Development of ultrathin metasurface and partially reflective surface antennas for space applications
Fecha
2017Versión
Acceso abierto / Sarbide irekia
Tipo
Tesis doctoral / Doktoretza tesia
Impacto
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nodoi-noplumx
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Resumen
La industria espacial ha estado siempre muy interesada en la evolución de las antenas que
se integran en los satélites. Se buscan soluciones que además de ser ligeras y compactas,
tengan un coste reducido. De esta forma se facilita su integración en los satélites y se reduce
el coste en el lanzamiento de todo el sistema. Los avances en las diferentes tecnologías
han demostrado su viabilidad p ...
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La industria espacial ha estado siempre muy interesada en la evolución de las antenas que
se integran en los satélites. Se buscan soluciones que además de ser ligeras y compactas,
tengan un coste reducido. De esta forma se facilita su integración en los satélites y se reduce
el coste en el lanzamiento de todo el sistema. Los avances en las diferentes tecnologías
han demostrado su viabilidad para cumplir con los requerimientos especificados, como lo
son la tecnología de superficies parcialmente reflectivas (PRS) o las metasuperficies (MTS).
Aunque estas tecnologías ofrecen a los ingenieros múltiples posibilidades, queda todavía por
realizar un gran trabajo para cumplir con todos los requerimientos de las antenas embarcadas
en satélites.
Por un lado, se ha empleado la tecnología de PRS para optimizar una antena trabajando
en doble frecuencia en banda C. Por otro lado, se ha diseñado y fabricado una antena basada
en MTS, con radiación broadside y doble polarización circular en banda Ku.
Esta tesis nació como continuación del trabajo realizado en el Grupo de Antenas de la
Universidad Pública de Navarra, en colaboración con EADS Astrium Casa Espacio (España)
y la Agencia Espacial Europea (ESA), para el desarrollo de una antena PRS que cumpliese
las especificaciones de una antena embarcada de una aplicación TT&C (Tracking, Telemetría
y control) a 3.7GHz. Trabajos anteriores consolidaron esta tecnología como una alternativa
ligera a las soluciones pesadas y voluminosas utilizadas convencionalmente. No obstante,
la mayoría de estas soluciones se han centrado en aplicaciones que funcionan en una sola
frecuencia. Falta un estudio más exhaustivo de las configuraciones con doble frecuencia
de funcionamiento. El trabajo realizado en esta tesis se ha centrado en el diseño de una
antena PRS para el cumplimiento de los requerimientos de una aplicación TT&C en dos
frecuencias en la banda C, 3.7GHz y 4.2GHz. En las PRS, también llamadas antenas de
band gap electromagnético (EBG) o superficies selectivas en frecuencia (FSS), se genera una
cavidad resonante entre el plano de masa donde está la fuente y el superestrato situado a una
distancia de media longitud de onda. La caracterización de la PRS se ha realizado mediante
el estudio de la matriz de reflexión de una onda incidente en la estructura teniendo en cuenta
las dos frecuencias de interés. La dificultad de la solución propuesta se centra en la cercanía
de ambas frecuencias, ya que la separación entre ellas es de 1.13%. La implementación de la antena PRS en doble banda se ha realizado introduciendo de forma adecuada una segunda
capa de FSS (compuesta por cruces de Jerusalem dentro de anillos metálicos) en la parte
inferior de una capa EBG (compuesta por un plano metálico con agujeros en su interior y que
se suele emplear para soluciones en una única banda). El sistema de alimentación es sencillo
y se compone de un array de 2x2 parches circularmente polarizado. El trabajo concluye
demostrando que la configuración propuesta podría ser empleada para sustituir un array de
antenas parche de 27 elementos que requiere un sistema de alimentación complejo.
La segunda parte de la tesis es la más extensa y se centra en el desarrollo de antenas
de metasuperficie (MTS). Debido al gran interés mostrado por la industria espacial en esta
tecnología extremadamente compacta y ligera, la tesis se centró en esta tecnología emergente.
Como se muestra en la literatura, las MTSs se pueden emplear para implementar soluciones
con diagramas de radiación complejos y buena polarización circular. Sin embargo, hay ciertos
aspectos que hoy por hoy todavía suponen una limitación, como pueden ser la capacidad de
proveer doble polarización circular o respuesta multibanda.
En esta tesis se presenta por primera vez, el modelado teórico, la implementación práctica
y las medidas de una antena MTS compuesta por una única capa capaz de proveer radiación
en broadside a 13.5GHz tanto con polarización circular a derechas como a izquierdas. Para
ello se ha realizado un estudio profundo sobre la tecnología MTS y se ha desarrollado la base
teórica de la solución propuesta. En esta estructura, se excitan dos modos transversales, de
tipo magnético y eléctrico, balanceados tanto en fase como en magnitud. Además, se explica
en profundidad la caracterización de la impedancia superficial requerida en la MTS y se han
realizado el estudio de dispersión de distintos pixeles para la implementación de la misma.
Por otro lado, también se explica el sistema de alimentación necesario y se presenta el septum
fabricado. Los resultados de simulación corroboran el comportamiento esperado según la
teoría desarrollada. El sistema completo ha sido fabricado y se muestran los resultados
experimentales.
En la última parte de la tesis se ha desarrollado la base teórica para la caracterización
de antenas de MTS de una única capa para aplicaciones multibanda. Se han presentado
tres configuraciones con distintos diagramas de radiación a las frecuencias de 13.5GHz y
16GHz, con polarización circular. El primer diseño radia con forma isoflux en dirección
backward en la banda baja mientras que en la alta radía en dirección broadside. La segunda
configuración es capaz de radiar con forma de isoflux en ambas bandas. Por último, el tercer
diseño radia en dirección broadside en la banda baja y en la alta con isoflux, gracias a la
contribución de dos modos dentro del región visible. Además, se presentan las limitaciones
de las configuraciones propuestas y las posibles mejoras a realizar.
Como resultado de este trabajo, se han publicado 3 artículos en revistas indexadas, se
han presentado 12 comunicaciones en conferencias internacionales (5 de ellas invitadas) y 5
nacionales. [--]
Space industry has shown huge interest in the evolution of onboard antennas to lighter,
thinner and cheaper designs, looking for an easier way to integrate them in satellites and to
reduce launching costs. New alternative technologies, such as Partially Reflective Surface
(PRS) and metasurface (MTS) have emerged in the recent years and they have shown their
applicability for satellite applica ...
[++]
Space industry has shown huge interest in the evolution of onboard antennas to lighter,
thinner and cheaper designs, looking for an easier way to integrate them in satellites and to
reduce launching costs. New alternative technologies, such as Partially Reflective Surface
(PRS) and metasurface (MTS) have emerged in the recent years and they have shown their
applicability for satellite applications. These technologies present a great opportunity for
engineers to develop innovative solutions, but it is still necessary to carry out an important
work to cover all the satellite antenna specifications.
In this thesis dissertation, different planar technologies have been employed to develop
flat and light satellite antennas. On one hand, the PRS technology has been employed to
optimize a dual band circularly polarized antenna working at C band. On the other hand,
a Ku band dual circularly polarized broadside beam MTS antenna has been designed and
fabricated.
This thesis was born as a continuity of the work carried out in the antennas group in
Public University of Navarra in collaboration with EADS Astrium Casa Espacio (Spain)
and European Space Agency (ESA), for the development of a PRS antenna to meet the on
board requirements of a TT&C application working at 3.7GHz. Although previous works
consolidated this technology as a feasible light alternative to conventionally employed bulky
solutions, its multiband behavior capacity has not been deeply studied. Due to this fact, the
second chapter of the thesis has been focused on the design of a PRS for TT&C application
working at two close frequencies at C band, 3.7GHz and 4.2GHz. In PRS antennas, also
called Electromagnetic Band Gap (EBG) or Frequency Selective Surfaces (FSS) antennas, a
resonant cavity is created between the ground plane of source and the PRS placed around half
a wavelength distance. The characterization of the PRS is realized by means of the scattering
matrix analysis of a plane wave impinging the structure considering two working frequencies.
The challenge of the proposed solution is related with the close working frequencies relation
( f2/ f1=1.13). The implementation of this dual band PRS antenna has been realized by
introducing a second FSS layer (composed by Jerusalem cross shaped elements inside
metallic rings) below the EBG superstrate (composed by a metallic sheet with holes which
has been employed in previous works for single band response). The structure is excited by a simple 2x2 circularly polarized array of patches. The work concludes demonstrating the
suitability of the proposed light configuration to substitute a conventional array antenna with
27 patch elements with the consequent simplification of the beam forming network.
The second part of this thesis dissertation is the most extensive and it is related with the
development of MTS antennas. Due to the great interest shown by the spatial industry in
the development of high gain satellite antennas based on this light ultrathin technology, the
dissertation was focused in this emerging technology. As it could be found in the literature,
MTS technology offers the opportunity to implement solutions with complex radiation
patterns and with good circular polarization control. Nevertheless, the capability to provide
dual circular polarization or dual band response with a single MTS antenna is still a challenge.
In this thesis, for the first time, the modeling, implementation and measurement of a single
layer MTS antenna able to provide both right-hand circular polarization (RHCP) or left-hand
circular polarization (LHCP) in broadside direction at 13.5GHz is presented. Theoretical
deep study has been realized and the basics for the proposed solution has been developed.
Two transverse magnetic and electric surface waves are launched matched in phase and
balanced in amplitude. The characterization of the required equivalent surface impedance
is explained in detail and the dispersion analysis of several subwavelength elements have
been carried out in order to synthetize the MTS. Furthermore, the required feeding system
is presented in detail, which has been implemented by a septum orthomode transducer
polarizer. The simulation results proves the basics. The solution has been fabricated and the
measurement results are shown.
The last part of the thesis establishes characterizes the capability of single layer MTS
antennas for multiband applications. Three different MTS configurations able to radiate with
different patterns and with circular polarization at 13.5GHz and 16GHz frequencies have
been analyzed. The first design provides backward isoflux radiation pattern in the lower
band and broadside beam at the upper band. The second design is a dual band isoflux atenna
with backward and forward radiation, respectively. The last system radiates in broadside
direction in the lower band, while in the upper band isoflux radiation is obtained by means of
the contribution of two modes inside the visible region. Main limitations of the proposed
configurations are discussed and possible improvements are mentioned.
As a results of this Ph.D., 3 papers have been published in international journals, 12
communications in international conferences (5 of them invited) and 5 national conferences
have been presented. [--]
Materias
Antenas,
Tecnología de las telecomunicaciones,
Antennas,
Telecommunications
Departamento
Universidad Pública de Navarra. Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica /
Nafarroako Unibertsitate Publikoa. Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa Saila