I sistemi di distribuzione di antenna satellitare sono il supporto di sistemi di comunicazione, di trasmissione, di navigazione e di telerilevamento. Questi dispositivi elettromeccanici convertono i segnali di radiofrequenza (RF) tra le correnti elettriche nelle linee di trasmissione e le onde elettromagnetiche che si propagano attraverso lo spazio libero. La diversità dei tipi di antenna satellitare riflette l'ampia gamma di requisiti di missione - dal puntare un raggio altamente direzionale ad una geostazione satellitare al tracciamento di una fase di rapida

Parametri di prestazioni fondamentali

Prima di immergersi in specifici tipi di antenna, è importante capire le metriche che quantificano le prestazioni dell'antenna orizzontale. I parametri più critici per le antenne satellitari includono il guadagno, la direttività, la larghezza di trave, la polarizzazione, la larghezza di banda di impedenza e il modello di radiazione.

Antenne di cenere paraboliche

Le antenne paraboliche, chiamate anche antenne riflettori, sono i cavalletti di lavoro delle comunicazioni satellitari. Il loro alto guadagno e larghezza di fascio stretto li rendono ideali per collegamenti punti a punto con satelliti geostazionari. Il design di base comprende una superficie di riflettore a forma di parabolica e un'antenna di alimentazione situata al punto focale. Il riflettore collima l'onda sferica dal feed in un piano di apertura, producendo un raggio ad alta lunghezza d'onda proporzionale.

Prime-Focus e Offset-Fed Designs

I piatti parabolici possono essere configurati come prime-focus o offset-fed. In un primo-focus, l'antenna di alimentazione è montata al centro dell'apertura del riflettore, sostenuta da struts. Questo design è meccanicamente semplice e conveniente ma soffre di blocco di apertura — il feed e gli strumenti gettano un'ombra sul riflettore, riducendo leggermente il guadagno e aumentando lobi laterali.

Configurazioni di Cassegrain e Gregorian

Per i grandi piatti utilizzati nei teleport, comunicazione profonda e astronomia radio, disegni a doppio refletto come Cassegrain o Gregorian sono comuni. Questi utilizzano un riflettore secondario (sottoreflector) posizionato vicino al punto focale del riflettore primario.

Applicazioni delle antenne di cenere Parabolic

Television Broadcasting:[ La TV satellitare diretta a casa (DTH) è l'applicazione di consumo più familiare. Piatti di piccolo offset (45–60 cm in banda Ku) ricevono centinaia di canali dai satelliti geostazionari come Astra, Hot Bird, o DirecTV. La stretta larghezza di trave consente il riutilizzo di frequenza attraverso diverse slot orbitali senza interferenze.

Internet a banda larga e VSAT:[ Molto piccoli terminali di apertura (VSAT) utilizzano piatti da 75 cm a 2.4 metri per la connettività a due vie enterprise e internet residenziale in aree prive di infrastrutture terrestri.

Comunicazione di spazio:[] I piatti della NASA DSN (34 m e 70 m) comunicano con la sonda spaziale al di là dell'orbita terrestre. I loro enormi guadagni e amplificatori a basso rumore raffreddati criogenici permettono di ricevere segnali che sono miliardi di volte più deboli di un segnale cellulare.

Radio Astronomia:[[] Grandi riflettori parabolici come l'Osservatorio Arecibo (305 m, sferico fisso) e il Telescopio della Banca Verde (100 m, completamente sterili) mappa sorgenti radio celesti.

Antenne elicoidale

Le antenne elicoiali sono costituite da una ferita di filo conduttivo in un elica (spirale) attorno ad un asse centrale, con un piano terra ad un'estremità. Sono rinomate per la loro polarizzazione intrinsecamente circolare, una proprietà che riduce le perdite di errore di polarizzazione quando il satellite o il terminale terra cambia l'orientamento, come spesso avviene nelle piattaforme mobili o orbitali.

Modalità normale Helix

In modalità normale, le dimensioni elicoidale sono piccole rispetto alla lunghezza d'onda (circonferenza molto meno di λ). Il modello di radiazione assomiglia a un dipolo corto o monopolare, con polarizzazione lineare o quasi circolare a seconda dell'angolo di lancio.

Modalità assiale Helix

Quando la circonferenza elica è approssimativamente una lunghezza d'onda (C ≈ λ) e l'angolo di lancio è tra i 12 e i 15 gradi, l'antenna opera in modalità assiale. Produce un raggio direzionale lungo l'asse elicoidale con polarizzazione circolare quasi pura.

Applicazioni di Antenne eliche

Telemetria di Spacecraft:[ Molti piccoli satelliti (compreso il popolare fattore forma CubeSat) utilizzano antenne elicoidali utilizzabili per la comunicazione con le stazioni terrestri nelle bande UHF e VHF. La polarizzazione circolare è robusta contro le variazioni di scricchio o atteggiamento.

Servizi satellitari mobili:[[] I terminali portatili Inmarsat e i telefoni satellitari marittimi spesso incorporano antenne elicoidale. La polarizzazione circolare elimina la necessità che l'utente orient il dispositivo esattamente rispetto al satellite, semplificando l'operazione nel campo.

Sistemi satellitari di navigazione globale (GNSS):[] Le antenne elicoiali servono come antenne di riferimento nella calibrazione GNSS e come antenne ad alta precisione per l'indagine e la geodesia.

Identificazione della frequenza radio (RFID) nello spazio:[ Alcune missioni sperimentali utilizzano antenne elicoidale per i tag RFID passivi attaccati ai componenti della sonda per il monitoraggio dell'inventario nella microgravità.

Antenne a raggi d'arto

Le antenne a schiera phased comprendono una serie di molti piccoli elementi radianti (di solito centinaia a migliaia) le cui fasi relative sono regolate elettronicamente per guidare il fascio composito senza movimento meccanico. Questo sterzo a fascio elettronico fornisce il riposizionamento quasi istantaneo del fascio, travi simultanee multiple e la capacità di tracciare satelliti veloci-movibili, capacità che i piatti meccanici non possono corrispondere.

Arrays digitalizzati elettronicamente passivi (PESA)

In un PESA, un singolo trasmettitore/ricevitore ad alta potenza alimenta tutti gli elementi attraverso una rete di turnisti di fase. Il fascio è guidato regolando i turni di fase. I PESA sono più semplici e più economici di AESAs ma soffrono di perdite più elevate nella rete di alimentazione e capacità limitata di formare più travi indipendenti.

Arrays (AESA) a scansione elettronica attiva

Gli array phased moderni sono quasi sempre AESA, dove ogni elemento (o piccolo gruppo di elementi) ha il proprio modulo di trasmissione/ricevimento contenente un amplificatore di potenza, amplificatore a basso rumore, cambio di fase e spesso controllo di ampiezza. Questa architettura elimina le perdite di rete di alimentazione, migliora la figura del rumore e consente un degrado multiplo simultaneo, se pochi moduli falliscono, l'array continua a operare con un guadagno leggermente ridotto o la degradazione di fase del sidelobe.

Digitale di aspirazione

In una gamma digitale, ogni segnale di elemento viene convertito in dati digitali e elaborato in software. Questo consente di adattare il beamforming, null sterzo per sopprimere le interferenze, e la capacità di creare qualsiasi forma di raggio arbitrario.

Applicazioni delle antenne arrugginite

LEO Satellite Constellations:] Il terminale utente Starlink utilizza un'antenna phased array con circa 1.000 elementi per tracciare i satelliti Starlink che si muovono rapidamente attraverso il cielo. Il pannello piatto (circa 22×22 pollici) fornisce un guadagno paragonabile a un piatto di 40 cm, ma con sterzo del fascio istantanea e nessun parti motorizzate.

Military and Defense:[ I radar AESA sono standard sui moderni aerei da combattimento (F-35, F-22, Gripen E).

Satellite Tracking, Telemetry e Command (TT&C):[] Le stazioni terrestri per i satelliti LEO impiegano sempre più array phased per gestire la rapida consegna tra i satelliti mentre passano in testa. L’array PIXL dell’Agenzia Spaziale Europea a Kourou fornisce un monitoraggio flessibile per i piccoli lanciatori e CubeSats.

5G e Reti Non Territoriali:[] Le reti satellitari integrate a 5G prevedono l'utilizzo di antenne phased array sia nei payload satellitari che nei terminali degli utenti per fornire una copertura senza interruzioni, soprattutto nelle aree remote.

Tipi di antenna specializzati

Oltre le tre famiglie principali, diversi altri progetti di antenne servono nicchia ma ruoli critici nei sistemi satellitari.

Antenna corno

Le antenne a corno sono sezioni di guida ondulata che forniscono un guadagno moderato (10–25 dBi) e modelli di radiazione liscia. Sono utilizzate come feed per piatti parabolici, negli standard di misura, e come antenne primarie per il monitoraggio satellitare nelle bande di onde millimetri (ad esempio, Q/V banda 40–50 GHz). La loro larghezza di banda larga e bassa VSWR li rendono ideali per applicazioni di calibrazione e alimentazione.

Patch (Microstrip) Antenna

Le antenne di patch sono costituite da una patch metallica su un substrato dielettrico su un piano terra, sono di basso profilo, leggero e facile da fabbricare, rendendole popolari per antenne terminali satellitari su aerei, droni e dispositivi portatili. Un singolo patch offre un guadagno basso (tipicamente 5-7 dBi), ma le serie di patch possono ottenere un guadagno più elevato e uno sterzo elettronico.

Riflessioni

I Reflectarrays combinano il fattore di forma piana di un array phased con l'efficienza di un riflettore. Sono costituiti da una serie di elementi stampati su una superficie piana che viene illuminata da un corno di alimentazione. Ogni elemento è progettato per riflettere l'onda incidente con uno specifico spostamento di fase, creando un raggio concentrato.

Criteri di selezione: Tipo di antenna corrispondente all'applicazione

La scelta del tipo di antenna satellitare giusto richiede il bilanciamento delle prestazioni tecniche, robustezza ambientale, costi e vincoli fisici.

  • Banda di frequenza:[ Le frequenze più basse (L-band 1-2 GHz, S-band 2-4 GHz) permettono di progettare antenne più semplici come elica e piccole patch ma richiedono riflettori più grandi per un guadagno elevato.
  • Gain e Beamwidth Requisiti:[ Alto guadagno ( > 30 dBi) di solito detta un piatto parabolico, soprattutto per i collegamenti GEO. Per le costellazioni LEO, una schiera phased con guadagno moderato (20–30 dBi) basta a causa della lunghezza del percorso più breve e la necessità di uno sterzo veloce.
  • Mobilità e puntamento:[[] Se il terminale è stazionario, un piatto a base meccanica è conveniente. Per piattaforme mobili (veicolare, aereo, marittimo), una serie elettronicamente steered o un'antenna elicoidale a basso profilo è migliore.
  • Polarizzazione:[] La polarizzazione circolare è preferita per applicazioni mobili e spaziali dove l'orientamento è imprevedibile. La polarizzazione lineare è spesso utilizzata per collegamenti a punto fisso con un allineamento attento.
  • Condizioni ambientali:[[]] Le antenne nelle regioni tropicali devono sopportare elevata umidità, carichi eolici e fulmini. I riflettori dovrebbero avere radomi o rivestimenti resistenti alla corrosione.
  • Costo e complessità:[[] Le antenne Dish sono hardware di merce per la TV di consumo, costando decine di dollari per piccole unità. Le matrici di fase sono complesse e costose, ma la produzione di massa e la legge di Moore stanno abbassando i costi; il terminale utente di Starlink è riferito a costare circa $600 per la produzione.

Tendenze future nella tecnologia di Antenna satellitare

Molti sviluppi stanno modellando la prossima generazione di antenne satellitari. Il più significativo è la mossa verso antenne antenne a galleggiante, elettronicamente sterili[] basato su metamateriali, cristalli liquidi, o materiali di cambio di fase. Queste antenne promettono di essere più sottili, più leggeri e più economici rispetto agli attuali array phased.

La comunicazione ottica e terahertz[[] spingerà le antenne verso i terminali laser free-space, ma le antenne RF resteranno dominanti per la trasmissione e la navigazione. L'integrazione di antenna e pannello solare[ (il cosiddetto “antetar”) è in fase di esplorazione per i satelliti per salvare l'area.

Infine, sistemi satellitari distribuiti[[[]] come i paludi CubeSat utilizzeranno collegamenti intersatellite con piccoli array phased, consentendo una formazione autonoma che vola e distribuisce il rilevamento.

Conclusioni

Le antenne satellitari sono un campo maturo ma dinamico, con piatti parabolici, elicali e array phased che occupano nicchie distinte nell’ecosistema di comunicazione. I riflettori Parabolic offrono un guadagno senza pari per i collegamenti GEO e le missioni spaziali. Gli eleosi forniscono una polarizzazione circolare semplice e a basso guadagno per applicazioni mobili e spaziali.

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