Antenna parabolica

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Nel campo delle telecomunicazioni, con antenna parabolica s'intende un'antenna ad apertura dotata di specchio parabolico, chiamato riflettore, e può essere utilizzata sia in trasmissione sia in ricezione. Quando usata in ricezione essa è dotata di un elemento ricevente che incorpora un amplificatore a bassa cifra di rumore (LNA) e spesso un convertitore di frequenza: in tal caso l'elemento integrato prende il nome di low noise block converter (LNBC o LNB). Quando usata in trasmissione l'antenna parabolica è dotata di un elemento trasmittente che prende il nome di illuminatore, o feeder che spesso è costituito da una piccola antenna a tromba.

Le caratteristiche principali di questa tipologia di antenna sono l'alta direttività e il guadagno:[1] queste grandezze dipendono dal rapporto tra il suo diametro efficace e la lunghezza d'onda utilizzata nella rice-trasmissione: più elevato è tale rapporto maggiore sono il guadagno e la direttività. Piccole antenne riceventi (diametri dell'ordine di 60 cm) sono utilizzate, ad esempio, per ricevere trasmissioni televisive da satelliti per telecomunicazioni posti in orbita geostazionaria. Antenne paraboliche più grandi sono utilizzate nei sistemi di ponti radio, mentre grandi antenne paraboliche, con diametri che raggiungono anche più di 30 m, sono usate per comunicazioni tra satelliti e loro stazioni di controllo a terra, come ad esempio in reti satellitari.

Tipi di antenne paraboliche[modifica | modifica sorgente]

Antenna prime-focus[modifica | modifica sorgente]

Antenna prime focus

L'antenna prime-focus è una antenna parabolica a riflessione ricavata sezionando un paraboloide con un piano perpendicolare all'asse dello stesso.

Il fuoco si trova in asse con l'antenna e pertanto al centro di essa. L'LNB per captare i segnali provenienti dal satellite è montato pertanto in corrispondenza del centro del disco. Commercialmente le antenne prime-focus sono generalmente di diametro maggiore delle antenne offset.

A causa delle maggiori dimensioni, l'antenna prime-focus è meno sensibile a piccole irregolarità della superficie, anche se, a causa dell'angolo di apertura più piccolo, necessita di maggiore accuratezza nell'installazione e nel puntamento rispetto alle più comuni antenne offset.

Tuttavia, a causa della posizione di montaggio più orizzontale, rispetto alle antenne offset la pioggia o neve si possono raccogliere facilmente sul disco dell'antenna condizionando negativamente la ricezione dei segnali provenienti dal satellite.

Inoltre l'LNB e i bracci di sostegno di questo coprono con la loro ombra parte del segnale che giunge dal satellite che non colpisce pertanto la superficie del riflettore.

Antenna offset[modifica | modifica sorgente]

Tipica antenna offset

Un'antenna satellitare di tipo offset è un particolare tipo di antenna per la ricezione di segnali provenienti da satelliti geostazionari, e sono molto diffuse per la ricezione della televisione via satellite.

Un'antenna offset è costituita essenzialmente da un riflettore, in acciaio, alluminio o materiale plastico, ricavato dalla superficie di un paraboloide tagliandola con un piano non perpendicolare all'asse del paraboloide stesso. Pertanto il fuoco del paraboloide, dove sarà collocato il ricevitore LNB non è in corrispondenza del centro dell'antenna ma spostato di un angolo di offset rispetto alla verticale della parabola.

Rispetto a una tradizionale antenna prime focus, in queste antenne il segnale proveniente dal satellite colpisce la totalità della superficie del riflettore che non è coperto dall'ombra del convertitore LNB o dei bracci che lo sostengono. La superficie delle antenne offset in commercio è normalmente ellittica.

L'angolo di offset generalmente si aggira intorno ai 20-25 gradi, pertanto le parabole offset sono montate più verticalmente rispetto a una parabola prime focus. Questo si traduce in un ulteriore vantaggio, soprattutto nei paesi con latitudine elevata, dal momento che la posizione quasi verticale dell'antenna riduce il rischio che possa deformarsi a causa dell'accumulo di neve sul piatto.

Antenna toroidale[modifica | modifica sorgente]

Particolare antenna toroidale gregoriana con numerosi LNB (Ku-band)

Le antenne toroidali sono delle particolari antenne satellitari la cui superficie di riflessione è studiata in modo tale da non avere un solo punto di fuoco ma piuttosto una linea nella quale si forma il fuoco a seconda dell'incidenza del raggio da cui proviene il segnale da satelliti posti in posizione diversa tra loro.

In questo modo con un'unica antenna è possibile raccogliere il segnale proveniente da satelliti distinti. Ovviamente per ogni posizione satellitare si formerà un fuoco diverso in corrispondenza del quale sarà necessario montare l'apposito LNB. L'angolo ottimale per la ricezione dei satelliti può variare a seconda dei modelli in commercio e del disegno della superficie di riflessione da 15°-20° fino a 40°-45°.

Antenna gregoriana[modifica | modifica sorgente]

Esempio di antenna gregoriana

Le antenne gregoriane sono particolari antenne paraboliche che hanno una doppia riflessione. Una prima riflessione parabolica convoglia il segnale verso il fuoco del paraboloide primario. Un secondo riflettore (concavo) posto opportunamente prima del fuoco focalizza il segnale verso l'illuminatore posto al centro del primo riflettore parabolico.[2]

Antenna Cassegrain[modifica | modifica sorgente]

Esempio di antenna Cassegrain

Le antenne Cassegrain sono simili a quelle gregoriane. La sola differenza è che il riflettore secondario è posto dopo il fuoco primario. Ciò implica che, per focalizzare il segnale verso l'illuminatore, anche in questo caso posto al centro del primo riflettore parabolico, la sua forma deve essere convessa. Le antenne toroidali con un angolo maggiore generalmente sono di tipo gregoriano, ossia hanno una doppia superficie riflettente allo scopo di ottimizzare la linea in cui si verifica la formazione dei fuochi.[2]

Componenti[modifica | modifica sorgente]

Low Noise Block (LNB) converter[modifica | modifica sorgente]

L'antenna ricevente vera e propria non è il grosso disco parabolico, ma il piccolo apparecchio montato davanti a esso con una staffa: l'LNB. Esso è l'apparecchio che riceve il segnale riflesso dallo specchio, lo converte a frequenza più bassa e lo invia al decoder all'interno dell'abitazione.

Disco parabolico[modifica | modifica sorgente]

Il disco parabolico, chiamato riflettore, risulta necessario per la ricezione dei segnali radio da satellite, soprattutto quando quest'ultimo è estremamente lontano dalla superficie terrestre (come, ad esempio, nei satelliti per la diffusione TV che, in orbita geostazionaria, distano più di 42.000 km dal centro della terra e quindi almeno 36.000 km dalla sua superficie) tale per cui il segnale che arriva sulla Terra è estremamente debole per l'elevata attenuazione atmosferica complessiva.

La quantità di potenza che la piccola superficie dell'LNB (pochi centimetri quadrati) può ricevere è alquanto ridotta; per questo esso non è rivolto direttamente verso il satellite, ma verso il disco parabolico. Quest'ultimo invece è puntato direttamente verso il satellite, dal quale riceve l'onda elettromagnetica che costituisce il segnale televisivo; poiché lo specchio parabolico ha una superficie molto più grande di quella dell'LNB, esso riceve una quantità di energia molto maggiore; grazie alla sua forma a paraboloide (un solido di rotazione ottenuto appunto dalla rotazione di una parabola intorno al suo asse), esso riflette in un unico punto, detto fuoco, tutte le radiazioni elettromagnetiche (nell'approssimazione a raggi dell'ottica geometrica) che riceve dal satellite: posizionando l'LNB in questo punto, esso riceverà tutta la potenza di segnale raccolta dallo specchio parabolico; in questo modo, la potenza del segnale ricevuto dall'LNB sarà abbastanza alta da poter essere adeguatamente rilevata e poi elaborata dal decoder, che riceve il segnale dall'LNB per mezzo del cavo coassiale che collega i due sottosistemi.

Se si pone una fonte di luce, ad esempio, davanti a uno specchio piano, questo rifletterà la luce in varie direzioni; viceversa se invece posizioniamo la fonte di luce in corrispondenza del fuoco di una parabola, i raggi verranno riflessi dal disco parabolico tutti in un'unica direzione, paralleli l'uno all'altro. Qualcosa di analogo accade in ricezione ovvero quando i raggi vengono ricevuti dall'antenna anziché essere emessi: tutti i raggi provenienti da una direzione parallela all'asse della parabola verranno riflessi verso il fuoco; è così che il riflettore parabolico raccoglie l'energia elettromagnetica ricevuta dal satellite e la convoglia sull'LNB.

Il disco parabolico è in genere di materiale plastico, in modo da abbassare costi e peso, rivestito di materiale metallico riflettente sul lato rivolto verso l'LNB. Le dimensioni fisiche del disco devono essere almeno paragonabili alla lunghezza d'onda dell'onda incidente affinché si abbia riflessione, altrimenti il disco diventa un semplice ostacolo che l'onda riesce ad aggirare o scavalcare. Così antenne paraboliche grandi denotano una grande lunghezza d'onda d'utilizzo con impatto inevitabile anche sui costi, antenne paraboliche piccole una piccola lunghezza d'onda e costi minori.

A volte il piano di bocca del disco parabolico può essere coperto da materiale dielettrico, anche 'bombato' (radome), senza interferire con la propagazione elettromagnetica, in modo da evitare disturbi atmosferici come gli accumuli di acqua, neve e condensa.

Antenne paraboliche di uso domestico[modifica | modifica sorgente]

Puntamento[modifica | modifica sorgente]

L'accuratezza necessaria nel puntamento di un'antenna parabolica dipende dalla sua direttività. Il calcolo può essere basato sul criterio di Rayleigh ed effettuato secondo la seguente formula:

 d = 1{,}22 \frac{\lambda}{D}\ =  \ 1,22 c/fD

dove λ è la lunghezza d'onda impiegata, D è il diametro del riflettore (espressi nella stessa unità di misura) e d è l'ampiezza del lobo principale espressa in radianti, inversamente proporzionale alla direttività.

Nel caso di un satellite per diffusione televisiva in banda Ku (p.es. Hot Bird) ricevuto dall'Italia, abbiamo:

 \lambda \approx  0{,}03 \; m
D \approx 0{,}6 \; m

da cui risulta:

d \approx 0{,}05 \; rad \; (3 ^\circ )

quindi possiamo stimare che l'errore angolare ammissibile è dell'ordine del grado. In altri termini tanto più l'antenna è direttiva cioè tanto più il lobo principale è stretto (per lambda piccolo e D grande) tanto più l'antenna ricevente diventa sensibile a un eventuale errore di puntamento dalla direzione esatta di puntamento dell'antenna trasmittente.

Per poterla orientare correttamente, l'antenna parabolica viene montata su un supporto che ne permette la regolazione in azimut ed elevazione; inoltre l'LNB (nel caso di segnali a polarizzazione lineare) può essere ruotato sul suo asse per permetterne il corretto allineamento; inoltre è opportuno l'utilizzo di uno strumento di misura che permetta di sapere quando puntamento e allineamento dell'LNB sono abbastanza corretti.

Alcuni decoder sono dotati internamente di un visualizzatore che mostra sullo schermo del televisore, in ogni istante, qual è la potenza del segnale ricevuto dall'antenna, permettendo così il montaggio corretto della parabola, a patto ovviamente che la persona che installa la parabola abbia la possibilità di osservare il televisore o di comunicare in tempo reale con qualcuno che può vederlo.

Per puntare correttamente la parabola occorre conoscere quali devono essere il suo azimut e la sua elevazione, che dipendono da dove la parabola è collocata. Essendo le coordinate delle località italiane variabili tra 6 e 18 gradi di longitudine est e 37 e 47 gradi di latitudine nord, non esistono valori universali per il puntamento della parabola verso i satelliti della flotta Hot Bird, ma si avranno valori differenti da località a località.

Tali valori possono essere calcolati tramite complesse formule matematiche, oppure dedotti in maniera approssimativa da tabelle precompilate, reperibili su Internet o talvolta pubblicate su riviste specializzate sulla televisione satellitare.

Le formule da utilizzare per calcolare azimut e elevazione per il puntamento di una parabola verso un qualunque satellite (non solo Hot Bird) sono le seguenti:

v1 = 6,612 * cos(LAT)*cos(LONG-SATLONG)-1
v2 = 6,612 * sqrt(1-(cos(LAT)^2) * (cos(LONG-SATLONG))^2)
Elevazione = atan(v1/v2)
Azimut = 180 + atan( tan(LONG-SATLONG) / sin(LAT))
POLARIZZAZIONE =  -atan( sin(LONG-SATLONG)/tan(LAT) );

dove:

  • LONG è la longitudine del luogo dove è posizionata la parabola;
  • SATLONG è la longitudine del satellite;
  • LAT è la latitudine del luogo dove è posizionata la parabola.
  • sqrt è la radice quadrata

La costante 6,612 è pari al rapporto tra il raggio di un'orbita geostazionaria e il raggio terrestre. Si noti che la formula per la polarizzazione sopra riportata andrà opportunamente corretta nel caso che il satellite considerato trasmetta con una polarizzazione (lineare) non perfettamente allineata con l'asse terrestre (per es. Hot Bird).

Puntamento con motore[modifica | modifica sorgente]

Antenna parabolica con rotore polare

Poiché da ogni punto della terra è possibile puntare numerose posizioni di satelliti geostazionari per telecomunicazioni risulta comodo poter orientare la parabola ricevente in modo da allinearla di volta in volta al satellite di cui si desidera ricevere il segnale.

Per fare ciò si applica alla parabola un rotore polare o un attuatore a pistone con montatura polare in grado di spostare l'orientamento della parabola lungo la fascia di Clarke.

Originariamente era necessario pilotare e alimentare il motore attraverso dispositivi appositi detti posizionatori, attualmente la maggior parte dei decoder in commercio riesce a pilotare e alimentare direttamente un rotore, attraverso il cavo coassiale che trasporta il segnale a radiofrequenza, attraverso dei sistemi di controllo denominati DiSEqC e USALS.

Coordinate geografiche dell'Italia[modifica | modifica sorgente]

Le antenne paraboliche di normale uso domestico installate in Italia sono generalmente puntate sui satelliti della flotta Hot Bird dell'operatore satellitare francese Eutelsat, posti in orbita geostazionaria, a una longitudine di 13 gradi est.

Essendo l'Italia situata geograficamente a una longitudine compresa tra 6 e 18 gradi est, risulta che i satelliti Hot Bird si trovano quasi sulla verticale dell'Italia. La loro orbita geostazionaria è di tipo equatoriale (ovvero il satellite orbita esattamente al di sopra dell'equatore), ed essendo l'Italia a una latitudine di circa 42 gradi nord, un'antenna parabolica, per puntare su Hot Bird, dovrà essere puntata direzione sud (con rotazione di pochi gradi a seconda della longitudine della stazione ricevente) e inclinata in alto rispetto all'orizzonte, di un angolo all'incirca pari alla colatitudine (90°-lat.) locale.

Polarizzazione[modifica | modifica sorgente]

Skew2.gif

La polarizzazione o skew di un'antenna parabolica è la rotazione intorno all'asse del disco parabolico.

La regolazione dello skew dell'antenna si rende necessaria quando il satellite puntato a una longitudine molto diversa da quella della parabola, a causa dell'effetto geometrico illustrato dall'animazione qui a lato:

Dal momento che variando l'azimut della parabola questa ruota intorno a un asse verticale rispetto al terreno (cioè perpendicolare rispetto alla circonferenza che qui rappresenta la Terra), quando si varia l'azimut della parabola per puntare il satellite risulta che la polarizzazione dell'antenna non è più parallela all'asse terrestre (come lo è invece quella del satellite), il che rende difficoltosa o impossibile la ricezione del segnale.

Occorre quindi variare appunto lo skew (ultima parte dell'animazione) in modo che la polarizzazione dell'antenna torni a coincidere con quella del satellite.

Nella figura è mostrato il caso di parabola con longitudine "minore" di quella del satellite, che comporta il dover ruotare la parabola, guardandola "da dietro" (cioè guardando verso il satellite) in senso antiorario, ossia nel verso opposto di quello che appare nell'animazione, in cui la parabola è vista "da davanti", cioè guardando dal satellite verso la parabola.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ (EN) Straw, R. Dean, Ed. (2000). The ARRL Antenna Book, 19th Ed.. USA: American Radio Relay League. pp. 19.15. ISBN 0-87259-817-9.
  2. ^ a b (EN) Harvey Lehpamer, Microwave transmission networks: Planning, Design, and Deployment, USA, McGraw Hill Professional, 2010, pp. 268–272, ISBN 0-07-170122-2.

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