Frank S. Marzano, Pasquale Salemme Sapienza Università di Roma - Dipartimento di Ingegneria dell Informazione, Elettronica e Telecomunicazioni Elio Restuccia Ministero dello Sviluppo Economico - Dipartimento per le Comunicazioni - ISCOM Fernando Consalvi Fondazione Ugo Bordoni REAlIzzAzIonE di una StAzIonE RICEvEntE PER StudI di PRoPAgAzIonE In AtMoSFERA A 40 ghz (REALIzATIOn OF A 40 GHz BAnD RECEIvInG STATIOn FOR PROPAGATIOn RESEARCH In ATMOSPHERE) Sommario L articolo descrive lo studio e la realizzazione di una stazione ricevente per il satellite AlphaSat in banda Q (40 GHz) sita in Roma. Per l implementazione sono stati utilizzati componenti di una stazione ricevente non più in uso, dedicata a precedenti esperimenti di propagazione, con grande vantaggio dal punto di visto economico. Inoltre, non è previsto il tracking in quanto l antenna in uso limita a meno di 2 db la variazione del livello ricevuto per moto apparente del satellite entro circa ±1 grado. Abstract This paper illustrates the study and realization of a Q- band (40 GHz) receiving station for AlphaSat satellite, located in Rome. Components of an unused receiving station, dedicated to previous propagation experiments, have been used with a great advantage from economic point of view. Tracking hasn t been designed because used antenna minimizes received power level variations, due to satellite apparent movement up to about ± 1 degree, in only 2 db. 1. Introduzione Oggi cresce l esigenza di disporre, anche per le radiocomunicazioni satellitari, di larghezza di banda sempre più elevata e cresce la spinta ad esplorare la possibilità di sfruttamento di gamme di frequenze sempre più alte, che possano sostenere la capacità trasmissiva richiesta, cosa non più facilmente possibile alle frequenze inferiori ormai pesantemente impegnate [1]. La propagazione nelle gamme di frequenze elevate, tuttavia, subisce maggiormente gli effetti dovuti ai componenti atmosferici, tali da ridurre drasticamente la disponibilità del collegamento in condizioni meteorologiche avverse [2], [3], [4]. Al fine di approfondire gli studi ed integrare i dati già disponibili sui fenomeni di degradazione delle prestazioni del canale spaziale in banda Ka (20 GHz) e Q (40 GHz), l Agenzia Spaziale Europea ha previsto il lancio del satellite AlphaSat, con il quale sarà possibile condurre ulteriori studi di radiopropagazione grazie ad un carico tecnologico dimostrativo denominato TDP5 (Technology Demonstrator Payload 5) [5]. A tal proposito, presso il Laboratorio Microonde dell Istituto Superiore delle Comunicazioni e delle Tecnologie dell'informazione è in fase di sviluppo una stazione ricevente in banda Q progettata in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni (DIET) della Sapienza Università di Roma e con la Fondazione Ugo Bordoni (FUB). Per la realizzazione del ricevitore sono stati utilizzati componenti di una stazione ricevente, non più in uso, dedicata a precedenti esperimenti di propagazione, con un grosso vantaggio dal punto di vista economico. Inoltre non è previsto il tracking in quanto l antenna in uso limita a meno di 2 db la variazione del livello ricevuto per moto apparente del satellite entro circa ±1 grado. 2. Architettura della stazione ricevente In Fig. 1 è rappresentato uno schema semplificato del sistema ricevente, costituito da una parte da 93
Frank S. Marzano, Pasquale Salemme, Elio Restuccia, Fernando Consalvi Fig. 1 Schema semplificato del sistema ricevente Fig. 3 Blocco LNA e prima conversione Fig. 2 Schema a blocchi della stazione ricevente installare in esterno ed un altra in interno. Gli elementi principali della parte esterna sono l antenna di ricezione, il Front-End e le due catene di conversione a frequenza intermedia. In interno è previsto l uso di un ricevitore a 70 MHz (Satellite Beacon Receiver, SBR) e di un datalogger, destinati all acquisizione del segnale proveniente dal satellite. Si descrivono nel seguito sommariamente i componenti del ricevitore, facendo riferimento allo schema a blocchi più dettagliato di Fig. 2: Per la ricezione del segnale AlphaSat TDP5 (banda Q) si usa un sistema a due conversioni di frequenza in cascata. Il segnale a radiofrequenza a 39,402 GHz transita attraverso un filtro passa-banda in guida d onda e procede verso un amplificatore a basso rumore (LnA), le cui caratteristiche sono determinanti per quanto riguarda la cifra di rumore dell intero sistema ricevente. Dopo l LnA viene effettuata una prima conversione (Fig. 3) che produce una frequenza intermedia IF1 di 3,406 GHz, utilizzando un oscillatore locale ad alta stabilità a 35,996 GHz, dotato di monitoria di controllo del livello. Il secondo convertitore (Fig. 4) trasla la IF1 a 3,406 GHz in una IF2 a 70 MHz. Il suo oscillatore locale è agganciabile ad un riferimento esterno (campione di frequenza a fascio di cesio presente in ISCTI), che consente la migliore stabilità di frequenza. Il segnale IF2 a 70 MHz viene opportunamente amplificato per portarlo al livello richiesto dalle specifiche dell SBR che, posizionato in interno, è dotato Fig. 4 Seconda conversione ed amplificatore ad IF2 Fig. 5 Blocchi interconnessi e banco di misura di rivelatore logaritmico e fornisce in uscita una tensione inviata al gruppo datalogger-computer per l acquisizione dati. 3. Misure di laboratorio Di seguito vengono descritti, per i componenti principali del ricevitore, i banchi di misura e riportati i relativi risultati ottenuti. 94
REALIzzAzIOnE DI UnA STAzIOnE RICEvEnTE PER STUDI DI PROPAGAzIOnE In ATMOSFERA A 40 GHz (REALIzATIOn OF A 40 GHz BAnD RECEIvInG STATIOn FOR PROPAGATIOn RESEARCH In ATMOSPHERE) Fig. 7 Schema del metodo del confronto con un antenna calibrata Fig. 6 Antenna a tromba conica Antenna: il ricevitore dispone di un antenna a tromba conica (Fig. 6), con banda di frequenze di funzionamento 40,5-42,5 GHz, leggermente superiore a quella richiesta ma comunque adatta al progetto, come confermato dai risultati. L antenna è dotata di feeder in guida d onda rettangolare che discrimina la polarizzazione lineare del campo e.m. ricevuto. Le misurazioni sono state eseguite in un ambiente indoor, idoneo a misure di campo e.m. a microonde, dotato di pannelli anecoici disposti su parte del soffitto, sulla parete posteriore dell antenna sotto test e su tre carrelli, liberi di essere disposti all interno dell ambiente, in modo da ottimizzare la misura eliminando gli echi elettromagnetici maggiormente dannosi. Sono stati misurati il guadagno, l angolo a 3 db del lobo principale e tracciati i diagrammi di radiazione copolare e cross-polare (sia nel piano azimutale che zenitale) entro ±11 gradi attorno alla direzione del massimo. nella Tabella 1 si sintetizzano i risultati ottenuti. Tab. 1 Risultati della caratterizzazione dell antenna conica La misura del guadagno massimo è stata ottenuta con il metodo del confronto con un antenna calibrata. Lo schema di misura è riportato in Fig. 7. Il metodo consiste nel confrontare l antenna sotto misura con un antenna di guadagno noto, utilizzando la relazione seguente: G ut dbi = G ant ref dbi - DP r db (1) dove DP r db = P Rant ref dbm - P Rant ut dbm. La misura è stata eseguita ad una distanza di circa 4 m, inferiore a quella prevista per la zona di campo lontano (2D 2 /l @ 16 m, con D diametro di bocca dell antenna). La correzione del risultato, peraltro piccola, è stata eseguita secondo la metodologia indicata in letteratura [6], [7]. Utilizzando i valori di Tabella 1, si può calcolare ora l efficienza d apertura massima che, definita come rapporto tra l area efficace e l area geometrica d apertura: (2) vale circa 0,6. L antenna conica è stata posizionata su di un supporto girevole (Fig. 8), nel piano azimutale, dotato di scala graduata in gradi e di un nonio, grazie al quale è stato possibile apprezzare fino a 10 primi di grado. È stato quindi tracciato il diagramma di radiazione copolare e cross-polare (entrambi sia nel piano azimutale che zenitale, ±11 gradi a passi di 10 primi). I risultati sono stati normalizzati rispetto alla potenza ricevuta massima. Si riportano nelle Figg. 9-10 i grafici ottenuti per i due diagrammi di radiazione copolare. nella Tabella 2 si riportano i principali parametri ricavati. Si riportano nelle Figg. 11-12 i grafici del diagramma di radiazione cross-polare (±2 gradi a passi di 10 primi) nel piano azimutale e zenitale, normalizzati e 95
Frank S. Marzano, Pasquale Salemme, Elio Restuccia, Fernando Consalvi Fig. 11 Confronto tra polarizzazione copolare e crosspolare, piano azimutale Fig. 8 Antenna montata su di un supporto rivestito di pannelli anecoici Fig. 12 Confronto tra polarizzazione copolare e crosspolare, piano zenitale Fig. 9 Diagramma di radiazione copolare nel piano azimutale confrontati con la traccia del diagramma di radiazione copolare per evidenziare la discriminazione di cross-polarizzazione. L antenna in uso non prevede il tracking in quanto limita a meno di 2 db la variazione del livello ricevuto per depuntamento dovuto al moto apparente del satellite entro circa ±1 grado. Fig. 10 Diagramma di radiazione copolare nel piano zenitale Tab. 2 Parametri d antenna nei piani azimutale e zenitale Fig. 13 Gruppo LNA 96
REALIzzAzIOnE DI UnA STAzIOnE RICEvEnTE PER STUDI DI PROPAGAzIOnE In ATMOSFERA A 40 GHz (REALIzATIOn OF A 40 GHz BAnD RECEIvInG STATIOn FOR PROPAGATIOn RESEARCH In ATMOSPHERE) Fig. 14 Modulo del parametro di scattering s 21 gruppo amplificatore a basso rumore (lna): il gruppo sotto test (Fig. 13) è costituito da un isolatore (posto a valle dell antenna), da un filtro a RF (che elimina eventuali segnali indesiderati, in particolare la frequenza immagine di prima conversione a 32,590 GHz), dall LnA e da un isolatore in uscita. Utilizzando un analizzatore vettoriale di reti è stato valutato il guadagno dell intero blocco (Fig. 14), misurando il modulo del parametro di scattering s 21 al variare della frequenza nel range 32-47 GHz. Si nota che, alla frequenza di lavoro, il guadagno è di circa 17,3 db. Successivamente si è valutata la cifra di rumore dell intero gruppo sotto test, utilizzando il metodo del fattore Y. Le note che seguono lo descrivono sinteticamente (per maggiori dettagli vedere [8], [9]). Si fa uso di una sorgente di rumore che ha due condizioni di lavoro, alimentata e non, in corrispondenza delle quali essa fornisce potenze di rumore a due temperature equivalenti diverse. Il rapporto (3) Fig. 15 Schema di misura della cifra di rumore del blocco LNA dove N on ed N off sono le potenze di rumore misurate in corrispondenza dei due stati della sorgente di rumore. La sorgente è pilotata da un misuratore di cifra di rumore che esegue in modo automatico le varie fasi di misura e restituisce il risultato. Lo schema di misura è riportato in Fig. 15. Essendo la frequenza di lavoro dell LnA 39,402 GHz, superiore a quella massima operativa del misuratore di cifra di rumore (2,047 GHz), il sistema di misura deve necessariamente contenere un convertitore costituito da un mixer ed un generatore, che funge da oscillatore locale, per traslare in basso la frequenza di lavoro. La rumorosità dell intero sistema di misura viene tenuta in conto mediante una prima fase di calibrazione del sistema. La misura si svolge infatti in due fasi: 1. fase di calibrazione: si connette la sorgente di rumore direttamente all ingresso del mixer e si attiva la procedura di calibrazione. La frequenza del segnale in uscita al mixer è di 30 MHz ma l EnR db impostato è quello a 39,402 GHz (11,19 db). 2. fase di misura (Fig. 16): si inserisce il dispo- definito EnR (Excess Noise Ratio), è il parametro caratteristico di ogni sorgente di rumore, viene calibrato dal costruttore ed è riportato sulla sorgente stessa sotto forma di tabella in funzione della frequenza. Si definisce con Y il rapporto: (4) Fig. 16 Fase di misura della cifra di rumore del blocco LNA 97
Frank S. Marzano, Pasquale Salemme, Elio Restuccia, Fernando Consalvi Tab. 3 Parametri di misura e cifra di rumore del blocco LNA sitivo sotto prova tra la sorgente di rumore e il sistema di misura. I risultati, riportati in Tabella 3, si ricavano elaborando i valori del rapporto Y ottenuti durante le due fasi di misura. Prima conversione: essa viene effettuata mediante un mixer in guida d onda ed un oscillatore locale operante a frequenza 35,996 GHz. Il segnale in uscita all LnA (39,402 GHz) è quindi traslato a IF1 3,406 GHz. Il blocco comprende anche gli isolatori connessi alle tre porte del mixer. È stata misurata la perdita di conversione del blocco (Fig. 17) utilizzando un misuratore di potenza dotato di sensore di tipo sensibile. I parametri di misura ed i risultati ottenuti sono Fig. 17 Schema e banco di misura della perdita di conversione del mixer Tab. 4 Parametri di misura e perdita di prima conversione Fig. 18 Schema e banco di misura della cifra di rumore del blocco mixer riassunti in Tabella 4. Per la misura di cifra di rumore lo schema di misura è simile a quello precedente ed è riportato in Fig. 18 insieme alla fotografia del banco. Anche in questo caso la frequenza d uscita del dispositivo sotto prova è superiore al range d ingresso del misuratore di cifra di rumore ed è necessario quindi inserire nel sistema di misura un convertitore che trasli la IF1 (3,406 GHz) ad una frequenza più bassa. A tale scopo è stato utilizzato il blocco convertitore di seconda IF presente nella catena di ricezione (descritto successivamente), il quale converte la IF1 3,406 GHz in IF2 70 MHz. Il contributo dovuto alla frequenza immagine è fortemente attenuato dal filtro RF in ingresso e quindi la misura è di tipo a singola banda laterale. Il risultato può essere depurato dall errore dovuto all attenuazione di 0,5 db dello stesso filtro (non presente nella catena di prima conversione), ottenendo quindi la cifra di rumore del blocco mixer. La misura si effettua come già descritto per l LnA, con la differenza che in questo caso le frequenze di ingresso ed uscita del dispositivo sotto prova sono diverse. Ciò comporta l uso di due EnR db diversi nelle fasi di calibrazione e di misura (Fig. 19). 98
REALIzzAzIOnE DI UnA STAzIOnE RICEvEnTE PER STUDI DI PROPAGAzIOnE In ATMOSFERA A 40 GHz (REALIzATIOn OF A 40 GHz BAnD RECEIvInG STATIOn FOR PROPAGATIOn RESEARCH In ATMOSPHERE) Fig. 19 Fase di misura della cifra di rumore del blocco mixer Fig. 22 Risposta in frequenza del convertitore IF1-IF2 Tab. 5 Parametri di misura e cifra di rumore del blocco mixer Si riportano in Tabella 5 i parametri utilizzati nella caratterizzazione e i risultati ottenuti. Seconda conversione: il secondo convertitore si presenta come un blocco unico e trasla la IF1 a 3,406 GHz in IF2 a 70 MHz utilizzando un proprio oscillatore locale a 3,336 GHz contenuto al suo interno. Il banco di misura del guadagno di conversione IF1- IF2 è molto semplice e si basa sull uso di un generatore RF e di un analizzatore di spettro (Fig. 20). La misura è stata effettuata iniettando un segnale a frequenza 3,406 GHz alla porta IF1 d ingresso del convertitore e misurando il dislivello tra l ingresso e l uscita. Il guadagno del blocco di conversione IF1- IF2 è di circa 32 db (Fig. 21). In Fig. 22 è riportata la risposta in frequenza del convertitore da 10 a 130 MHz; essa si presenta piatta nel range IF2 67-73 MHz. Fig. 20 Banco di misura per il guadagno di seconda conversione Fig. 23 Schema di misura per la cifra di rumore del convertitore IF1- IF2 Fig. 21 Segnale in ingresso a 3,406 GHz ed in uscita a 70 MHz Tab. 6 Parametri di misura e cifra di rumore del convertitore IF1-IF2 99
Frank S. Marzano, Pasquale Salemme, Elio Restuccia, Fernando Consalvi Successivamente si è valutata la cifra di rumore del convertitore utilizzando lo schema di misura illustrato in Fig. 23. Si riportano in Tabella 6 i parametri utilizzati nella caratterizzazione ed il risultato ottenuto. Il filtro a RF, con banda passante di circa 3 GHz, pur attenuando di oltre 60 db l immagine relativa alla prima conversione (32,590 GHz), non può eliminare quella di seconda conversione (3,226 GHz) riportata ad RF (39,262 GHz). Grazie al filtraggio in ingresso da parte del secondo convertitore si ottiene, tuttavia, una soddisfacente reiezione, risultata pari a circa 48 db. Satellite Beacon Receiver (SBR): il segnale all uscita della seconda conversione, dopo uno stadio di amplificazione ad IF2, è inviato al Satellite Beacon Receiver (SBR), ricevitore a doppia conversione di frequenza, che fornisce in uscita una tensione continua V dc la cui ampiezza è legata al livello del segnale in ingresso. Di seguito si riportano le specifiche dello strumento: - frequenza d ingresso: 70 MHz ± 200 khz; - livello in ingresso da -30 dbm a -50 dbm per densità di potenza di rumore in ingresso di -82 dbm/hz; - banda B del PLL: selezionabile manualmente a 3 khz, 1 khz, 300 Hz, 100 Hz e 30 Hz; - C/N 0 minimo per l aggancio: 30 dbhz (B = 100 Hz). L SBR cerca ed aggancia automaticamente un segnale in ingresso la cui frequenza sia entro la sua banda di ricerca, centrata intorno a 70 MHz. È possibile inoltre scegliere il tempo di ricerca in un limitato intervallo di frequenze attorno all ultima posizione di aggancio da un minimo di un minuto ad un massimo di otto. Trascorso tale periodo l SBR effettua una scansione dell intera banda (± 200 khz). La tensione di uscita V dc costituisce l informazione all uscita della stazione ricevente e verrà registrata tramite gruppo datalogger-computer. Cifra di rumore totale: terminata la fase di caratterizzazione dei vari componenti costituenti il sistema ricevente, si è assemblato il tutto ed è stata misurata la cifra di rumore totale dall ingresso RF all uscita IF2 a 70 MHz del secondo convertitore. Utilizzando la metodologia precedentemente descritta è stata effettuata la misura ottenendo il risultato illustrato in Tabella 7. Il valore di cifra di rumore dell intera catena RF- IF2 è essenzialmente determinato dal blocco LnA, che, come visto in precedenza, presenta una cifra di Tab. 7 Parametri di misura e cifra di rumore del blocco RF-IF2 Tab. 8 Cifra di rumore e guadagno dei singoli blocchi rumore pari a 4,46 db. Il risultato è stato confrontato con quello teorico, applicando la formula della cifra di rumore di una cascata di componenti: (5) nel nostro caso la (5) viene applicata per n = 3. Per comodità si riportano in Tabella 8 i valori di cifra di rumore, valutati con il misuratore di cifra di rumore, ed i valori di guadagno, valutati nei vari casi o con l analizzatore di spettro o con quello di reti. Applicando la (5) ed utilizzando i valori in Tabella 8 si ottiene la cifra di rumore F tot della catena RF-IF2, pari a circa 4,67 db. Tale valore teorico si discosta di 0,36 db rispetto a quello misurato al banco, differenza dovuta presumibilmente alla composizione delle incertezze delle varie misure. 4. link Budget per il sito di Roma Analisi teorica nel paragrafo corrente si procederà al calcolo delle prestazioni del collegamento satellitare in banda Q in termini di: attenuazione supplementare totale (in accordo con le raccomandazioni ITU-R [4]), potenza ricevuta, temperatura di antenna, temperatura di rumore di sistema, rapporti G/T e C/N, tutti in funzione della probabilità p che il valore sia ecceduto o meno a seconda del parametro considerato. Caratteristiche TDP5, banda Q, satellite AlphaSat [10]: frequenza portante f =39,402 GHz guadagno massimo d antenna G PL = 26,7 dbi diametro antenna trasmittente D PL = 0,6 m 100
REALIzzAzIOnE DI UnA STAzIOnE RICEvEnTE PER STUDI DI PROPAGAzIOnE In ATMOSFERA A 40 GHz (REALIzATIOn OF A 40 GHz BAnD RECEIvInG STATIOn FOR PROPAGATIOn RESEARCH In ATMOSPHERE) ampiezza del fascio a metà potenza θ 3dB = 9 potenza trasmessa dal payload PPL = 2,7 dbw Caratteristiche stazione ricevente (Roma ISCTI) [11]: Lat 41 49 53,18 n, Long 12 27 58,56 E diametro antenna ricevente D R = 0,245 m ampiezza del fascio a metà potenza θ 3dB = 2,17 efficienza d apertura η R = 0,6 guadagno massimo d antenna G R = 37,9 dbi cifra di rumore del ricevitore N FR = 5,03 db temperatura di rumore del ricevitore T R = 633,41 K perdite in guida L fr = 0,1 db perdite per depointing L r =1 db temperatura fisica del ricevitore T 0 = 290 K temperatura di rumore della superficie terrestre T gr = 30 K temperatura media del mezzo atmosferico @ 0.1% del tempo T m = 280 K banda del PLL del ricevitore B = 100 Hz (20 dbhz) Una volta note le caratteristiche del sistema in esame si può procedere al calcolo dei diversi contributi di attenuazione per ottenere, per una data probabilità p, la potenza ricevuta all ingresso della catena RF del ricevitore: seguenti relazioni: dove T C = 2,7 K è la temperatura di fondo cosmico, k B = 1.3806*10-23 J/K è la costante di Boltzmann e P R_ISO è la potenza ricevuta considerando il guadagno dell antenna in ricezione pari a 0 dbi. Il listato MatLab [12] utilizzato permette di calcolare, servendosi delle relazioni introdotte, il link budget di Tabella 9 per la stazione ricevente considerata. I modelli ITU-R limitano la loro validità tra lo 0,001% e il 50% [4]. Oltre il 50%, l atmosfera si può considerare chiara ed a minima attenuazione. (6) dove L fs è l attenuazione di spazio libero (tra due antenne isotrope) e A T (p) è l attenuazione supplementare totale espressa in db, (7) Fig. 24 Attenuazione supplementare totale e contributo di pioggia [db] con d distanza satellite-stazione ricevente (~36000 km). La temperatura di rumore d antenna, la temperatura di rumore di sistema, il rapporto G/T e il rapporto C/N possono essere calcolate mediante le Tab. 9 Link Budget Fig. 25 Potenza ricevuta da un antenna isotropa e potenza effettiva [dbw] 101
Frank S. Marzano, Pasquale Salemme, Elio Restuccia, Fernando Consalvi Tab. 10 Confronto dei valori di C/N [db] tra simulazione MatLab e misure al banco (B = 100 Hz) Fig. 26 C/N e C/N 0 statistici [db e dbhz] Fig. 28 Grafico del confronto dei C/N Fig. 27 G/T statistici [db/k] Il valore di C/N stimato è almeno 4,9 db per il 99,9% del tempo. Inoltre per il calcolo si è ipotizzato che la superficie della bocca dell antenna ricevente sia completamente asciutta e pulita e che le condizioni di trasmissione del satellite siano stabili. nelle Figg. 24-27 sono riportate le curve relative ai parametri che definiscono il Link Budget. Prodotte grazie a simulazione MatLab [12], esse offrono un analisi qualitativa dei valori della Tabella 9. Si descriverà la misurazione dei valori di C/N della catena RF-IF2 del ricevitore. Sono state prese in considerazione le potenze P RF ricevute riportate nella seconda colonna del Link Budget (Tab. 9). Per compensare parzialmente il peggioramento dovuto all impiego di un antenna con guadagno inferiore a quello consigliato dall ESA [10], si è scelto di ridurre la banda PLL da 1 khz a 100 Hz, migliorando il rapporto C/N di 10 db. Il banco di misura prevede l utilizzo di un generatore RF impostato a 39,402 GHz seguito da opportuna attenuazione, in modo da simulare la ricezione da satellite. Il livello del generatore viene impostato tenendo conto di tale attenuazione. Il segnale a frequenza IF2 (70 MHz) in uscita dal blocco di seconda conversione viene applicato all in- Fig. 29 Schema di simulazione della ricezione verifiche di laboratorio Fig. 30 Grafico tensione V dc in uscita dall SBR Livello in ingresso P RF 102
REALIzzAzIOnE DI UnA STAzIOnE RICEvEnTE PER STUDI DI PROPAGAzIOnE In ATMOSFERA A 40 GHz (REALIzATIOn OF A 40 GHz BAnD RECEIvInG STATIOn FOR PROPAGATIOn RESEARCH In ATMOSPHERE) gresso dell analizzatore di segnali, che è in grado di misurare il rapporto C/N nella banda prescelta (B = 100 Hz). I risultati saranno confrontati con quelli ricavati dalla simulazione MatLab. nello schema di misura non è incluso lo stadio di amplificazione ad IF2, in quanto il suo effetto sul C/N è trascurabile. I relativi risultati ottenuti sono riassunti in Tabella 10. I vari rapporti C/N sono leggermente migliori rispetto ai valori simulati in ambiente MatLab (Fig. 28). Infine è stato provato l intero sistema comprendendo l SBR (Fig. 29) con banda B del PLL pari a 30 Hz, in modo da verificare la stabilità di aggancio anche con questo valore. La Fig. 30 mostra il grafico potenza d ingresso RF - tensione di uscita V dc ottenuto. Si è verificato che il livello più basso di potenza ricevuta P RF con aggancio stabile da parte dell SBR è di circa -136 dbm, corrispondente ad una probabilità di fuori servizio inferiore allo 0,2%. Con potenza ricevuta minore l aggancio diventa instabile, fino alla completa perdita del segnale per potenze inferiori a - 140 dbm. 5. Conclusioni Sono state descritte la caratterizzazione dei componenti, il progetto e l implementazione di una stazione ricevente destinata alla raccolta dei dati sperimentali di propagazione con il satellite AlphaSat in banda Q (40 GHz). Per la realizzazione del ricevitore sono stati utilizzati componenti di una stazione ricevente, non più in uso, dedicata a precedenti esperimenti di propagazione. Ciò da una parte ha comportato un grande vantaggio dal punto di visto economico ma dall altra vincoli nelle scelte progettuali, che hanno condotto alla configurazione di sistema descritta (per maggiori dettagli vedere [11]). Ovviamente le prestazioni verificate al banco, pur dimostrando la validità della soluzione proposta rimangono sempre migliorabili con la tecnologia oggi disponibile, in particolare per quanto riguarda l antenna e l amplificatore a basso rumore, che determinano in gran parte le prestazioni globali del sistema ricevente. La verifica finale potrà essere fatta dopo la messa in orbita del satellite AlphaSat e le prestazioni descritte in questo articolo potranno essere vagliate dopo un congruo periodo di registrazione dei dati acquisiti. 6. Ringraziamenti Gli Autori ringraziano il personale dell ISCTI, in particolare la Dott.ssa Rita Forsi, Direttore dell Istituto Superiore delle Comunicazioni e delle Tecnologie dell Informazione, e l Ing. Giuseppe Pierri, Dirigente della Divisione Iv - Comunicazioni Elettroniche Sistemi e Servizi, per la disponibilità dimostrata e ringraziano, inoltre, il Sig. Roberto Dal Molin per il supporto tecnico fornito ed il Sig. Simone Chicarella della Sapienza Università di Roma per la realizzazione del sostegno adattatore meccanico d antenna che ne ha reso possibile la caratterizzazione. 103
Frank S. Marzano, Pasquale Salemme, Elio Restuccia, Fernando Consalvi BIBlIogRAFIA [1] G. Maral and M. Bousquet, Satellite Communications Systems 5th Ed., Wiley & Sons Ltd (Chichester, UK), 2009. [2] G. Brussaard and P.A. Watson, Atmospheric modelling and millimetre wave propagation, Chapman & Hall, London (UK), 1995. [3] F. S. Marzano and C. Riva, Evidence of long-term correlation between clear-air scintillation and attenuation in microwave and millimeter-wave satellite links, IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 47, pp. 1749-1757, 1999. [4] ITU-Radiocommunication, Recommendations P.618-9, P.676-7, P.840-3, Geneva (CH), 2007. [5] A. Paraboni, C. Riva, C. Capsoni, G. Codispoti, L. zuliani, v. Speziale, S. Falzini, A. Martellucci, and E. Colzi, "Propagation and radar measurements performed in Spino d'adda and the Italian planning for the AlphaSat TDP5 scientific experiment", 3rd European Conf. on Antennas and Propagation EuCAP2009, Berlin 23-27, March 2009, pp. 911-915, 2009. [6] T. Saad, Microwave Engineers Handbook, vol. 1 e 2, 1972. [7] S. Liao, Microwave Devices and Circuits, Englewood Cliffs, nj: Prentice-Hall, 1980. [8] Hewlett-Packard, Applications and Operation of the 8970A noise Figure Meter, 5952-8254. [9] S. Pisa, and E. Piuzzi, notes on Microwave measurements, Internal report, Sapienza Università di Roma, 2011. [10] ESA, AlphaSat TDP5 Scientific Experiment Link Budget Analysis, Project report, 2008. [11] P. Salemme, Satellite telecommunications at microwaves: characterization of the AlphaSat receiving system and 90-GHz radiometer (in Italian), Mater Thesis in Electronic Engineering, Sapienza Università di Roma, October 2011. [12] C. Riva and F.S. Marzano, Computing probability of total path attenuation in a given receiving site from ITU-R recommendations, Internal report, Sapienza Università di Roma, 2010. 104