Estações Terrenas em comunicação por satélite - TELECOMUNICAÇÕES
INTRODUÇÃO
Um enlace de comunicação via satélite em posição orbital
geoestacionária, conta com vários fatores de degradação que estão ligados ao
meio de transmissão, aos equipamentos utilizados em suas estações terrenas e ao
próprio satélite, que funciona como elemento de repetição nesta análise.
Para que o sistema
consiga oferecer desempenhos satisfatórios nos mais diferentes tipos de
aplicações e serviços, é de grande importância que as estações terrenas sejam devidamente
dimensionadas para que possam atender, de forma mais apropriada, a todas
as possíveis aplicações a utilizar no sistema.
Pois a EIRP dita o desempenho da ligação
na transmissão e a Figura de Mérito
(G/T) dita o desempenho na recepção, então temos que fazer bom cálculo de
diâmetros, ganho e de tantos outros parâmetros que são relevantes para uma excelente
performance do sistema.
Como qualquer outro
tipo de comunicação via rádio, o sistema via satélite poderá oferecer tráfego
de informação em um ou em ambos sentidos, ou seja, as nossas estações terrenas
irão transmitir e ao mesmo temo receber informações.
Esse tipo de configuração
é bastante comum para difusão de informações, como é realizado em
transmissão de sinais de televisão e rádio para todo território nacional.
Figura 1 - A esquerda link Ponto-à-Ponto entre duas estações
terrenas em ligações por satélite, a direita link Ponto-Multiponto, muito comum
em redes VSats.
CONFIGURAÇÃO
DAS ESTAÇÕES TERRENAS
Ao se escolher um local para implementação de uma estação terrena, alguns factores devem ser considerados, dentre os quais podemos citar:
a)
O local deve serde fácil acesso de modo a facilitar a implementação
e manutenção da estação e, também deve estar próximo à uma rede primária de
distribuição de energia
b)
As características do solo devem ser cuidadosamente
investigadas, principalmente em aplicações que utilizam antenas de grande
porte, tendo em vista as implicações nas fundações das antenas
c)
O local deve se situar o mais próximo da Central de
Comutação, de modo a minimizar as necessidades de ligações microondas para a
ligação da estação terrena a central
d) O local deve ser escolhido de modo a que os níveis de
interferência mútua entre a estação terrena e estações de microondas sejam
mantidos dentro dos limites permissíveis estabelecidos
Figura 2 - Configuração básica de uma estação para operação
bidireccional em que temos a transmissão (bloco superior) e recepção (bloco
inferior)
ESQUEMA
DOS EQUIPAMENTOS
NA
TRANSMISSÃO
Podemos
verificar que a informação analógica ou digital é modulada e entregue, na saída
do modulador, com uma frequência intermediária (FI) que pode variar de acordo
com o sistema ou configuração, normalmente os valores variam em 70 ou 140 MHz.
O
sinal modulado em FI é convertido pelo Up-Converter para faixa de
transmissão do percurso, que pode ser Banda C, Ku, Ka, X e outras, mas para o
nosso caso de estudo é a banda Ku que são 14 GHz.
O
sinal convertido para sua faixa de canal é amplificado pelo HPA (High Power
Amplifier) ou amplificado de alta potência e aplicado a uma antena de
transmissão que o irradia em direcção ao satélite.
Os
principais equipamentos usados para transmissão são:
a) 1º HPA (High Power
Amplifier): O
amplificador de alta potência é usado para amplificar o sinal que se pretende
transmitir, de formas que o mesmo consiga chegar até ao satélite, mesmo com a
distância de aproximadamente 36.000 Km. Por ser uma amplificador convencional,
ele gera muito ruído, e é usado na transmissão porque o sinal nesta fase ainda
não está degradado.
Figura 3 - Amplificador de Alta Potência (HPA)
a)
2ºUp-Converter: é um circuito
conversor de frequência de IF para frequência de microondas. Pois as
frequências de IF não conseguem propagar até a distância em que o satélite se
encontra, então necessita-se de maior frequência para tal, mas em função da banda
em que se pretende operar.
Figura 5 - Up-Converter a operar na Banda C (6
GHz)
a)
3º Modulador: responsável pelo
tratamento da banda básica, ou seja responsável pela transmissão do sinal, seja
ele de voz, dados, vídeo, etc. Trabalha com frequências intermédias (IF), que
estão na ordem dos 140 ou 70 MHz.
Figura 6 – Comtech EF Data CDM-570A/L e CDM-570A/L-IP
NA
RECEPÇÃO
O
sinal que chega do satélite para a estação terrena de recepção é então
amplificado por um amplificador de baixo ruído LNA (Low Noise Amplifier), este
sinal ainda na faixa de SHF em 12 GHz é convertido para banda L ou para 70 MHz
e/ou 140 MHz.
O
sinal de FI é aplicado ao demodulador que oferece na saída do sistema o sinal
de informação analógico ou digital.
Os principais
equipamentos usados para recepção são:
a)
1º LNA (Low Noise
Amplifier): O
amplificador de baixo ruído é usado na parte da recepção para amplificar os
sinais vindo do satélite e limpá-los do ruído. Por isso é que é amplificador de
baixo ruído. Os amplificadores convencionais geram muito ruído, e como os
sinais já chegam do satélite com muitos ruídos, há necessidade de se colocar um
amplificador que limpa o sinal do ruído.
a)
2º 2º Down-Converter: É um circuito conversor de frequência que converte a frequência de IF para frequência de microondas, para poderem ser entregues aos demoduladores.
a)
3º Demodulador: equipamento de
recepção do sinal, depois de convertido a frequência de microondas em IF, o
sinal então é recebido pelo demodulador, que em função da sua interface, pode
distribuir os serviços que o usuário necessita.
ANTENAS
UTILIZADAS NAS ESTAÇÕES TERRENAS
Em ligações via satélite as antenas mais comuns derivam de três principais classes de antenas, que são:
ü Antenas
cornetas (Horn Antenna);
ü Rede de antenas em fase (Phased Array Antenna);
ü Antenas
parabólicas (Parabolic Antenna).
ANTENAS CORNETAS (HORN ANTENNA)
As antenas do tipo corneta são muito utilizadas como elemento de referência em testes de componentes dos sistemas via satélite, pois oferecem altas figuras de mérito. O uso destas antenas em aplicações comerciais não foi difundido, pois, quando se necessita de ganhos elevados, o tamanho das estruturas cresce bastante, aumentando o custo.
REDE DE ANTENAS EM FASE (PHASED ARRAY ANTENNA)
As redes de antenas em fase são usadas quando o feixe ou a cobertura do satélite está em constante movimento, como no caso de satélites de órbita media e baixa, ou para ligações com satélite geoestacionário com um dos terminais, sendo móvel, em terra. Dentro deste conceito existem modelos clássicos muito presentes no mercado actual.
A localização de veículos utiliza enlaces de rádio com satélites
geoestacionários trabalhando com taxas de transmissão muito baixas, exigindo
pequenas larguras de faixa e, consequentemente, níveis muito pequenos de sinal
para viabilizar a comunicação. Neste caso, as redes de antenas em fase com
baixa directividade, são construídas em circuito impresso com elementos de microlinhas,
possibilitando à unidade móvel se comunicar em qualquer ponto de operação do
satélite, sem a necessidade de apontamento manual ou automático.
ANTENAS PARABÓLICAS (PARABOLIC ANTENNA)
O baixo ganho das antenas limita a operação dos enlaces com taxas
elevadas de transmissão. Quando se necessita de taxas mais altas é
imprescindível o uso de antenas de maior ganho. Por este motivo, as antenas com
uso de refletores parabólicos foram
as que trouxeram mais vantagens para os enlaces com satélites geoestacionários,
aliando altos ganhos com pequenas dimensões, baixo custo e facilidade de
instalação.
Dentre os modelos mais encontrados no mercado, podemos destacar as
antenas com montagem simétrica, conhecidas como prime-focus; as antenas com iluminação deslocadas, chamadas
de offset antennas; e as
antenas com duplo refletor que se
dividem em dois outros tipos chamados de cassegrain
antennas e gregorian antennas.
ANTENAS PRIME-FOCUS
A antena prime-focus, também conhecida como Parabólica de Foco Principal é
aquela em que o alimentador (feeder)
é instalado no ponto focal do refletor parabólico (parabolóide). A maior limitação desta configuração é a
redução da eficiência, devido ao fato de o iluminador bloquear parte da área iluminada
do refletor.
Esta obstrução, além de reduzir a eficiência, também aumenta a
intensidade dos lóbulos laterais, devido à difração por obstáculo. Esta
condição de aumento dos lóbulos laterais faz com que a radiação emitida pela
superfície terrestre seja captada pelo iluminador, como se ocorresse um
transbordamento da área iluminada. A conseqüência deste efeito é o aumento da
temperatura de ruído das antenas.
Os lóbulos laterais e, conseqüentemente, o transbordamento podem
ser atenuados, se o diâmetro do alimentador for diminuído. Para obter uma baixa
temperatura de ruído, faz-se necessário a utilização de um alimentador
direcional e uma maior distância do ponto focal.
Figura 14 – Esquema Antena Prime-Focus
Esta
antena é mais comum, focaliza em um único ponto todos os sinais recebidos em
uma direção paralela ao seu eixo. Os sinais que têm origem em outras direções
que não daquelas do satélite apontado, são reflectidos fora do seu ponto
principal.
ANTENA PRIME-FOCUS COM MONTAGEM OFFSET
A antena prime-focus com montagem offset é aquela em que o alimentador se localiza no foco, mas com uma angulação em relação ao vértice do refletor parabólico, como demonstrado na Figura 2.7. Esta construção resulta numa iluminação de apenas um dos lados do parabolóide, o que permite a instalação de módulos eletrônicos, tanto para recepção como para transmissão, junto ao iluminador (feeder), sem que ocorra nenhum tipo de obstrução à área iluminada.
Consequentemente, a eficiência da antena aumenta, se comparada à
configuração simétrica. No entanto, como os lóbulos laterais (transbordamento)
continuam voltados para a terra, a temperatura equivalente de ruído da antena
continua nos mesmos patamares que os encontrados para a condição anterior.
Figura 16 - Esquema Antena Prime-Focus com Montagem Offset
A análise de várias antenas de diferentes fabricantes possibilitou
a obtenção de valores médios de eficiência para as antenas prime-focus com
montagem simétrica ou offset. Os resultados apontaram para eficiências
em torno de 60% para as antenas simétricas e 70% para as antenas offset.
ANTENA CASSEGRAIN
A antena do tipo cassegrain
é uma estrutura formada por dois refletores e um alimentador (feeder). Na figura abaixo, o
reflector de maior dimensão é parabólico e denominado de reflector principal. O
refletor hiperbólico de dimensão menor é denominado refletor auxiliar.
Figura 18 - Antena Cassegrain com dois reflectores
Estes dois refletores são devidamente posicionados no intuito de
estabelecer um conjunto que garanta a maior eficiência de irradiação,
apresentando resultados que solucionem os problemas apontados pelas
configurações já discutidas anteriormente.
A disposição dos três componentes que compõem a antena casegrain
dependerá dos focos dos dois refletores empregados na estrutura. O
alimentador é instalado no vértice do refletor principal, na posição do
primeiro foco do refletor auxiliar que, na figura acima, está representado pelo
ponto A e o segundo foco do refletor auxiliar deve coincidir com o ponto focal
do refletor principal, como representado pelo ponto B.
A configuração da antena casegrain permite que os
equipamentos de transmissão e recepção sejam instalados junto ao alimentador
sem que ocorram atenuações elevadas. Para antenas de grandes dimensões
instaladas em grandes tele-portos, as distâncias entre os alimentadores e os
ambientes onde estão instalados os equipamentos são muito grandes. No intuito
de não trabalhar com altas perdas com cabos ou guias de onda, os equipamentos
de transmissão e recepção são ligados aos alimentadores através de estruturas
de reflexão guiada. Toda esta estrutura permite que as antenas de grande porte
sejam movimentadas nos dois planos, com possibilidade de ajuste dos ângulos de azimute
e elevação.
ANTENA GREGORIANA
A construção da antena gregoriana é baseada na configuração do telescópio gregoriano, que possui um refletor principal com aspecto parabólico e um refletor auxiliar elíptico. A forma de operação é idêntica à da antena casegrain.
Nas antenas de grande porte para aplicações comerciais, a escolha
da configuração casegrain ou gregoriana ocorre muito em função do
fabricante escolhido, pois são os mesmos que optam por uma ou outra
configuração nos seus processos de fabricação, dado que estas antenas
apresentam desempenhos equivalentes.
Tanto para as antenas casegrain como para as antenas gregorianas,
pode-se utilizar a técnica de construção offset, no intuito de eliminar
os problemas causados pelo refletor auxiliar. Normalmente, os fabricantes
oferecem a eficiência total da estrutura, mas nunca os fatores de perda de cada
um dos elementos que a compõem. A tabela abaixo, extraída do artigo de N.
Lockett, demonstra as eficiências de uma antena casegrain de grande
porte. Os valores teóricos confirmaram o desempenho obtido de cada um dos componentes
testados e medidos.
Figura 20 - Antenas Cassegrain e Gregorianas
Figura 22 - Esquema Antena Gregoriana com Montagem Offset
Figura 23 - Antena Gregoriana ATA offset
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