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Come funzionano i satelliti per TV e radio: le cose da sapere

Per comprendere i nostri focus sui satelliti (ma non solo) e scoprire il significato dei termini tecnici è necessario partire dalle nozioni di base. Come sono fatti e come funzionano i satelliti? Perché sono visibili solo in alcune zone del pianeta e richiedono parabole di diverse dimensioni? Cosa significano i termini “footprint” e “transponder”? Scopriamolo insieme.

I satelliti utilizzati per le telecomunicazioni televisive e radiofoniche sono strumenti altamente sofisticati e costosi, fino a centinaia di milioni di dollari, con dimensioni simili a quelle di un grande autobus e un peso di 4-5 tonnellate. Con i pannelli solari dispiegati possono addirittura superare i 40 metri di larghezza. La loro missione è quella di trasmettere migliaia di canali radiotelevisivi superando le limitazioni dei segnali terrestri in termini di potenza e copertura geografica.

Satelliti
Fonte: Eutelsat

Dalla sua orbita geostazionaria, cioè sincronizzata con quella della terra per permettere di “vederlo” sempre nella stessa posizione a qualsiasi ora del giorno e della notte, un satellite è in grado di ricevere i segnali trasmessi da una o più stazioni di terra chiamate “uplink”, elaborarli e ritrasmetterli (downlink) su una vasta area, anche un intero continente, con una potenza tale da poter essere ricevuti con infinite antenne paraboliche puntate verso la sua orbita. Un satellite funziona quindi come una lente “attiva” che, colpita da un fascio ristretto di luce (segnale di uplink), la diffonde amplificata (downlink) in tutte le direzioni.

L’arco che ospita i satelliti geostazionari e che si trova a 36 mila chilometri di distanza dalla terra è chiamato anche “Fascia di Clarke”, in onore dello scrittore di fantascienza Arthur C. Clarke che per primo, quasi 80 anni fa, ipotizzò l’utilizzo dell’orbita geostazionaria da parte dei satelliti per telecomunicazioni.

 

 

Doppia banda per la ricezione e la trasmissione dei segnali

Per poter ricevere e trasmettere i segnali in modo sicuro ed efficiente, un satellite utilizza differenti bande di frequenza per l’uplink (es.: 5,825-6,425 GHz per la banda C e 12,75-13,25 GHz, 13,75-14,5 GHz e 17,3-18,4 GHz per la banda Ku) e per il downlink (es.: 3,6-4,2 GHz per la banda C e 10,7-12,75 GHz per la banda Ku). Queste bande sono composte da tanti piccoli “blocchi”, ciascuno con “dimensioni” (larghezza di banda) di 24, 33, 36, o 72 MHz.

Ogni blocco corrisponde a uno o più transponder (ripetitori). Ciascun transponder, associato ad una determinata frequenza (es.: 11,423 MHz), polarità (verticale, orizzontale oppure circolare sinistrorsa/destrorsa) e ad uno spot di illuminazione (chiamato “footprint”) con copertura geografica e potenza differenti, ospita uno o più canali televisivi aggregati tra loro (multiplex).

La frequenza e la polarità di ogni singolo transponder, così come lo spot ad esso associato con la copertura ed il livello di potenza al suolo dichiarati (EIRP – Equivalent Isotropic Radiated Power – unità di misura: dBW), sono elementi fondamentali per calcolare il diametro dell’antenna parabolica e permettere così di sintonizzare i canali trasmessi.

Come calcolare il diametro dell’antenna dalla potenza del satellite

Per calcolare il diametro minimo di una parabola necessario per ricevere i canali di un satellite esistono vari metodi. Il più semplice è utilizzare questa tabella:

Diametro parabola e potenza satellite

I dati riportati, puramente indicativi, sono stati calcolati prendendo come riferimento convertitori LNB con figura di rumore (NF) di 0,4/0,5 dB, antenne paraboliche con guadagno nella media (che varia in base al diametro) ed un cablaggio di poche decine di metri. In base alle norme tecniche di settore (CEI), il livello minimo del segnale nella presa SAT più lontana (e penalizzata) deve essere non inferiore a 47 dBµV, misurabile con uno strumento hobbistico o professionale (analizzatore di campo).

Se si utilizza una parabola Dual Feed o Multi Feed, è consigliabile aumentare il diametro di 10-20 cm per garantire lo stesso guadagno di una Mono Feed (fissa o motorizzata). Se si utilizzano LNB con figura di rumore più bassa e parabole ad alte prestazioni è possibile “guadagnare” qualche centimetro, cioè utilizzare parabole leggermente più piccole. Se i cablaggi sono più lunghi, l’attenuazione del segnale aumenta ed è quindi necessario utilizzare parabole leggermente più grandi.

Il diametro minimo indicato potrebbe quindi non tenere conto del “margine di sicurezza” indispensabile per garantire la ricezione anche in condizioni climatiche e ambientali non ottimali (pioggia, nebbia, ostacoli naturali come la vegetazione, ecc.) e con impianto di ricezione non perfettamente efficiente. In sostanza, un impianto progettato a regola d’arte deve anche prevedere un margine di sicurezza di almeno 10-20 cm proprio per garantire una ricezione esente da disturbi anche nei casi più critici.

Pannelli fotovoltaici e razzi di spinta sui satelliti

Per poter operare nello spazio, un satellite è dotato di grandi pannelli fotovoltaici che forniscono l’energia necessaria al funzionamento dei sistemi di ricetrasmissione e di bordo. È anche equipaggiato di razzi di spinta che permettono, tra gli altri, di mantenere costante la sua posizione orbitale nel corso del tempo.

Quando il propellente presente nei serbatoi (circa il 50% del peso complessivo del satellite) inizia ad esaurirsi, il satellite tende a perdere la sua orbita di riferimento (si parla di “satelliti in orbita inclinata”) ed il suo ciclo di vita si conclude dopo alcuni mesi o anni con uno spostamento in un’orbita di parcheggio oppure di sicurezza (de-orbiting) per evitare potenziali collisioni con altri oggetti spaziali.

Satelliti

Di norma, la vita utile dei moderni satelliti per telecomunicazioni è di circa 10-15 anni e gli operatori, per garantire la continuità del servizio, programmano il lancio di nuovi esemplari e/o lo spostamento di quelli già attivi in altre posizioni a seconda delle richieste del mercato.

Da alcuni anni sono disponibili satelliti che utilizzano razzi a propulsione elettrica che consumano una massa di propellente fino a 6 volte inferiore rispetto a quelli con propulsione chimica. Questa soluzione permette di ridurre il peso del satellite richiedendo vettori meno potenti e costosi, assicurando una vita in orbita invariata se non addirittura superiore.

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