Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali 1
Radiopropagazione atmosferica a microonde:
modelli, sistemi e metodi per applicazioni spaziali
Frank S. Marzano, Fellow IEEE
F. Consalvi, A.M. Marziani e M. Biscarini
Posta-e: frank. [email protected]
https://cispio.diet.uniroma1.it/marzano
Tel. 06.44585847, 320.4357254
Programma seminariale
Corso di Propagazione: introduzione al corso 2
1. Radiopropagazione atmosferica ad alta frequenza: modelli e sistemi (F.S. Marzano)
• Spettro e.m. e meccanismi di propagazione/interazione
• Missioni spaziali per TLC, TLR E DSE ed equazione di trasmissione Friis
• Rumore di antenna e trasferimento radiativo
• Propagazione in aria chiara e nubi e modelli statistici di predizione
2. Applicazioni a comunicazioni spaziali in banda Ka e Q (A.M Marziani e F. Consalvi)
• Missioni TLC, Alphasat e bilancio di collegamento
• Stazioni riceventi, hardware e realizzazione
• Esempi di misure di attenuazione e scintillazione
3. Applicazioni a radiocollegamenti di spazio profondo in banda Ka (M. Biscarini)
• Missioni DSE e BepiColombo
• Bilancio di collegamento e trasferimento dati
• Simulatori di canale da previsioni meteorologiche
• Metodi di ottimizzazione con esempi e applicazioni
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
3
Spettro e.m. e meccanismi di radiopropagazione
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
4
Spettro elettromagnetico (e.m.)
1 fm 1 pm 1 nm1 Å
1 EHz 1 PHz 1 THz 1 GHz 1 MHz 1 kHz 1 Hz
1 m 1 mm 1 km 1 Mm1 m
10-15
1023
1021
1018
1015
1012
109
106
103
1
10-12 10-10 10-9 10-6 10-3 103 106 1081
Frequency (Hz)
Wavelength (m)
visible
Gamma rays
Cancer therapy
X-rays
Medical diagnosis
Ultraviolet
Sterilization
Infrared
Heating,
Night vision
Radio spectrum
Communication, radar, radio and TV broadcasting,
radio astronomy
Atmospheric opacity
100%
0
Atmosphere opaque
Opticalwindow
Infraredwindows Radio window
Ionosphere opaque
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
5
Spettro a radiofrequenze e microonde
• Dalle VLF alle HF gli effetti propagativi sono dovuti
alla superficie terrestre e alla ionosfera.
• Al crescere della frequenza divengono sempre più
importanti gli effetti dell’atmosfera chiara e delle
idrometeore. All’interno delle bande UHF ed SHF
(microonde) è spesso utilizzata una suddivisione
ulteriore:
Corso di RadioPropagazioneRadMet: introduzioneRadiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Allocazione di bande di frequenze
Corso di Propagazione: Sistemi di comunicazione satellitari e radar 6Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Esempio ITU-R:
allocazione delle
bande di frequenze
per applicazioni di
ricerca spaziale
(spazio profondo,
Terra-spazio,
spazio-Terra,
spazio vicino)
NB: unità astronomica (simbolo
ufficiale: au) è un'unità di misura
pari alla distanza media tra il
pianeta Terra e il Sole (circa 150
milioni di km)
Mercurio 0,387 au
Venere 0,723 au
Terra 1 au
Marte 1,524 au
Giove 5,209 au
Saturno 9,539 au
Urano 19,18 au
Nettuno 30,06 au
Corso di Propagazione: Propagazione troposferica in aria chiara 7
Troposfera: gradiente di temperatura
dT/dz negativo ≈ − 6.5 K km-1
Stratosfera: dT/dz positivo 1 K km-1 e poi
di 2.8 K km-1
Mesosfera: T decresce fino ai valori più
bassi del profilo
Profili di temperatura troposfera e stratosfera
determinati da riscaldamento per irraggiamento
della superficie e assorbimento di UV da Ozono
Livello della tropopausa: 8-10 km inverno/poli;
15-16 km estate/regioni calde
90% della massa dell'atmosfera nei primi 16 km
La troposfera è sede dei fenomeni che
determinano condizioni meteorologiche
Ulteriori componenti: acqua in forma di vapore,
gocce di acqua liquida nelle nubi, gocce di
pioggia, ghiaccio e aggregati precipitanti e non;
nebbie, aerosoli
Struttura verticale dell’atmosfera terrestre
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
8
Meccanismi di interazione e.m. (1/3)
• Principali (ma non unici) meccanismi fisici considerati:
– Onda superficiale: scambio di potenza tra le correnti indotte sulla superficie ed il campo e.m.al di sopra di essa (6).
– Riflessione (2, 4).
– Diffrazione: reirradiazione del campo e.m. aldilà di ostacoli.
– Rifrazione: incurvamento del percorso e.m. all’interno di un mezzo in cui si hanno variazionidi costante dielettrica (1, 4).
– Diffusione (scattering): quando l’onda incide su corpi di piccole dimensioni (paragonabili allalunghezza d’onda, es. gocce di pioggia a microonde) si ha reirradiazione in direzioni diverse daquella di incidenza (3).
– Assorbimento: cessione di potenza e.m. dall’onda al mezzo, con conseguente attenuazionedell’onda. Per il principio di conservazione dell’energia i mezzi che assorbono produconoanche emissione.
Corso di RadioPropagazioneRadMet: introduzioneRadiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
9
Meccanismi di interazione e.m. (2/3)
riflessione
scattering (diffusione)
rifrazione
diffrazione
assorbimento
emissione
Corso di RadioPropagazioneRadMet: introduzioneRadiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
10
• Un’antenna ricevente capta non solo segnale utile, ma anche una molteplicità di
segnali emessi da corpi radianti situati nell’ambiente circostante (rumore). In alcuni
casi (radiometri) l’antenna capta solo rumore.
• Legge di Planck: ogni corpo con una temperatura T al di sopra dello zero assoluto (0
K = −273.15 °C) irradia energia e.m. (radiazioni naturali). Le radiazioni naturali sono
incoerenti (quindi sommabili in potenza) e distribuite angolarmente ed in frequenza.
Sono descrivibili tramite un parametro detto radianza o brillanza B [W sr-1 m-2].
• Un corpo (nero, grigio, colorato) emette una brillanza B. Questa nell’attraversare un
mezzo penetrabile, che assorbe emette e diffonde la radiazione e.m. (p.es. atmosfera) è
descrivibile tramite la teoria del trasferimento radiativo.
• A microonde si può introdurre la temperatura di brillanza TB essendo B≅(2kB/l2) TB
Corso di RadioPropagazioneRadMet: introduzione
Meccanismi di interazione e.m. (3/3)
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Approssimazione Rayleigh-Jeans:
B ≅ (2kB/l2) TB
11
Sistemi e applicazioni principali
• Sistemi di radiodiffusione. Sono usati per trasmettere fino a distanze molto elevate,
anche intercontinentali. Usano frequenze fino alle HF. Gli effetti propagativi
dominanti sono l’onda superficiale e la riflessione ionosferica.
• Sistemi a copertura limitata per terminali fissi o mobili. Usano in genere le bande
VHF e UHF. Sono influenzati dagli effetti del terreno e degli ostacoli, con
moderati effetti atmosferici. Applicazioni 5G a frequenze superiori nella banda
SHF e EHF con effetti atmosferici non trascurabili.
• Sistemi terrestri punto-punto (ponti radio). Utilizzano prevalentemente le
frequenze SHF, subendo effetti dovuti all’atmosfera e alle idrometeore, oltre a
riflessione dal terreno e diffrazione da ostacoli.
• Sistemi telerilevamento radar. In genere usano le frequenze SHF ed EHF, subendo
effetti dovuti all’atmosfera e alle idrometeore, oltre a diffusione (scattering) dal
terreno. Fanno eccezione i radar Over the Horizon (OTH), che usano frequenze
basse e per i quali sono importanti gli effetti ionosferici e di onda superficiale.
• Sistemi spaziali. Applicazione per telecomunicazioni, telerilevamento,
radionavigazione. Utilizzano le bande UHF e SHF. Sono soprattutto influenzati
dall’atmosfera e dalle idrometeore.
Corso di RadioPropagazioneRadMet: introduzioneRadiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: Sistemi di comunicazione satellitari e radar 12
Meccanica orbitale e sistemi spaziali
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Orbite e coperture della superficie terrestre
Orbite geostazionarie: 36000 km
Orbite quasi polari: 600-800 km
Copertura giornaliera orbita
quasi polare e conseguente
ripetitività
Corso di Propagazione: Sistemi di comunicazione satellitari e radarRadiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Orbite per satelliti
L’orbita condiziona particolarmente le proprietà del
campionamento spazio-temporale
TIPI DI ORBITE IN BASE ALLA QUOTA H
– Low Earth Orbit (LEO):
H <3000 km (di solito < 900 km)
– Medium Earth Orbit (MEO):
3000 < H < 30000 km
– Geosynchronous Earth Orbit (GEO):
H~36000 km
ORBITE PER TELECOMUNICAZIONI E TELERILEVAMENTO
– Orbita geostazionaria GEO
– Orbita LEO quasi-polare
– Orbita quasi polare eliosincrona
Corso di Propagazione: Sistemi di comunicazione satellitari e radarRadiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Orbita kepleriana: legame altezza-periodo
Per orbita circolare,
periodo T (tempo
percorrenza orbita) e
raggio orbita r legati
inversamente:
2
322 4
gR
rT
gR
r
r
T
r
gmRr
TmFF
mgR
mMkFR r
r
gmR
r
mMkF
rT
mrmF
fugacpetac
fugacpetac
fugac
2
2
2
2
2
22
....
2..2
2
2..
22
..
4
2
per
2
R: raggio terrestre (~6378.14 km)
r: raggio orbita
H=r-R: quota di volo
M, m: masse Terra e satellite
g: accelerazione gravità livello mare (9.81 ms-2)
Orbita kepleriana: unica forza in gioco è attrazione gravitazionale tra
Terra (modellata come sfera) e satellite. Altre forze determinano
perturbazioni orbita kepleriana (attrito atmosferico, pressione
radiazione solare, termini ordine superiore campo gravitazionale
terreste)
Satellite (massa trascurabile) compie orbita ellittica (semiasse
maggiore b, ellitticità e). Terra in uno dei due fuochi.
Congiungente Terra-satellite copre aree uguali nell’unità tempo
Corso di Propagazione: Sistemi di comunicazione satellitari e radarRadiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Alcune terminologie orbitali
Semiasse maggiore b,
ellitticità e
Angolo inclinazione i:
angolo (orientato) tra piano
orbitale e piano equatore
Traccia a terra: proiezione
nadirale a terra dell’orbita
Nodo: attraversamento
traccia all’equatore
(discendente o ascendente)
Perigeo/Apogeo: punto piú
vicino/lontano dalla Terra
Corso di Propagazione: Sistemi di comunicazione satellitari e radarRadiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Orbita geostazionaria (GEO)
Periodo: 86164.1 sec (giorno siderale) 1436 m
23 h 56 min
Altezza satellite H: ~36000 km
Angolo inclin. i: 0°
Vantaggi
Alta frequenza ripresa (1/2
ora – 15 min)
Stabilità orbita (scarso drag
atmosferico)
Svantaggi
Bassa risoluzione spaziale
Copertura parziale,
necessità piú piattaforme
(es. 5 piattaforme per
meteorologia operativa)
km 21704r sec 61608T 4
2
322
gR
rT
Il satellite è stazionario rispetto alla Terra
Corso di Propagazione: Sistemi di comunicazione satellitari e radarRadiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Orbita bassa quasi-polare (LEO)
Altezza satellite: ~ 600-900 km
Periodo: ~ 90-100 min = 5400-6000 sec
Nd=Orbite/giorno: ~ 1440/T ~ 13-15 orbite
Angolo inclin. i: ~ 100°
Vantaggi
Buona/ottima risoluzione
spaziale (bassa quota)
Possibilità copertura
globale con 1 satellite
Svantaggi
Bassa risoluzione temporale
(ripetitività traccia) (~ 1-30
giorni)
Maggiore instabilità, minore
durata missione (drag atmo)
km 008R-r sec 6000T 4
2
322
gR
rT
Il satellite passa in prossimità poli
Corso di Propagazione: Sistemi di comunicazione satellitari e radarRadiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Orbita LEO quasi-polare eliosincrona
Il satellite percorre l’orbita, la Terra ruota da Ovest verso Est.
L’orbita successiva il satellite sorvola punti a Terra più a Ovest.
L’orbita discendente sorvola (di solito) la regione illuminata dal Sole
(diurna), quella ascendente la parte non illuminata (notte)
Es. Orbita Landsat
Tracce a terra
ascendenti e
discendenti
Corso di Propagazione: Sistemi di comunicazione satellitari e radar
Orbita eliosincrona. Il piano orbitale
precede (ruota) sul piano dell’eclittica di
360° in 365 giorni. Il satellite attraversa
l’equatore alla stessa ora locale
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: Sistemi di comunicazione satellitari e radar 20
Bilancio di potenza in collegamenti spaziali di
radiocomunicazioni
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: Sistemi di comunicazione satellitari e radar 21
Radiocomunicazioni spaziali
• Un’ampia gamma di servizi in voce, dati e video a
terminali sia fissi che mobili è fornita da una vasta
rete di comunicazione la cui realizzabilità ed
efficacia è dovuta all’uso di satelliti in orbita che
fungono da ponti radio in grado coprire vaste
aree della superficie terrestre.
• Un satellite posizionato in orbita geostazionaria
(GEO) a 35786 km sopra l’equatore ha visibilità
su più di un terzo della superficie terrestre ed è in
grado di collegare tra loro qualsiasi coppia di
luoghi all’interno della sua area di copertura.
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: Sistemi di comunicazione satellitari e radar 22
Guadagno di antenna
• Assumiamo un’antenna senza perdite. Si ha:
con Un: intensità di radiazione normalizzata e WA: angolo solido di radiazione
• Approssimando l’angolo solido di radiazione con il prodotto delle ampiezze a
metà potenza sui due piani principali ed assumendo un lobo a simmetria
circolare di ampiezza a metà potenza b, si ricava:
AA
n
n
n
T
GU
dU
U
dU
U
W
UG
W
W
W
W
4),(4
),(
),(4
),(
),(4),(4max
44
1rad 0.0174per dB, 2.4641253
2.17rad 0.3per dB, 3.2113642max b
b
b
G
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
antDcon
lb 2.1
Corso di Propagazione: Sistemi di comunicazione satellitari e radar 23
Antenne e coperture spaziali
• Mentre le antenne per stazioni di terra devono essere molto direttive per
evitare interferenze, le antenne su satellite vengono progettate in modo da
fornire lobi modellati a misura delle regioni coperte dal satellite.
• Per avere copertura globale è sufficiente un lobo principale di 17.4° (0.3
rad). Invece, in caso di ricetrasmissione su regioni di estensione limitata
possono essere necessarie ampiezze del’ordine di 1° (0.0174 rad) o inferiori.
In tal caso la zona coperta della superficie terrestre ha un diametro
approssimativamente pari al prodotto tra la quota del satellite (35786 km) e
l’ampiezza del lobo principale, ossia di circa 630 km.
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: Sistemi di comunicazione satellitari e radar 24
Potenze in un collegamento satellitare
• I segmenti di tratta in salita (uplink) e in discesa (downlink) di un
collegamento satellitare sono entrambi descritto dalla formula di Friis. Alle
frequenze d’interesse in questo tipo di collegamenti va considerata
l’attenuazione atmosferica determinata dall’assorbimento dei gas e
l’attenuazione supplementare causata dalla presenza di nubi e pioggia.
• Nel definire i requisiti di potenza trasmessa, l’attenuazione atmosferica
riveste un’importanza sempre maggiore all’aumentare della frequenza nello
spettro delle microonde.
WT Wr
• Le prestazioni del sistema di TLC
sono definite dal SNR. Alcuni
sistemi di trasmissione televisiva
satellitare con qualità
commerciale sono progettati per
fornire valori di SNR
dell’ordine di 50 dB.
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: Rumore e teoria del trasferimento radiativo 25
Rapporto segnale-rumore in ricezione
• Per caratterizzare le prestazioni un’antenna in ricezione si fa riferimento alrapporto segnale-rumore SNR o (S/N), definito come il rapporto tra lapotenza di segnale e la potenza di rumore all’ingresso di un ricevitoreequivalente privo di rumore.
• Dalla formula di Friis e dall’espressione della potenza di rumore in ricezione,ricaviamo:
• E’ anche usuale caratterizzare il collegamento in termini di rapportoPortante-Rumore (S/N) o Energia-Rumore (Eb/N0):
dove Eb energia-per-bit [J/b], N0 densità spettrale di rumore [W/Hz], fb tassodi trasmissione per bit [b/s], legato alla probabilità del tasso di errore di bit(BER) e dipendente dalla modulazione.
• Si definisce anche il rapporto G/T:
BTTK
LLLGEIRP
BTK
LLLGEIRP
W
W
N
S
AREC
syspathfsr
sys
syspathfsr
Nsys
r
)''(
) /(
) /(
B
f
N
E
BN
fE
BN
C
N
S bbbb
000
1
sy s
max
T
G
T
G r
Spectral efficiency B/fb : for a PSK, ASK or QAM
modulation with pulse shaping such as raised cosine
shaping, the B/fb ratio is usually slightly larger than 1,
depending of the pulse shaping filter.
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Tasso di errore in sistemi digitali
• Bit error rate or bit error ratio (BER) is the
number of received bits that have been altered due
to noise, interference and distortion, divided by the
total number of transferred bits during a studied
time interval. BER is a unitless performance
measure, often expressed as a percentage number.
– The bit error probability Pe is the expectation value
of the BER. The BER can be considered as an
approximate estimate of the bit error probability. This
estimate is accurate for a long studied time interval
and a high number of bit errors
• In a communication system, the receiver side
BER may be affected by transmission channel
noise, interference, distortion, bit synchronization
problems, attenuation, wireless multipath fading,
etc.
– The BER may be improved by choosing a strong
signal strength (unless this causes cross-talk and
more bit errors), by choosing a slow and robust
modulation scheme or line coding scheme, and by
applying channel coding schemes such as redundant
forward error correction codes.
Corso di Propagazione: Sistemi di comunicazione satellitari e radar 26
linkdB
dBreqdB
MN
S
N
S
For example, in the case of QPSK
modulation and AWGN channel, the BER
as function of the Eb/N0 is given by:
BER = 1 / 2erfc(Eb/N0).
Mlink è il margine (>1, >0 dB) del collegamento
utile per compensare la variabilità di LpathRain
MlinkdB
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: Rumore e teoria del trasferimento radiativo 27
Stadi in cascata e figura di rumore
Generalmente il ricevitore è costituito da più stadi in cascata
(amplificatore RF, mixer, amplificatore IF, etc.). Il fattore di rumore
complessivo di una cascata di reti 2 porte è dato da:
Vg
Zg
A1
F1
A2
F2
F= F1 + (F2 - 1)/A1 + (F3 - 1)/A1A2 + ∙∙∙ + (FN – 1)/A1A2 ∙∙∙ AN-1
In base a questa espressione si nota come, dal punto di vista del SNR convenga
usare, come prima rete, una avente F più basso possibile ed A più alto possibile.
In questo caso la potenza di rumore all’uscita dovuta alla catena ricevente è:
WnREC = (F-1)T0AKB = TRECAKB [in ingresso è TRECKB= (F−1)T0KB]
dove F è dato dalla formula scritta sopra e A= A1A2 ∙∙∙ AN-1AN
AN
FN
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: Rumore e teoria del trasferimento radiativo 28
• La temperatura TA è data dalla TB() incidente sull’antenna dallediverse direzioni, pesata dalla direttività dell’antenna stessa:
• Se esistono perdite nell’antenna che ha efficienza di radiazione ηr ==Rr/(Rr + RL) (cfr. circuito equivalente) e temperatura T0, la potenza dirumore disponibile da Rr si dissipa in parte su RL che a sua volta perògenera rumore trovandosi a temperatura T0.. Ne consegue che latemperatura di rumore alla porta di uscita dell’antenna TA
′ vale:
TA′ = ηrTA + To(1- ηr)
d
Ω
dA
Temperatura di rumore di antenna
ddDTdDTT BBA sin),(),(4
1),(),(
4
12
0 04
W
TB (θ,φ)
D (θ,φ)
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: Rumore e teoria del trasferimento radiativo 29
• Per la potenza di rumore in funzione dellatemperatura di brillanza incidente sull’antenna si ha:
• La potenza che l’antenna riceve da tutto lo spaziocircostante si ottiene integrando i contributi ricevutida tutte le direzioni.
• Per ogni direzione (θ,φ) il contributo al rumorericevuto è dovuto al prodotto di due fattori: ladirettività che dipende solo dalle caratteristichedell’antenna e la temperatura di brillanza chedipende solo dal mezzo circostante.
Potenza di rumore di antenna
WW
WW
l
l
4
2
4
4
2
4
),(),(Δ
),(),(4
Δ
:Δ banda di larghezza unaPer
),(),(1
),(),(4
1
dATfK
dDTfK
ΔfKTW
f
dATdDTT
eqBBAN
eqBBA
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Approssimazione Rayleigh-Jeans:
B ≅ (2kB/l2) TB
Temperatura di brillanza atmosferica
• Ipotesi:
– strato atmosferico di spessore
verticale h=hR-hS a temperatura T=Tm
uniforme con TB(z=0)=TC=2.7 K.
– Coefficiente di assorbimento (km-1)
ka0 uniforme e albedo nulla
• Trasferimento radiativo a microonde
Corso di Propagazione: Sistemi di comunicazione satellitari e radar 30
Formula semplificata:
TB()=Tm[1-exp(-A/sin)] con Tm=260 K
Frequency
Att
enuat
ion
Dry air contribution
Water vapor contribution
Total attenuation
W
4
),(),(4
1dTDT BA
)1(),(
)1(),0(),(
),(sin),(
)()()(
sin/sin/
sin/sin/
0
00
zz
aa
Am
ACB
hkm
hkBB
mBaB
BaB
eTeTzT
eTeTzT
TzTkdz
zdT
rTrTkdr
rdT
TB()
TC
z
0
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: Sistemi di comunicazione satellitari e radar 31
Radiopropagazione a microonde ed effetti
atmosferici
Corso di Propagazione: Rumore e teoria del trasferimento radiativo 32
• La propagazione e.m. nell'atmosfera per f >5-10 GHz è controllata da:
– fenomeni di assorbimento ed emissione dovuti a gas atmosferici ed
all’acqua liquida delle nubi;
– interazione con particelle diffondenti, precipitanti o sospese
(idrometeore).
• GAS ATMOSFERICI. Per i fenomeni di assorbimento ed emissione dei gas
atmosferici, il coefficiente di assorbimento atmosferico descrive il processo
di trasferimento di energia dall'onda e.m. alla molecola, che si porta a un
livello energetico eccitato (livello energetico metastabile). La molecola può
quindi tornare a un livello energetico inferiore e emettere energia sotto forma
di onda e.m.. In condizioni di equilibrio termodinamico locale, si ha
uguaglianza del coefficiente di emissione con quello di assorbimento.
– Vapor d'acqua: linee spettrali di assorbimento 22.235 e 183.31 GHz e superiori.
– Ossigeno: linee spettrali nell'intervallo fra 50 e 70 GHz (banda di assorbimento
nota come il complesso dell'ossigeno a 60 GHz), linea a 118.75 GHz e superiori.
• PARTICELLE ATMOSFERICHE. Per l’assorbimento e la diffusione
dovuto ad idrometeore i relativi coefficienti sono forniti da teorie di Mie e di
Rayleigh.
Effetti atmosferici nelle microonde
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Effetti dei gas atmosferici su onde e.m.
OPACITA’ nel visibile-infrarosso
O3
CO2
H2OCO2
OPACITA’ nelle microonde
O2O2
H2O
H2O
Corso di Propagazione: Rumore e teoria del trasferimento radiativo 33
Trasmittanza a microonde
(=100% atmosfera trasparente
=0% atmosfera opaca)
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: Propagazione troposferica in aria chiara 34
Attenuazione dell’ossigeno a 60 GHz
• La polarizzabilità per deformazione è l’unica componente dovuta all’O2 se
siamo lontani dai picchi di assorbimento a 60 e 118 GHz. Questi ultimi sono
invece dovuti ad interazione con momento magnetico di spin. L'O2 possiede
infatti un momento di dipolo magnetico intrinseco che ne rende possibile
linee di assorbimento puramente rotazionali a 60 GHz e a 118.75 GHz.
• A 60 GHz il fenomeno è composito, dovuto cioè alla sovrapposizione di
diverse righe adiacenti. A quote basse, l’allargamento collisionale confonde
le righe in una unica banda.
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: Rumore e teoria del trasferimento radiativo 35
Diffusione e.m. da molecole e particelle
Le particelle atmosferiche (idrometeore ed aerosols)
producono effetti di assorbimento e diffusione
(scattering). Per i fenomeni di diffusione si
distinguono:
• Diffusione di Raman: la radiazione diffusa
presenta uno spostamento in frequenza, rispetto
alla radiazione incidente, caratteristico della
molecola diffondente (scattering molecolare a
frequenze ottiche)
• Diffusione di Mie: fenomeno classico di
scattering, con frequenza dell'onda diffusa identica
a quella dell'onda incidente che si verifica quando
le dimensioni delle particelle diffondenti sono
dello stesso ordine di grandezza o maggiori della
lunghezza d'onda.
• Diffusione di Rayleigh: caso particolare dello
scattering di Mie nel caso di dimensioni delle
particelle molto minori della lunghezza d'onda. La
sezione di cattura è proporzionale a l-4
Rayleighregion
sbpp≈l4
Mie resonanceregion
Optical regionsbpp≈ a2
Ba
ck
sca
tte
rin
gc
ross
se
cti
on
sb/
a
2
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Diffusione e.m. atmosferica in funzione della
dimensione, lunghezza d’onda e tipologia di particella
Diffusione e.m. da particelle atmosferiche
Corso di Propagazione: Rumore e teoria del trasferimento radiativo 36Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: propagazione in presenza di idrometeore 37
Distribuzione dimensioni gocce di pioggia
D
• Per il caso di presenza di precipitazioni, è stata proposta (Marshall e Palmer,
1948) la seguente distribuzione empirica per N(a) (# particelle per unità di
volume e diametro: m-3 mm-1), in funzione dell’intensità di precipitazione R
(mm/h):
N(a)=N0exp(-Λa) [# m-3 mm-1]
N0=1.6∙104 mm-1/m3; Λ=8.2R-0.21 mm-1
(R in mm/h, a in mm)
Più è alto il tasso di precipitazione
e più elevata è la concentrazione di
gocce di pioggia di grande raggio.
• Più recentemente è stata proposta una
distribuzione di tipo gamma:
N(a)=N0 a exp(-Λa) [# m-3 mm-1]
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: propagazione in presenza di idrometeore 38
Attenuazione specifica da pioggia
• Consideriamo l’attenuazione specifica per unità di lunghezza lungo ilpercorso di propagazione A [Np m-1], ovvero la sezione di estinzionemedia per unità di volume, ovvero il coefficiente di estinzione (cfr.trasferimento radiativo):
• La distribuzione dei raggi a può delle particelle variare lungo ilpercorso a causa della non uniformità della densità delle idrometeore(contenuto equivalente d’acqua [g m-3]). Ciò spiega la dipendenza di Ada x e quindi la presenza dell’integrale nell’espressione di P(x).
• Per quanto visto finora è necessaria la conoscenza della sezionetrasversa di estinzione di ciascuna particella e della distribuzione N(a)in funzione della concentrazione delle idrometeore. Ovviamente ladensità di nube non è facile da determinare, mentre il tasso diprecipitazione (rain rate R [mm/h]) può misurarsi (pluviometri, radarmeteo).
H
dzzA
ee
ePzP
dzzAzPzdPdaaNakA
0
)(
0
)0()(
)()()( )()(s
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Corso di Propagazione: propagazione in presenza di idrometeore 39
Attenuazione totale da pioggia
• Dal punto di vista ingegneristico ciò di cui si ha bisogno é una formula semplice
che leghi l’attenuazione specifica AdB/km (dB/km) ad intensità di
precipitazione e frequenza.
• Definito il legame tra AdB/km (dB/km) e A (1/km):
vale la seguente relazione:
AdB/km= uRv
• La formula scritta è molto semplice rispetto alla complessità del problema.
Tuttavia, la sua applicazione ai casi reali non è immediata e necessita di essere
integrata con tecniche statistiche. Sia dato, infatti, un collegamento terrestre di
lunghezza L. Se si avesse, lungo di esso, pioggia uniforme di intensità R (date
frequenza e polarizzazione), l’attenuazione totale At [dB] sarebbe data
semplicemente dal prodotto A dB/km ·L.
• La pioggia, invece, occupa soltanto zone limitate di spazio, che, in alcuni casi,
contengono al loro interno zone di dimensioni più piccole, dette celle, dove è
particolarmente intensa. Il fenomeno, inoltre, è variabile nel tempo in modo
molto irregolare.
0
1010 343434341010 daaNaAAeeA eA
kmdB )()(..)log(log/ s
R in mm/h, u e v costanti dipendenti da
frequenza, temperatura e polarizzazione
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: propagazione in presenza di idrometeore 40
Attenuazione in funzione della frequenza
La figura riporta l’attenuazione per R
corrispondenti a pioggia lieve (0.25 m/h),
media (25 mm/h) e intensa (150 mm/h).
Le attenuazioni sono le medie tra quelle
delle polarizzazioni verticale e orizzontale.
A parità di frequenza, A aumenta con R. Per
una data R, l’andamento in funzione della
frequenza presenta una fase crescente,
seguita da una fase di saturazione.
L’effetto della pioggia, anche se di media
intensità, è del tutto dominante rispetto a
quelli della nebbia e dei gas atmosferici
fino a frequenze di ~10 GHz. A frequenze
più alte, gli altri effetti cominciano ad
essere apprezzabili.
RECOMMENDATION ITU-R P.676-7
Attenuation by atmospheric gases
RECOMMENDATION ITU-R P.840-3
Attenuation due to clouds and fog
RECOMMENDATION ITU-R P.838-3
Specific attenuation model for rain for use
in prediction methods
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Corso di Propagazione: Propagazione troposferica in aria chiara 41
Scintillazioni troposferiche da turbolenza
• Le scintillazioni sono variazioni rapide del segnale ricevuto, dovute aturbolenza atmosferica, particolarmente dannose nelle trasmissioni a largabanda. Si caratterizzano tramite il parametro di log-ampiezza χ, che è definitocome il logaritmo naturale del rapporto tra l’ampiezza istantanea del segnalemisurato e la sua media, e tramite la varianza di scintillazione
• L’effetto delle scintillazioni cresce circa linearmente con la frequenza(proporzionale a k0), e cresce con Cn (contenente l’informazione sull’entitàdelle fluttuazioni di n) con andamento quadratico.
• Un esempio di scintillazione in un collegamento via-satellite è mostrato infigura. Si riferisce a registrazioni effettuate presso la stazione del Fucino (f=11.8 GHz). Le scintillazioni sono importanti per f >10 GHz soprattutto neicollegamenti via-satellite.
tocollegamen del internoall'
ta turbolenzona della lunghezza :
vuotonel nepropagazio di cost.:
struttura di costante :
307.0
:è per eespressionUn’
0
6/116/70
22
2
L
k
C
LkC
n
n
s
s.2
sAmpiezza del segnale presenta una variazione
aleatoria sovrapposta al valor medio
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Corso di Propagazione: propagazione in presenza di idrometeore 42
Attenuazione da nubi e nebbia
• L’attenuazione da nubi e nebbia è governata dalle stesse equazioni
fondamentali viste per la pioggia. La principale differenza è che in questo
caso si hanno minuscole goccioline di acqua in sospensione con raggio
compreso tra 0.001 e 0.05 mm.
• L’attenuazione è proporzionale alla concentrazione complessiva d’acqua
per unità di volume rw (g/m3) e, per rw<0.4 g/m3, è circa linearmente
dipendente dalla frequenza.
RECOMMENDATION ITU-
R P.840-3
ATTENUATION DUE TO
CLOUDS AND FOG
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: propagazione in presenza di idrometeore 43
Depolarizzazione da pioggia
• Le gocce di pioggia si deformano durante il moto di caduta. La circolazioned’aria attorno alla goccia ha l’effetto di schiacciarla secondo l’asse verticale. Inpratica la forma è quella di un ellissoide di rotazione attorno all’asse minore cherisulta quasi verticale (ellissoidi oblati).
• Se l’asse minore fosse perfettamente verticale, non si avrebbe depolarizzazione,anche se un campo polarizzato orizzontalmente subirebbe un’attenuazionemaggiore rispetto a quella subita da un campo polarizzato verticalmente.
• Nel caso di ellissoide inclinato, per un campo polarizzato,
ad esempio, verticalmente, nasce una componente orizzontale
(crosspolare) dopo l’attraversamento della goccia (vedi figura)
• L’energia che passa alla polarizzazione ortogonale è
piccola (– 20 / – 30 dB), ma il disturbo può essere
dannoso se sull’onda incrociata transita un segnale
(segnali a riuso di frequenza)
Ei: campo incidente; Et campo trasmesso
A1: attenuazione sull’asse maggiore, A2 att. sull’asse minore
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: Propagazione troposferica in aria chiara 44
Cammini multipli in atmosfera
• Il fenomeno dei cammini multipli interessa la propagazione nei
collegamenti spaziali a bassa elevazione, quali i ponti radio a microonde,
per f <10 GHz. Sopra i 10 GHz assumono importanza considerazioni legate
alla pioggia.
• Si intende come cammini multipli (multipath) la presenza contemporanea
di due o più percorsi attraverso cui la potenza viaggia tra l’antenna
trasmittente e quella ricevente.
• I campi dovuti ai diversi cammini si ricombinano in prossimità dell’antenna
ricevente con diverse relazioni di fase, variabili nel tempo. Ne conseguono
oscillazioni della potenza ricevuta che possono essere anche molto intense.
Tale effetto è denominato affievolimento (fading) o attenuazione in aria
chiara da cammino multiplo.
• I cammini multipli possono essere prodotti dalla contemporanea presenza di:
cammino diretto (1), riflessioni dal terreno (2), riflessioni dovute a forti
gradienti dell’indice di rifrazione (3). Le fluttuazioni dell’indice di rifrazione
possono costituire un ulteriore contributo (4).
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: Sistemi di comunicazione satellitari e radar 45
Modelli statistici di predizione
dell’attenuazione atmosferica
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: Propagazione troposferica in aria chiara 46
Rappresentazione statistica di attenuazione
• L’effetto dell’atmosfera e di eventuali riflessioni del terreno implica che il
collegamento tra due antenne abbia luogo attraverso più di un cammino.
Nell’esempio di figura, |E2|~|E1| e, poiché in prossimità dell’antenna
ricevente i campi si ricombinano con una relazione di fase aleatoria, il fading
può essere molto elevato.
xattenuazione alta → bassa D(x)
• L’aleatorietà della fase comporta che per il fenomeno
del fading si debba dare una descrizione statistica. Si
usa la distribuzione cumulativa complementare D.
• Data una variabile aleatoria (v.a.) X, si definisce
distribuzione cumulativa D(x) la probabilità che X sia
maggiore o uguale ad un valore x:
D(x)=Pr(X ≥ x)=1-Pr(X≤x) con 0≤D(x)≤1
• La v.a. X può rappresentare un effetto indesiderato
come l’attenuzione (fading). Nella propagazione sono
comunemente usate sia la D(x) che la 1−D(x). D
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: Propagazione troposferica in aria chiara 47
Concetto statistico di mese peggiore
• In genere, gli andamenti di D(x) sono ottenuti sulla base di esperimenti in
cui viene registrata la variazione della variabile X in funzione del tempo, per
intervalli significativamente lunghi (tipicamente, qualche anno). Spesso la
D(x) viene espressa in termini di percentuale (di tempo), tra 0 e 100, rispetto
alla base temporale scelta (1 anno = 8760 h => 10% = 876 h; 1% =87,6 h).
• Poiché i processi sono generati da effetti fisici, gli andamenti ottenuti
sperimentalmente sono spesso ben approssimati da funzioni tipicamente usate
in statistica (gaussiana, log-normale, Rayleigh). In letteratura, i diagrammi
sono in genere riportati rappresentando la variabile X in dB e/o usando una
scala logaritmica per la D(x) .
• E’ molto comune rappresentare la D(x)
facendo riferimento al mese peggiore.
Registrando il processo d’interesse per molti
anni e riportando separatamente le 12
distribuzioni che corrispondono ai diversi
mesi dell’anno, si avranno diversi andamenti.
La distribuzione del mese peggiore è quella
per la quale, a parità di valori di D, si hanno i
valori più alti di attenuazione (fading).
x
D(X≥x) 100%0%
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Raccomandazione ITU-R P. 618.X
Corso di Propagazione: Sistemi di comunicazione satellitari e radar 48Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: propagazione in presenza di idrometeore 49
Schema ITU-R degli effetti atmosferici
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ITU-R P.618-9 (Atot)
ITU-R P.1510 (Temp)
Oxygen
ITU-R P.676-7, An.2 (Aoxy)
ITU-R P.676-7, An.2 (Awv)
ITU-R P.836-3 (WV)
Water Vapor
ITU-R P.1510 (Temp)
ITU-R P.840-3 (Acl)
Clouds
ITU-R P.837-5 (R0.01)
ITU-R P.838-3 (α,k)
ITU-R P.839-3 (HR)
Rain
ITU-R P.618-9 (Ar)
ITU-R P.453-9 (Nwet)
Scintillation
ITU-R P.618-9 (Asc)
Corso di Propagazione: propagazione in presenza di idrometeore 50
Schema ITU-R degli effetti atmosferici
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Implemented Current Title
618-9 618-13 Propagation data and prediction methods required for
the design of Earth-space telecommunication systems
837-5 837-7 Characteristics of precipitation for propagation modelling
838-3 838-3 Specific attenuation model for rain for use in prediction
methods
839-3 839-4 Rain height model for prediction methods
836-3 836-6 Water vapor: surface density and total columnar content
676-7 676-11 Attenuation by atmospheric gases
840-3 840-7 Attenuation due to clouds and fog
453-9 453-13 The radio refractive index: its formula and refractivity data
372-9 372-13 Radio noise
834-4 834-9 Effects of tropospheric refraction on radiowave
propagation
Corso di Propagazione: propagazione in presenza di idrometeore 51
Attenuazione supplementare da pioggia
• Per un collegamento in ponte radio operante a frequenza superiore a 10 GHz,l’attenuazione supplementare dovuta pioggia è il fattore più importante daconsiderare.
Per f > 10 GHz :
Attenuazione totale: Ltot|dB = Lsys|dB+ Lfs|dB+Latmo|dB+LpathRain|dB
• Poiché in generale l’intensità di precipitazione varia nello spazio e nel tempo,LpathRain non è nota una volta dimensionato un collegamento, ma può esseredescritta solo statisticamente tramite la probabilità che un certo valore diLpathRain sia superato per una certa percentuale di tempo.
• Le statistiche dell’attenuazione NON sono facilmente determinabili poiché,sebbene misure pluviometriche di R si effettuino da oltre un secolo, gli eventi diattenuazione molto elevata (per cui il collegamento è fuori servizio),corrispondenti a valori di forte precipitazione, sono estremamente localizzati(servirebbe una rete di pluviometri molto densa spazialmente) e pressochéistantanei (gli Istituti Meteorologici forniscono dati medi di R).
• Oggi sono disponibili osservazioni sperimentali (misure pluvio-disdrometriche) raccolte in diverse località su tempi lunghi (utili per statisticheaffidabili).
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: propagazione in presenza di idrometeore 52
Modello ITU di attenuazione da pioggia (1/2)
• Anche nei collegamenti spaziali l’attenuazione dipende dalle proprietà statistiche
dell’intensità di pioggia e dalla sua distribuzione spaziale. In questo caso, i
parametri da considerare sono quelli mostrati in figura:
– hs [km]: altezza sul livello del mare;
– hR [km]: quota massima per cui si ha pioggia;
– : angolo di elevazione.
• Le quota massima a cui si ha pioggia è data dalle seguente formula empirica (f è la
latitudine):
• Inoltre:
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: propagazione in presenza di idrometeore 53
Zero termico climatologico in ITU-R
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
La raccomandazione ITU-R P. 839-3 si occupa di definire il freezing level (zero
termico), ovvero la quota di altezza massima dal livello del mare a cui si può avere
presenza di pioggia, dopo questo livello le particelle d'acqua diventano ghiaccio, che a
microonde può essere trascurato.
La formula climatologica
che l′ITU ci fornisce è la
seguente:
ℎ𝑅 = ℎ0 + 0.36𝑘𝑚
dove ℎ0è il freezing level
medio che può essere
ricavato, nota la
longitudine e latitudine
della nostra stazione
ricevente, da misure
medie globali mappate
Corso di Propagazione: propagazione in presenza di idrometeore 54
• Modello proposto dall’ITU per effetti di pioggia in collegamenti spaziali
• Analogamente al caso dei ponti radio terrestri, si considera l’intensità di pioggia
R001 ecceduta per lo 0.01% del tempo e si calcola la corrispondente attenuazione
per unità di lunghezza R001[dB/km]. Tuttavia, si esprimono i parametri in una
forma più generale in funzione di angoli di elevazione e di polarizzazione t:
• L’attenuazione in dB ecceduta per lo 0.01% del tempo è:
• Per una generica percentuale di tempo p, l’attenuazione ecceduta (in dB) è:
u
vuvuvuvuv
uuuuu
VVHHVVHH
VHVH
2
2coscos)(
2
2coscos)(
2
2
t
t
)015.0exp(0286.01
1
001
001001RL
LuRAg
s
v
T
)]log(043.0546.0[
001 12.0 p
Tp pAA
Modello ITU di attenuazione da pioggia (1/2)
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: propagazione in presenza di idrometeore 55
Coefficienti teorici u, v per pioggia
uH uV vH vV RECOMMENDATION
ITU-R P.838-3
Specific attenuation
model for rain for use in
prediction methods
H= Horizontal
polarization
V= Vertical polarization
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: propagazione in presenza di idrometeore 56
Modello empirico di attenuazione da pioggia
– Per una generica percentuale di tempo p, l’attenuazione ecceduta (in dB) è:
• Anche per il problema della pioggia, sono spesso usate tecniche di diversità. In
questo caso è efficace la diversità di spazio, con spaziature tra le antenne di almeno
10 km.
)]log(043.0546.0[
001 12.0 p
Tp pAA La misura di R (mm/h) può
essere efffettuata mediante
pluviometri a basculamento in
grado di accumulare acqua in
caduta su una superficie A in un
certo periodo di tempo Dt.
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Corso di Propagazione: propagazione in presenza di idrometeore 57
Esempi di distribuzioni cumulative di A
Distribuzioni cumulative di attenuazione raccolte nel 1994-1999 presso il sito sperimentale
di Spino d’Adda di proprietà del Politecnico di Milano. In questo caso si considera
direttamente l’attenuazione totale.
Spesso la D(x) viene
espressa in termini di
percentuale (di tempo), tra 0
e 100, rispetto alla base
temporale scelta
(1 anno = 8760 h =>
10% = 876 h;
1% =87.6 h
0.1%=8.76 h).
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Corso di Propagazione: propagazione in presenza di idrometeore 58
Esempi di distribuzioni cumulative di A
(N.B.: 1 anno = 8760 h => 10% = 876 h; 1% =87.6 h; 0,1% =8.76 h).
Radiopropagazione atmosferica a microonde per applicazioni spaziali
Distribuzioni cumulative di attenuazione raccolte nel 1994-1999 presso il sito sperimentale
di Spino d’Adda di proprietà del Politecnico di Milano. In questo caso si considera
direttamente l’attenuazione totale.
Programma seminariale
Corso di Propagazione: introduzione al corso 59
1. Radiopropagazione atmosferica ad alta frequenza: modelli e sistemi (F.S. Marzano)
• Spettro e.m. e meccanismi di propagazione/interazione
• Missioni spaziali per TLC, TLR E DSE ed equazione di trasmissione Friis
• Rumore di antenna e trasferimento radiativo
• Propagazione in aria chiara e nubi e modelli statistici di predizione
2. Applicazioni a comunicazioni spaziali in banda Ka e Q (A.M Marziani e F. Consalvi)
• Missioni TLC, Alphasat e bilancio di collegamento
• Stazioni riceventi, hardware e realizzazione
• Esempi di misure di attenuazione e scintillazione
3. Applicazioni a radiocollegamenti di spazio profondo in banda Ka (M. Biscarini)
• Missioni DSE e BepiColombo
• Bilancio di collegamento e trasferimento dati
• Simulatori di canale da previsioni meteorologiche
• Metodi di ottimizzazione con esempi e applicazioni
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