Diseño de una antena parche circular dualband con polarización circular para sistemas de telemetría y telecomando de satélites

Abstract

Este proyecto fin de carrera está centrado en el diseño y análisis de una antena parche circular que trabaje a doble frecuencia en el rango de del enlace descendente de comunicaciones satélite para sistemas de telemetría y telecomando (3.7GHz y 4.2GHz). Para implementar una transmisión apropiada a dos frecuencias en todas las posiciones deben tener polarización circular. La idea final es incluirla la antena diseñada en una agrupación de antenas para lograr mejor polarización circular y usarla para alimentar una antena de superestrato EBG que incremente el área efectiva, aumentando la directividad. Por lo tanto el diseño de la antena realizada en el proyecto se utilizará para alimentar la cavidad de una antena EBG para aplicaciones de TT&C. Para ello, se ha realizado un primer diseño que trabaja con un parche rectangular a una frecuencia alimentado por línea microstrip para posteriormente modelar un parche circular a doble frecuencia con polarización lineal, con ranura y alimentación por sonda coaxial. Este primer diseño funciona a las frecuencias de 3.7 y 4.2 GHz con polarización lineal. Como las aplicaciones de TT&C requieren doble banda de funcionamiento pero con polarización circular se ha diseñado un array de 2x2 parches con rotación secuencial para conseguir polarización circular como primera aproximación. El siguiente paso en el diseño ha sido la adaptación de la antena parche a funcionar con polarización circular en ambas frecuencias. Para ello se han probado diversas opciones como la inclusión de ranuras diagonales, puntos de alimentación extra y arrays para generar polarización circular. Se han obtenido resultados excelentes en cuanto a las frecuencias de funcionamiento y su adaptación, si bien para el caso de polarización circular el diseño se debe optimizar ligeramente para mejorar los niveles de axial ratio. El axial ratio no es menor a 6 𝑑𝐵 en las dos frecuencias. Finalmente se ha simulado un parche circular con 4 ranuras simétricas consiguiendo optimizar la polarización circular.

This project is focused in the design and analysis of a circular dualband patch antenna which works in the frequency range of the satellite downlink communications for TT&C sistems. Circular polarization is needed in both working frequencies for an appropriate behavior. The final idea is to include this antenna in an array configuration to improve the circular polarization and to use it to feed an Electromagnetic Band Gap (EBG) superstrate technology antenna to increase effective area, increasing the directivity. Therefore, a first design has been done working with a single frequency rectangular patch feed by a microstrip line. A dualband circular patch with a slot and feed by a coaxial ware has been design in a second step. This first design works at 3.7 and 4.2 GHz with linear polarization. As TT&C application require dual band behavior but with circular polarization, a 2x2 array of sequentially rotated patches has been designed to obtain circular polarization as a first attempt. The next step in the design has been the adjustment of the antenna to be able to work with circular polarization at both working frequencies. Several configuration have been used as the inclusion of diagonal slots, extra feed points and array configurations to generate circular polarization. Excellent results have been obtained in working frequencies and matching, while the circular polarization the design needs a final optimization process. Axial ratio not be less than 6 𝑑𝐵 at two frequencies has been obtained. Finally has been simulated a circular patch with 4 symmetric slots getting circular polarization.