Grazie ai materiali avanzati, i filtri passa banda possono soddisfare i requisiti delle comunicazioni satellitari a frequenza più alta

Le comunicazioni satellitari si stanno spostando verso bande di frequenza più elevate, alla ricerca di maggiore larghezza di banda e throughput. La larghezza di banda nelle tradizionali bande L (da 1 a 2 GHz), C (da 4 a 8 GHz) e X (da 7 a 11 GHz) si sta rapidamente esaurendo, quindi i progettisti si stanno rivolgendo alla banda Ku (da 12 a 18 GHz) e oltre per ottenere uno spazio nell'etere meno congestionato. Mentre gli ingegneri si sforzano di migliorare le prestazioni delle comunicazioni satellitari, gli operatori commerciali spingono per ottenere veicoli spaziali più leggeri e compatti.

Figura 1: L'orbita terrestre sta diventando affollata, quindi gli ingegneri stanno cercando bande di frequenza più alte per evitare le interferenze di altri satelliti. (Immagine per gentile concessione di Knowles DLI)

L'elemento critico di un sistema satellitare è l'antenna in schiera utilizzata per trasmettere e ricevere i segnali RF. Ogni elemento del gruppo funziona come una mini-antenna. Le antenne in schiera hanno sostituito in larga misura le antenne satellitari paraboliche convenzionali perché offrono prestazioni migliori, tra cui un guadagno più elevato, un migliore rapporto segnale/rumore (SNR) e una migliore ricezione della diversità. Quest'ultima aiuta a superare l'attenuazione del segnale. Inoltre, la riduzione dei lobi laterali nella distribuzione dell'irradiazione dell'antenna migliora la governabilità del fascio di trasmissione e la sensibilità ai segnali in arrivo da una particolare direzione.

Le moderne antenne in schiera utilizzano la variazione di fase per aumentare ulteriormente le prestazioni. In precedenza, le antenne in schiera dovevano essere riallineate meccanicamente per reindirizzare una trasmissione teletrasmessa mentre il satellite si muoveva nella sua orbita. Ora, l'antenna a schiera di fase trasmette con una differenza di fase calcolata al computer tra ciascun elemento dell'antenna, inducendo un'interferenza costruttiva nelle trasmissioni dei singoli elementi e rafforzando il segnale in una particolare direzione.

Oltre a prestazioni migliori, il funzionamento a frequenze più elevate e le antenne a schiera di fase offrono la possibilità di ridurre le dimensioni e il peso dell'antenna. Di conseguenza, si riducono le dimensioni, il peso e la potenza ("SWaP") dei satelliti di comunicazione.

In un'antenna a schiera di fase, la spaziatura degli elementi del gruppo deve essere inferiore alla metà della lunghezza d'onda della frequenza operativa. Ciò serve principalmente a evitare i cosiddetti lobi di griglia, ovvero lobi laterali nello schema di trasmissione dell'antenna che sprecano potenza. Le frequenze più alte sono caratterizzate da lunghezze d'onda inferiori. Ad esempio, la lunghezza d'onda centrale della banda L è di 300 mm, mentre quella della banda Ku è di 20 mm, riducendo lo spazio tra ciascun elemento di quest'ultima. Inoltre, l'eliminazione di qualsiasi sistema di rotazione meccanica riduce l'ingombro dell'antenna.

Filtro passa banda: un componente critico per le comunicazioni satellitari

I filtri passa banda attenuano i segnali spuri, soddisfano la conformità alle interferenze e riducono al minimo il rumore del sistema nelle applicazioni di comunicazione satellitare. Si tratta di un compito difficile in un'antenna a schiera di fase a causa dei vincoli di spazio, del funzionamento ad alta frequenza e della necessità di un filtraggio di precisione per sfruttare il potenziale di comunicazione ad alta velocità del sistema satellitare.

Gli ingegneri guardano al fattore Q del dispositivo per determinare il livello delle prestazioni del filtro. Il fattore Q indica la capacità della soluzione di bloccare le frequenze indesiderate e di consentire il passaggio di quelle target. Una buona selettività è fondamentale in ambienti in cui i canali adiacenti sono vicini, soprattutto quando i progettisti cercano di massimizzare l'uso della larghezza di banda disponibile.

Esistono alcune opzioni commerciali collaudate per il filtraggio di bypass delle comunicazioni satellitari nella banda Ku. Le opzioni preferite sono le guide d'onda dielettriche, le guide d'onda metalliche, le strip-line su scheda, la ceramica co-sinterizzata a bassa temperatura (LTCC) e la microstriscia a film sottile su ceramica. Ognuno di esse presenta vantaggi e svantaggi. Ad esempio, le guide d'onda metalliche sono l'opzione migliore per le frequenze superiori a 70 GHz, ma sono ingombranti e costose, mentre le guide d'onda dielettriche sono compatte ma funzionano solo fino a 30 GHz e hanno una tolleranza della frequenza relativamente scarsa (una misura della deviazione dalla frequenza desiderata).

Il filtro di bypass in microstriscia a film sottile su ceramica offre la migliore soluzione globale per le antenne a schiera di fase che operano nella banda Ku. Possono operare fino a frequenze molto elevate (seconde solo alle guide d'onda metalliche), hanno la migliore tolleranza della frequenza, dallo 0,3 allo 0,5% (al massimo), dimensione dimezzata rispetto all'opzione successiva più piccola (LTCC) e possibilità di integrazione direttamente dietro l'elemento dell'antenna in schiera (insieme a strip-line su scheda e LTCC).

Viene in soccorso la scienza dei materiali

La scelta del dielettrico è fondamentale per le prestazioni di un filtro a microstriscia su bypass ceramico. Un alto Q è tradizionalmente molto difficile da ottenere nei filtri compatti, ma i moderni materiali ad alta costante dielettrica ("K") possono affrontare questa sfida. Lo svantaggio è che tali materiali tendono a presentare una scarsa tolleranza della frequenza, soprattutto al variare delle temperature. E nel vuoto dello spazio la variazione di temperatura è del tutto normale.

È qui che entrano in gioco gli scienziati di Knowles DLI. L'azienda ha una distinta storia di sviluppo di materiali e ha prodotto un dielettrico per microstriscia su filtri bypass in ceramica che supera gli inconvenienti dei dielettrici ad alto K. Utilizzando questo materiale, l'azienda ha prodotto una famiglia di dispositivi compatti con una stretta tolleranza della frequenza in un ampio intervallo di temperatura. Il dielettrico ha il vantaggio di ridurre le perdite di energia, migliorando l'efficienza e contribuendo alla stabilità termica.

Un esempio di questa famiglia di filtri adatti al funzionamento in banda Ku è il filtro passa banda B148QF0S a 15 GHz. Il dispositivo misura solo 14x3,8x2,5 mm, il che lo rende adatto all'uso nelle limitazioni di spazio della mezza lunghezza d'onda degli elementi di un'antenna in schiera in banda Ku.

Viene fornito in un contenitore a montaggio superficiale che consente l'assemblaggio automatizzato, riducendo i costi di produzione rispetto al tradizionale assemblaggio di chip e fili o all'approccio ibrido. L'assemblaggio SMD contribuisce inoltre ad accelerare il time-to-market. Un ulteriore vantaggio è che la fabbricazione di film sottile consente di ottenere prestazioni ripetibili, per cui non è necessaria un'ulteriore messa a punto del dispositivo.

Il filtro presenta una buona selettività con una larghezza di banda effettiva (definita come f_H - f_L dove f_L è il taglio a bassa frequenza di -3 dB e f_H è il taglio ad alta frequenza di -3 dB) di 19,2 - 11,4 = 7,8 GHz, contro una larghezza di banda nominale Ku di 18-12 = 6 GHz. Da notare la rapidità con cui la risposta in frequenza diminuisce dopo il taglio delle basse e delle alte frequenze fino a raggiungere il punto di reiezione del lato basso o alto (-40 dB per B148QF0S). Un buon valore di selettività è un gradiente di 15-20 dB per decade. Il filtro passa banda di Knowles DLI ha un valore di circa 15 dB per decade (Figura 2).

Figura 2: Risposta in frequenza del filtro passa banda in microstriscia su ceramica B148QF0S. Progettato per il funzionamento in banda Ku delle comunicazioni satellitari, il dispositivo ha una frequenza centrale di 15 GHz e una larghezza di banda di 7,8 GHz. (Immagine per gentile concessione di Knowles DLI)

A prova di futuro

Con il tempo, anche la banda Ku diventerà congestionata. Ecco perché gli ingegneri hanno già iniziato a progettare sistemi di comunicazione satellitare per le bande K (da 18 a 26 GHz) e Ka (da 26 a 40 GHz). Ciò significa che le richieste di SWaP che hanno guidato lo sviluppo di filtri passa banda per le antenne fasate in banda Ku non potranno che aumentare. La buona notizia è che è stato dimostrato che i prototipi di filtri passa banda in microstriscia su ceramica sono in grado di funzionare fino a 70 GHz e sono già disponibili dispositivi commerciali capaci di gestire fino a 40 GHz. Ciò rende questi prodotti una soluzione idonea non solo per le applicazioni di comunicazioni satellitari avanzate di oggi, ma anche per quelle di domani.

Conclusione

Il lavoro di Knowles DLI sui materiali dielettrici per le alte frequenze di K ha portato a filtri passa banda ad alto Q che consentono ai progettisti di soddisfare le esigenze della banda Ku, con l'ulteriore vantaggio di ridurre le perdite di energia, migliorare l'efficienza e contribuire alla stabilità termica. La svolta arriva proprio quando la banda Ku comincia ad essere affollata, con l'inizio dei lavori per il passaggio alle bande K e Ka. Fortunatamente i nuovi materiali si adattano bene alle frequenze più elevate, con prototipi che operano fino a 70 GHz.