Più portanti FDM, conviene utilizzare un backoff di 10dB

19) Linearizzatore :

Ha il compito di compensare la compressione del TWTA con una espansione, gli accoppiatori a 90° presentano uno sfasamento di 90° tra le due uscite, sul ramo superiore si ha un amplificatore con la stessa risposta in fase e frequenza del TWTA, sul ramo inferiore si ha invece un amplificatore lineare. I due rami si ricongiungono mediante un altro accoppiatore a 90°, l'effetto complessivo è che sin quando si lavora in zona lineare i contributi dei due rami si cancellano mentre quando si lavora in zona non lineare l'uscita da luogo ad una espansione del guadagno che messa in serie alla successiva compressione introdotta dal TWTA da luogo ad una risposta linearizzata..

20) Tecniche di linearizzazione :

• Predistorsione
• RF
• IF
• Banda Base
• FeedBack
• FeedForward
• Tecniche miste

21) Tecnica di linearizzazione FeedForward :

Il segnale d'ingresso oltre ad andare all'amplificatore va in piccola percentuale anche ad un altro amplificatore che lo amplifica e lo sfasa, le due uscite vengono poi inviate ad un sommatore il quale ha in uscita i soli prodotti indesiderati, essi vengono opportunamente amplificati e successivamente sottratti al segnale in uscita dall'amplificatore di potenza, ottengo pertanto la sola componente voluta.

Il problema di questa configurazione è che dopo l'amplificatore di potenza ci sono molte cose e quindi si perde circa il 25% della potenza d'uscita.

22) Diplexer :

Nel caso l'antenna in ricezione coincida con quella in trasmissione allora viene inserito un diplexer il quale separa le due bande.

23) Prove di qualifica ed accettazione :

Vengono eseguite nell'ordine le seguenti prove:

• Prove elettriche di riferimento
• Prove di vibrazione
• Sinusoidali: sui 3 assi a frequenze tra 5Hz e 100Hz al fine di simulare l'effetto della accelerazione che il circuito subisce al lancio
• Prove elettriche di verifica
• Random: vibrazione casuale sino ad un massimo di 2kHz volta a testare il comportamento del dispositivo in risposta alle sollecitazioni acustiche del lancio
• Prove elettriche di verifica
• Pyroshock: impulso di accelerazione volto a simulare le cariche esplosive
• Prove elettriche di verifica
• Prove elettriche finali
• Prova di termovuoto
• Prova di compatibilità elettromagnetica
• Prove alle radiazioni: vengono solitamente effettuate sui singoli componenti dell'apparato, sono distruttive ed effettate a campione su lotti di produzione. I dispositivi a silicio hanno tolleranze alle radiazioni pari a 50kRad mentre quelli al GaAs vanno molto meglio ed hanno tolleranze pari a 10MRad
• Prova di vita accelerata