Diseño y fabricación de antenas en tecnología plana para Manpacks y aplicaciones TT&C

Abstract

La tecnología espacial continua aportando los datos que tanta importancia suponen para el desarrollo global. La coordinación entre satélites y lanzaderas con estaciones terrestres necesita de una tecnología precisa y segura. Tales características las aportan aplicaciones como la telemetría, rastreamiento o telecomando, también llamadas “TT&C systems”. Junto con los sistemas de comunicación espacial, y manteniendo cierta similitud, la industria de defensa siempre se ha caracterizado por emplear sistemas de comunicaciones modernos, robustos y seguros en el campo de batalla entre la infantería y bases militares. Uno de los dispositivos más populares utilizados en esta área son los Manpacks, radio definida por software en redes de combate táctico. Las antenas planas que se diseñarán en este proyecto para aplicaciones TT&C y Manpacks son antenas parche y antenas slot. Los diseños de antena parche se realizan bajo unas condiciones específicas propias del sector comercial en cuanto a ganancia (6.5dBi), axial ratio (<4dB), ancho de banda (4%), polarización (CP) y frecuencia de operación, estando esta última en un rango de 2.2GHz-2.29GHz. El objetivo principal será cumplir con estas especificaciones. Como bien es sabido, una de las limitaciones más importantes de las antenas parche es el estrecho ancho de banda. Con este motivo, se realiza un estudio de mejora de ancho de banda en antenas parche utilizando distintos grosores de substrato. Para alcanzar la ganancia requerida, será necesario recurrir a configuraciones en array de antenas parche, con lo que se mostrará el proceso de mejora tanto de ancho de banda como de ganancia y así presentar el diseño que cumpla con las especificaciones. Por otra parte, y en relación con las aplicaciones TT&C, se presentan situaciones en la que se ve necesario recurrir a antenas con ambas capas metálicas. Este hecho se debe a que las lanzaderas poseen un exterior metálico y sufre de rozamiento y cambios bruscos, con lo que se debe utilizar antenas de este estilo. Para ello se van a llevar a cabo diseños de antenas slot para cumplir con estas características, pasando por distintas configuraciones en relación con la línea de alimentación hasta llegar a una versión final. El proceso consta de un diseño con línea microstrip, otro diseño con stripline y ambas capas metálicas y finalmente el mismo diseño con la inclusión de postes cilíndricos con el fin de mitigar los modos de substrato.

Space technology provides useful data for global development. Coordination between satellites and aircrafts with terrestrial stations needs an accurate and secure technology. Applications such as telemetry, tracking and command systems (TT&C systems) provide those previous characteristics. Together with space communication systems, and keeping certain similitude, Defense Industry has always been characterized by the use of modern, robust and secure communications systems between the infantry and military bases. One of the most popular devices in this area is the Manpack, a tactical softwaredefined combat-net radio. Patch and slot antennas are the types of planar antennas that will be designed in this project. The designs are performed under certain commercial requirements in terms of gain (6.5dBi), axial ratio (<4dB), bandwidth (4%), polarization (CP) and operation frequency located at the 2.2GHz-2.29GHz range. The main objective is design antennas to comply with these specifications. It is well known that the narrow bandwidth is one of the most important limitations of patch antennas. With this motive, a bandwidth enhancement study is performed on patch antennas using different substrate heights. In order to reach the required gain, it will be necessary appeal to array configurations and it will be shown the enhancement process of both the bandwidth and gain parameters. On the other hand, and regarding TT&C applications, there are situations where it is necessary to use antennas with metallic layers on top and bottom. This fact is due to the aircraft’s metallic exterior that suffers from friction and abrupt changes, so it is recommendable to use these type of antennas. The designs that are going to take part to comply with these characteristics are slotted antennas. This process consists of different configurations, starting from microstrip slotted antenna, another stripline slotted antenna with both metallic layer design and finishing with a final design of stripline slotted antenna with both metallic layers and the inclusion of cylindrical pins along the substrate to remove substrate’s modes.