Radiotecnica Terrestre e Satellitare

Corso n. 3084 Radiotecnica terrestre e satellitare - (6 CFU) - (Corso di Laurea Magistrale: Ing. Elettronica) - (Corso di Laurea Magistrale: Ing. delle Telecomunicazioni) 

Cod. Ateneo: -

A.A.: - 2023-24

Docente: Prof. ass. Vincenzo Ferrara – vincenzo.ferrara@uniroma1.it

Settore: ING-INF/01

GENERALI 

Gli obiettivi del corso sono quelli di individuare tecnologie e tecniche di progettazione per la radiocomunicazione a grande distanza, specificatamente satellitare. In particolare sono esaminate le specificità dei segmenti: Spazio e Terra. Nonché le conseguenze sulla progettazione di dispositivi elettronici allo stato solido operanti nello Spazio, in particolar modo degli effetti delle radiazioni ionizzanti. Inoltre il corso ha l’obiettivo di approfondire le conoscenze sugli amplificatori di potenza ad alto rendimento (HPA). 

SPECIFICI 

• Conoscenza e capacità di comprensione: conoscere metodi di valutazione di componenti e della diversità di progettazione per apparecchiature destinate al funzionamento nell’ambiente Spazio. Nonché la conoscenza di metodi analitici per la progettazione di stadi finali ad alta efficienza.

• Capacità di applicare conoscenza e comprensione: applicare metodologie di progettazione diversificate per ambiente e richieste di efficienza energetica.

• Capacità critiche e di giudizio: capacità critiche di progettazione elettronica e di selezione mirata di dispositivi elettronici. Capacità acquisite con prove di laboratorio che prevedono l’utilizzo di ambienti di sviluppo (MathWorks,…), di software per la simulazione CAE (Genesys,…) di circuiti HPA a RF, strumenti di misura (oscilloscopi, analizzatori, …).

• Abilità comunicative: saper descrivere le soluzioni circuitali adottate per risolvere problemi di condizioni operative avverse e di contenimento dei consumi energetici. 

• Capacità di proseguire lo studio in modo autonomo nel corso della vita: capacità atte all’inserimento in contesti lavorativi di progettazione di sistemi elettronici per lo Spazio e di stadi finali ad alta efficienza.

Prerequisiti:

Elettronica: tecnologie dei componenti allo stato solido e risoluzione di circuiti elettronici; importante.

Programma 

(Per un maggior dettaglio del calendario delle lezioni vedi il sito web del corso.)

Il corso introduce inizialmente i requisiti imposti alle architetture elettroniche quando esse devono operare in ambiente Spazio, includendo la fase di pre-lancio del vettore, il lancio e l’orbita finale di esercizio. Viene descritto l’ambiente Spazio, con particolare riguardo alle radiazioni ionizzanti di origine solare e cosmica e al loro effetto sui componenti e sull’operatività dei sistemi elettronici, e fornite le soluzioni ai problemi mediante la tecnologia e il design. È anche esaminato il sistema GPS, quale esempio di sistema satellitare con la descrizione dei requisiti di progetto elettronico sia per la comunicazione, sia per il calcolo della posizione e navigazione. Dopo una panoramica dei vari segmenti (spazio, terra, utente), il corso focalizzare il problema della progettazione elettronica degli stadi di potenza, utilizzati dai trasmettitori. Più specificatamente verranno esaminati gli amplificatori di alta potenza (HPA) e grande efficienza. Si analizzeranno le classiche configurazioni basate sulla riduzione dell’angolo di conduzione (classi A, B, AB, C) per descrivere le più efficienti classi a commutazione D,E,F,…, e le architetture elettroniche utilizzate per migliorare efficienza e linearità.

I temi del corso sono completamente sviluppati nelle slides del corso, distribuite durante le lezioni.

Settimana 1 

Introduzione al corso: temi principali. Organizzazione del corso. Panoramica sui sistemi e sulle tecnologie nelle comunicazioni HF, VHF e UHF. Confronto con i collegamenti in fibre ottiche e via cavo. Esempi di strutture di comunicazioni radioelettriche: struttura Tx, struttura Rx. ...).

Continuazione panoramica sui sistemi e sulle tecnologie nelle comunicazioni HF, VHF e UHF. Esempi di strutture nelle telecomunicazioni satellitari: segmenti spaziali, terrestri e di controllo a terra. Tipologie di satelliti in base al peso. Applicazioni dei micro e nano-satelliti.  Standard: IEEE 802.11, IEEE 802.16. Cenni sullo standard IEEE 802.15. Architetture di collegamento: il sistema satellitare, la navigazione terrestre, area e marittima (NAVSTAR/GPS/Galileo), radiotecnica punto-multipunto, radiotecnica multipunto-multipunto. Esempio di radiotecnica satellitare: Posizionamento e navigazione (NAVSTAR/GPS/Galileo). 

Settimana 2

Introduzione alla programmazione con MatLab per la soluzione dei problemi inerenti il corso (procedura di calcolo GPS,…). Tecniche di Input-Output.

Sistemi di rilevamento a terra. Segmenti: segmento spazio, segmento di controllo, segmento utente. Caratteristiche dei satelliti e delle loro orbite. Struttura del segnale GPS: L1, L2, C/A , P, modulazione BPSK. Livello minimo di segnale in ricezione e variabilità per effetto della posizione relativa satellite-utente. Generazione del codice C/A. Metodo di misura della posizione: trilaterazione, misura della distanza del satellite, effemeridi. Effetto Doppler e conseguenze sulla portante e sul chip-rate.

Settimana 3

Esercitazione MatLab soluzione posizionamento GPS. Calcolo del livello minimo di segnale in ricezione. Rumore termico e massimo guadagno di sistema del ricevitore. Fattori che influenzano le misure GPS. 

Cenni sulle architetture del ricevitore GPS: a digitazione diretta, down- converted (in fase e in quadratura). Conclusioni GPS. Sistema Galileo: integrazione con sistemi GPS e EGNOS.

Settimana 4

L’ambiente Spazio e l’elettronica per lo spazio. Considerazioni sugli stress di lancio e delle condizioni ambientali: vibrazioni, rumore acustico, accelerazioni, ambiente termico. L’ambiente spazio: Sole (spettro solare). Ambiente Spazio e radioattività: decadimento con emissione di nucleoni, decadimento beta. 

Decadimento con transizione tra stati dello stesso nucleo. Unità di misura di radioattività. Radiazione Spaziale: flares e CME. Vento Solare. Differential surface charging. SPE (Solar particle events). Fondo Cosmico: Blemsstrahlung. L’ambiente spazio in prossimità della Terra: Troposfera, Ionosfera, fasce di Van Allen. Cariche elettrostatiche, meteoriti e micro-meteoriti. 

Settimana 5

Effetti dell’ambiente sui materiali (outgassing, erosione da ossigeno atomico, …). Dislocazioni. Enhanced low dose rate sensitivity. Ionizzazione. Meccanismi di danneggiamento da radioattività in circuiti allo stato solido. Effetti a lungo termine (TID, DDD. Effetti a breve termine SEE: danneggiamento temporaneo (SEU: SET, MBU, SHE; SES), danneggiamento definitivo (SEL, SEB, SEGR). Spacecraft charging, interferenza di fondo. Mitigazione da TID e DDD. Effetti da TID negli unipolari: Threshold-voltage shifts, conseguenze della riduzione dello spessore dell'ossido di gate, conseguenze procurate dagli ossidi di campo, fotocorrenti, burst. Effetti TID nei bipolari. Effetti SEE: funneling. Statistica SEU in relazione alle orbite dei satelliti. Effetti SEL: stuttura pnpn.

Dispositivi RH. RHA (Radiation Hardness Assurance). RHACL (Radiation Hardness Assured Capability Limit). Tecniche RH: Fisiche/tecnologiche, logiche.

Settimana 6

 Problematiche di attenuazione alle microonde per effetto del vapor acqueo e della pioggia. Orbita-velocità- periodo. Copertura e tempo di comunicazione. Costellazione di satelliti. Problematiche sulla disponibilità e sull’affidabilità di sistema. Ridondanza. Subsistemi satellitari: sistema antenna, sistemi di alimentazione, transponder. Cenni su filtri (Butterworth, Chebyshev, risonanti, a capacità commutate).

Klystron a due cavità: calcoli analitici di progettazione. 

Settimana 7

Klystron reflex e multicavità.

Transponder: multiplexer. Traslatori di frequenza, oscillatori locali. Segmento Terra. Tipi di stazioni di terra (LES, SES,VSAT, USAT). Architettura base di una stazione di terra. Caratteristiche di progetto di una stazione di Terra, prestazioni (EIRP, qualità del segnale ricevuto). Rumore, temperatura di rumore e FN. Adattamento di ingresso per minimo FN. Tracking. Larghezza di banda di trasmissione, bit rate, rapporti portante/rumore (C/N) e S/N: confronto analogico -digitale. Capacità di informazione (Shannon). Relazione Eb/No - C/N, efficienza di spettro, roll-off, BER. Equazioni del collegamento con il satellite (uplink e downlink), equazione di Friis, collegamento combinato. Interferenze, interferenze+ rumore

Settimana 8

Match coniugato e limitazioni di corrente e tensioni. Match di guadagno e di potenza. Amplificatori lineari RF: tecnologie SiC, Si, GaAs. Amplificatori  RF di potenza ad alta efficienza. Guadagno e stabilità di una rete due porte RF. Fattore di stabilità di Rollet. Linearità, forte e debole linearità. Non linearità: sviluppo in serie di potenze, serie di Volterra. Misure Load-pull (manuale, interattivo, automatizzato). Load-pull attivo. Teoria della retta di carico. Effetti del “package”: capacità parallela, induttanza serie, linea di trasmissione, misto.

Amplificatori convenzionale ad alta efficienza- metodi di riduzione dell’angolo di conduzione. Angolo di conduzione ed efficienza: classi AB, B e C. Effetti sul contenuto armonico. PAE e PUF.

Settimana 9

Presentazione di un CAD elettronico di simulazione: Genesys. Applicazioni. Realizzazione di un layout con Genesys.

Effetti del ginocchio del transistor. Caratteristiche di trasferimento di potenza e linearità. Requisiti del driver. Effetti delle reti di adattamento negli amplificatori ad alta efficienza con angolo di conduzione ridotto. Reti di adattamento a p greco. Reti di adattamento multi-sezione.

Settimana 10

Simulazioni RF-Genesys: A) progettazione e misure layout induttori a microstriscia. B): modello contorno mediante retta di carico, utilizzo di equazioni nel simulatore Load-pull: modelli per gli archi di curve 

Reti di adattamento multi-sezione e con linee di trasmissione. Simulatazione RF "Genesys": adattamento multisezione. Corto circuito delle armoniche. Progetto di un PA ad alta efficienza con reti di adattamento. Sovrapilotaggio e effetti limitanti in PA RF- Modi “switching”. Reti adattatrici: accordo a scala, a trasformatore. Reti di adattamento: a scala, filtri LC del secondo ordine. Induttori integrati: calcolo analitico dell'induzione totale di più segmenti paralleli comunque disposti. Induttore quadrato, a spirale, ottagonale.

Settimana 11

Effetti del sovrapilotaggio nelle classi A e ad angolo di conduzione ridotto. Principi di funzionamento del classe F. Rete di carico RLC per un classe F.

Esercitazione: applicazione con simulatore RF "Genesys": altre procedure di ottimizzazione, classe F (eliminazione seconda armonica e adattamento alla fondamentale e terza armonica) e misure relative.

Settimana 12

Amplificatore a commutazione semplificato. Amplificatore a commutazione accordato. Amplificatore a commutazione in classe D. Squadratura dell’onda sinusoidale: classi F e D. La classe F nella pratica realizzazione. Sovrapilotaggio con armoniche cortocircuitate. Amplificatore a commutazione semplificato. Amplificatore a commutazione in classe E. Tecniche di incremento dell’efficienza. Effetti del livello del driver sull’efficienza. Amplificatore Doherty. Tecniche per migliorare la linearità.

Amplificatori di potenza: misure della qualità delle forme d'onda. Definizione dei parametri e test a due toni. Conversioni di modulazione AM/AM AM/PM. Distorsioni di intermodulazioni Punto di intercetta di ordine n-esima di ingresso e d'uscita. PAP, CCDF, ACPR, AltCPR, ACI, EVM. Tecniche per migliorare la linearità. Predistorsioni. Predistorsione FeedfowardAmplificatori Outphasing (LINC-CALLUM): foreground calibration algorithm, background calibration algorithm. Analisi del separatore e del combinatore. Metodo Envelope Elimination and Restoration (EER).

ATTIVITÀ DI LABORATORIO

•             Simulatori per la predizione degli effetti della radiazione sui componenti elettronici.

•             Implementazione di codici per la valutazione dei parametri progettuali di HPA.

•             Progettazione al calcolatore con simulatori (Genesys, …) di stadi finali RF ad alta efficienza in Classe E, F.

•             Esempio di progettazione hardware di un radar FMCW.

Bibliografia: 

·         S. C. Cripps, --RF Power Amplifier for wireless communications--, ed. Artech House, 1999;

·         S. C. Cripps, --Advanced techniques in RF power amplifier design--, ed. Artech House , 2003; 

·         X. Zhang, L.E. Larson, P.M. Asbeck, --Design of linear RF Outphasing Power Amplifier--, ed. Artech House , 2003;

·         M.O. Kolawole,--Satellite Communication Engineering--, Marcel Dekker Inc. , 2002.

·         Materiale integrativo (lucidi/diapositive del corso, articoli) disponibili sul sito web: https://elearning2.uniroma1.it/course/view.php?id=4926.

Modalita`: 

·         Lezioni frontali

·         Esercitazioni con ausilio di programmi di simulazione circuitale CAE (RF e di Potenza)

·         Attività di laboratorio con utilizzo di strumentazione per le misure elettroniche.

·         Utilizzo di piattaforma e-learning per distribuzione di materiale didattico

Modalita` esame

Esame con votazione in trentesimi

Sono previste delle prove in itinere con attività di laboratorio (Simulazione CAD/banchi di misura, esercizi circuitali) con valutazione complessiva che tiene conto della progressione di apprendimento.

In alternativa la valutazione è fatta con una prova scritta di due ore riguardante la risoluzione di problemi tecno/circuitali e di progetto e con una prova orale di verifica dell’apprendimento e della capacità di ragionamento.