ITRM20110371A1 - Terminale satellitare d'antenna ricetrasmittente operante su una o due bande di frequenza - Google Patents

Description

titolo: TERMINALE SATELLITARE D’ANTENNA

RICETRASMITTENTE OPERANTE SU UNA O DUE BANDE DI

FREQUENZA.

L’invenzione riguarda un terminale d’antenna a tre riflettori multi-banda per telecomunicazioni satellitari, “direct TV broadcasting†e applicazioni multimediali, a larga banda. Essa à ̈ posta in una unità esterna “out door†, a sua volta posta su un mezzo in movimento. Le ridotte dimensioni di detta antenna, derivanti dalla opportuna scelta del sistema ottico, facilitano il suo utilizzo in tutte le situazioni di collegamenti satellitari e terrestri da mezzi in movimento come treni, aerei, imbarcazioni, autoveicoli, ecc.. L'antenna à ̈ in grado di trasmettere e ricevere anche in situazioni critiche di collegamento con il satellite e/o con stazioni radio base. Nel corso della presente descrizione verranno spesso utilizzati termini in lingua inglese, in quanto più facilmente comprensibili agli esperti nel campo tecnico specifico. L’invenzione presentata à ̈ un ulteriore passo avanti nella specifica tecnica di cui al precedente brevetto PCT/IB2007/053034, presentato dalla stessa avente causa.

L’invenzione si colloca nel campo tecnico dell’elettronica delle telecomunicazioni, in particolare in quello applicativo delle antenne per sistemi mobili, di dimensioni contenute e quindi in quello delle telecomunicazioni in generale.

L’invenzione consiste in un’antenna per telecomunicazioni preferibilmente a tre riflettori, anche a basso profilo, posizionata su una piattaforma di puntamento meccanico in grado di movimentare il sistema ottico, o parti di esso, con un numero di assi di rotazione indipendenti minore o uguale a cinque. Per “basso profilo†si intende un’antenna le cui dimensioni sono maggiori suLpiano orizzontale rispetto a quello verticale. La particolare disposizione delle superfici dei riflettori e la loro disposizione nello spazio consentono anche di ottenere un’altezza complessiva dell'antenna molto contenuta ed inoltre consentono di realizzare una scansione del fascio elettromagnetico senza alcuna perdita di guadagno. Anche questi aspetti risultano innovativi rispetto alle precedenti soluzioni. L'antenna può inoltre effettuare la scansione del fascio in elevazione, attraverso la rotazione meccanica dell’ottica di antenna, senza l'utilizzo di giunti rotanti a radiofrequenza e mantenendo fermi l'illuminatore e tutte le sezioni a radiofrequenza ricetrasmittente, dovendo ciò alla sua originale struttura.

Uno degli elementi particolarmente innovativi dell’invenzione à ̈ permettere con semplicità, grazie alla particolare configurazione, l'utilizzo del sistema di telecomunicazioni anche su due bande di frequenza, essendo l'antenna concepita per ospitare una o due sezioni a radiofrequenza per la ricetrasmissione dei segnali elettromagnetici con la possibilità, tramite una semplice movimentazione meccanica di una delle superfici riflettenti dell’ antenna, denominata “specchio†, di utilizzare l'una o l'altra sezione a radiofrequenza ricetrasmittente. Le due superfici dello specchio, che intervengono nelle due bande, possono essere ottimizzati, indipendentemente, apportando, quindi, un ulteriore grado di libertà all’ottimizzazione congiunta delle prestazioni elettriche del terminale nelle due bande operative di funzionamento. L'invenzione utilizza inoltre in maniera del tutto innovativa la configurazione di antenna di tipo "beam waveguide", espressione specialistica che significa “guida del fascio di onde<'>elettromagnetiche†, unita alle tecniche di sagomatura delle superfici riflettenti, per la realizzazione di antenne a puntamento meccanico molto compatte a basso profilo anche asimmetrico. Per “profilo asimmetrico†si intende un'antenna con un’apertura radiante la cui dimensione in larghezza à ̈ maggiore di quella in altezza come ad esempio le aperture ellittiche, superellittiche e rettangolari.

L'utilizzo congiunto della tecnica di sagomatura della superfìcie e di quella del “beam waveguide†in antenne di piccole e medie dimensioni, ovvero di dimensioni che vanno da circa 30 a circa 100 lunghezze d'onda, consente di utilizzare il minor numero di riflettori, mantenendo alta l'efficienza complessiva dell’antenna e, nello stesso tempo, tenendo sotto controllo i livelli di cross-polarizzazione.

Il terminale satellitare d’antenna ricetrasmittente per sistemi mobili e non, à ̈ costituito da un sistema di antenna a riflettori, da una o due catene a radiofrequenza e da un sistema di puntamento, detto “tracking†, composto da una unità di controllo dell’antenna, da un ricevitore a banda stretta, da un dispositivo di estrazione del segnale di riferimento da inseguire, dall’ unità di misura inerziale IMU, dal ricevitore del segnale di posizione GPS, da una piattaforma fissa e una rotante. Il terminale à ̈ costituito, inoltre, dal dispositivo ricetrasmittente “front end†, da un sistema ottico composto da tre riflettori, da un sistema di rotazione o rototraslazione del riflettore, denominato specchio, in grado di permettere il funzionamento su due bande di frequenza. Il terminale à ̈ in grado di effettuare, senza perdita di guadagno d’antenna, rotazioni meccaniche in azimuth, in elevazione ed in polarizzazione. L’invenzione si utilizza nei collegamenti satellitari e terrestri, su mezzi in movimento e non. Essa si colloca nel campo delle telecomunicazioni.

L'invenzione mantiene anche la peculiarità del brevetto antecedente di mantenere fisse sulla piastra di rotazione di azimuth le catene a radiofrequenza, rendendo l'invenzione molto compatta ed affidabile anche in condizioni ambientali ostili per la presenza di vibrazioni, escursioni termiche e di compatibilità elettromagnetica; inoltre il terminale può essere utilizzato sia per segnali satellitari a radiofrequenza in polarizzazione lineare che in polarizzazione circolare.

L’invenzione viene di seguito descritta, facendo riferimento alle figure allegate:

Figura 1 - Rappresentazione schematica del terminale;

Figura 2 - Rappresentazione schematica degli elementi contenuti nell’unità esterna “out door†;

Figura 3 - Rappresentazione schematica delle catene a radiofrequenza; Figura 4 - Rappresentazione schematica degli assi di rotazione di azimuth e di elevazione dell’antenna;

Figura 5 - Rappresentazione schematica degli assi di rotazione delle catene a RF e dello specchio;

Figure 6 e 7 - Rappresentazione schematica delle posizioni operative dello specchio.

Fig. 8 - Rappresentazione schematica del sistema ottico di riferimento dell’antenna.

Con riferimento alle Figure 1, 2 e 3, il terminale d’antenna à ̈ costituito da una piastra di base 1 che supporta una piastra rotante 2, sulla quale sono montati tutti gli apparati per la ricezione e la trasmissione del segnale satellitare; un sistema di antenna a riflettori 3, composto da un riflettore principale 4, un riflettore secondario 5 e uno specchio 6 con una o due superfici riflettenti, collegato meccanicamente alla piastra rotante 2 mediante i supporti 7 ed a un motore di rotazione 8; una catena a radiofrequenza 9 che lavora nella prima banda di frequenza, composta da un illuminatore 10, un rotatore di polarizzazione 11, un “ortho mode transducer†12, un filtro 13, un convertitore a bassa frequenza ed amplificatore a basso rumore, detto “Low Noise Block†LNB, 14 e un adattatore da guida d’onda a cavo coassiale 15; la catena à ̈ montata su un supporto meccanico 16 dotato di cuscinetti a sfera e movimentata da un motore di rotazione 17 per il riallineamento della polarizzazione; una catena a radiofrequenza 1 8 che lavora nella seconda banda di frequenza, composta da un illuminatore 19, un polarizzatore 20, un “ortho mode transducer†OMT 21, un filtro 22, un convertitore a bassa frequenza ed amplificatore a basso rumore, detto “Low Noise Block†LNB 23 e un adattatore da guida d’onda a cavo coassiale 24; la catena à ̈ montata su un supporto meccanico 25 dotato di cuscinetti a sfera e movimentata da un motore di rotazione 26 per il cambio della polarizzazione; un amplificatore e convertitore in alta frequenza 27, detto “Block Up Converter“ BUC, per la trasmissione del segnale attraverso la catena a radiofrequenza 9, reperibile sul mercato; un amplificatore e convertitore in alta frequenza 28, detto “Block Up Conveller" BUC, per la trasmissione del segnale attraverso la catena a radiofrequenza 18, reperibile sul mercato; una connessione a radiofrequenza 29 a bassa perdita; un’unità di controllo dell’antenna 30, detta “Antenna Control Unit†ACU; unità di misura inerziale 31, detta “Inerbai Measurement Unit†IMU; un sistema di ricezione per “Global Positioning System†GPS 32; un ricevitore a banda stretta 35; un dispositivo del segnale di riferimento da inseguire 36; una copertura di protezione radio-trasparente 33, detta “Radome†.

Con riferimento alla Figura 4, la piastra rotante 2 può ruotare attorno all’asse A tramite il motore di azimuth 34 per consentire la scansione del fascio elettromagnetico nel piano di azimuth. Il sistema di antenna a riflettori 3 ruota intorno all’asse B tramite il motore 8 per consentire una scansione del fascio d’antenna nel piano di elevazione. Con riferimento alla Fig. 5, lo specchio 6 ruota intorno all’asse C, in grado di potere o non potere effettuare una traslazione, per consentire alternativamente il funzionamento della catena a radiofrequenza 9 o della catena a radiofrequenza 18. La catena a radiofrequenza 9 ruota intorno all’asse D per effettuare Γ allineamento della polarizzazione. La catena a radiofrequenza 18 ruota intorno all’asse E per effettuare rallineamento della polarizzazione. La rotazione dei componenti intorno agli assi A, B, C, D ed E può avvenire in modo indipendente.

L'illuminatore 10 trasmette il segnale elettromagnetico, sotto fonna di onda sferica, verso lo specchio 6 che lo convoglia verso il riflettore secondario 5, in modo da evitare eccessivi sbilanciamenti nell’intensità dell’illuminazione sul bordo del riflettore stesso.

Il riflettore secondario 5 a sua volta trasforma il fronte sferico o pseudo sferico proveniente dallo specchio 6 in un fronte astigmatico, rendendo pertanto disuguali i raggi di curvatura del fronte d'onda riflesso, secondo i piani principali XZ e YZ, come illustrato in Fig. 8; il fronte d’onda uscente dal riflettore secondario 5 va ad illuminare il riflettore principale 4. Il riflettore principale 4 trasforma il fronte d’onda astigmatico in un fronte d’onda piano; tale fronte piano di uscita può essere anche inclinato rispetto all’asse Z, per ridurre o addirittura eliminare il parziale bloccaggio introdotto dal riflettore secondario 5. Affinché le superfici del riflettore principale 4 e del riflettore secondario 5 realizzino quanto richiesto, si deve imporre la costanza del percorso ottico relativo ad ogni possibile raggio emanato dalla sorgente di radiazione elettromagnetica, in base al principio della “fase stazionaria†. Nel caso preferito dagli inventori, ciò non può essere ottenuto mediante una superficie del riflettore principale quadrica, ma tramite una superficie quartica, cioà ̈, considerando la superficie espressa nel sistema di assi cartesiani, Fig. 8, viene rappresentata in forma implicita da polinomi in x, y e z di quarto grado, nella maggior parte dei casi non esplicitabili in z, rispetto al sistema di coordinate XYZ di Fig. 8.

Le sezioni principali delle superfici di partenza del riflettore principale 4 e del riflettore secondario 5 prima della sagomatura, ovvero della loro ottimizzazione numerica delle superfici, si riducono a coniche, in particolare: le sezioni principali del riflettore principale 4 sono entrambe parabole, ma di diversa focale; mentre le sezioni principali del riflettore secondario 5 sono entrambe iperboli, ma di diversa focale: in generale, a seconda della geometria impostata, può essere utilizzato l’uno o l’altro ramo dell’iperbole.

Come si può notare in Fig. 8, l’ingombro del sistema ottico composto dai riflettori 4, 5, 6, risulta molto compatto rispetto all’asse Z . Inoltre, con riferimento alla Fig. 7, risulta necessario forare il riflettore principale 4 per consentire il passaggio guidato dell’energia elettromagnetica che va dallo specchio 6 al riflettore secondario 5 in trasmissione e viceversa in ricezione; tuttavia, tale foro F può essere collocato in corrispondenza della zona d’ombra, denominata “bloccaggio†, proiettata dal riflettore secondario 5 sul riflettore principale 4 parallelamente all’asse Z di Fig. 8, in modo da non introdurre ulteriori riduzioni dell’efficienza dell’antenna. Nel caso preferito dagli inventori, come descritto in Fig. 5, il foro à ̈ stato collocato nella parte inferiore del riflettore principale 4, in prossimità della piastra rotante 2. In questo modo, le catene a radio frequenza 9 e 18 sono anch’esse posizionate in prossimità della piastra rotante 2 tramite i supporti 16 e 25, riducendo gli effetti di sollecitazione meccanica tipici dei terminali mobili: ciò vale anche per il sistema ottico 3 che ruota intorno all’asse di rotazione B, in prossimità della piastra rotante 2.

Lo specchio 6, posto di fronte agli illuminatori 10 e 19, à ̈ costituito da una o due superfici riflettenti, opportunamente progettate, che hanno il compito di ruotare di circa 90° l'energia proveniente dai suddetti illuminatori e di distribuirla verso il riflettore secondario _ 5. Gli illuminatori 10 e 19 sono progettati in modo da avere un diagramma di radiazione ad altissima simmetria circolare, in questo modo, rimanendo invariata illuminazione dello specchio 6, non si introducono perdite di guadagno al variare dell’angolo di elevazione. I tre riflettori del sistema di antenna 3 si muovono solidalmente durante la scansione del puntamento nel piano di elevazione XZ ruotando intorno all'asse B, ma il loro movimento non implica quello degli illuminatori 10 e 19.

L’invenzione presentata à ̈ caratterizzata da un insieme di parti, utili tutte per il suo funzionamento.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Terminale satellitare d’antenna ricetrasmittente (Fig.l), caratterizzato dal fatto di essere operante su una o due bande di frequenza e costituito da: una piattaforma fissa 1; una piattaforma rotante 2 che può ruotare intorno all'asse A; un sistema di antenna a riflettori 3, composto da un riflettore principale 4, un riflettore secondario 5 ed uno specchio 6 con una o due superfici riflettenti, tale sistema à ̈ montato sulla piattaforma rotante 2 e può . ruotare solidalmente intorno all'asse di rotazione B; un sistema di assi di rotazione mutuamente- indipendenti A,B,C,D,E; due catene a radiofrequenza 9 e 18, operanti su due diverse bande di frequenza, che ricevono e trasmettono alternativamente l’energia elettromagnetica da e verso il sistema di antenna a riflettori 3, mediante la rotazione intorno all’asse C e una eventuale traslazione dello specchio 6 nel sistema XYZ, posizionate, dette catene, sulla piastra rotante 2 e in grado di ruotare rispettivamente intorno agli assi D ed E; un sistema di puntamento “tracking†composto da una piastra di base 1, una piastra rotante 2, un motore di azimuth 34, un motore di elevazione 8, i motori di rotazione per il riallineamento della polarizzazione 17 e 26, una unità di controllo di antenna 30, un ricevitore a banda stretta 35, un dispositivo di estrazione del segnale di riferimento da inseguire 36, una unità di misura inerziale 31 , un sistema di ricezione GPS 32; una copertura di protezione radiotrasparente 33.
2. 2. Terminale satellitare d’antenna ricetrasmittente, secondo la Riv. 1 , caratterizzato dal fatto che il sistema di antenna a riflettori 3 effettua un movimento intorno all’asse B indipendentemente dalle catene 9 e 18, ottenendo una scansione del fascio elettromagnetico in elevazione senza perdite di guadagno di antenna.
3. 3. Terminale satellitare d’antenna ricetrasmittente, secondo la Riv. 1 , caratterizzato dal fatto che il sistema di antenna a riflettori 3 é costituito preferibilmente da 3 riflettori.
4. 4. Terminale satellitare d’antenna ricetrasmittente, secondo la Riv.l, caratterizzato da-1 fatto che lo specchio 6 à ̈ dotato di due superfici riflettenti sulle sue due facce opposte.
5. 5. Terminale satellitare d’antenna ricetrasmittente, secondo la Riv.l, caratterizzato dal fatto che lo specchio 6 ruota intorno all'asse C indipendentemente dal sistema di antenna a riflettori 3 .
6. 6. Terminale satellitare d’antenna ricetrasmittente, secondo la Riv.l, caratterizzato dal fatto che le superfici riflettenti del sistema di antenna a riflettori 3 sono ottenute, ciascuna indipendentemente dall’altra, tramite ottimizzazione numerica a partire da superfici quartiche, al fine di conseguire una maggiore flessibilità nel raggiungimento delle prestazioni elettriche.
7. 7. Terminale satellitare d’antenna ricetrasmittente, secondo la Riv. 1 , caratterizzato dal fatto che il riflettore principale 4 à ̈ dotato di un foro F in posizione non centrata rispetto all’asse X e collocato nella parte inferiore del riflettore, in prossimità della piastra rotante
8. 8. Terminale satellitare d’antenna ricetrasmittente, secondo la Riv. 1, caratterizzato dal fatto di poter avere una copertura radiotrasparente 33, in grado di resistere a sollecitazioni meccaniche.
9. 9. Terminale satellitare d’antenna ricetrasmittente, secondo la Riv. 1, caratterizzato dal fatto di poter essere installato anche su mezzi mobili.
10. 10. Terminale satellitare d’antenna ricetrasmittente, secondo la Riv. 1, caratterizzato dal fatto di poter essere a basso profilo..
11. 11. Terminale satellitare d’antenna ricetrasmittente, secondo le Rivv. 1 e 7, caratterizzato dal fatto che il foro F del riflettore principale 4 può essere collocato in corrispondenza della zona d’ombra, denominata bloccaggio, che à ̈ la proiezione, secondo l’asse Z, del riflettore secondario 5 sul riflettóre principale 4.