Open Access
Development of ultrathin metasurface and partially reflective surface antennas for space applications
(2017) Tellechea Pereda, Amagoia; Iriarte Galarregui, Juan Carlos; Gonzalo García, Ramón; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
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.
Embargo
Experimental validation of a Ku-band dual circularly polarized metasurface antenna
(IEEE, 2018) Tellechea Pereda, Amagoia; Caminita, Francesco; Martini, Enrica; Ederra Urzainqui, Íñigo; Teniente Vallinas, Jorge; Iriarte Galarregui, Juan Carlos; Gonzalo García, Ramón; Maci, Stefano; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería Eléctrica y Electrónica
The experimental validation of a Ku-band dual circularly polarized (CP) broadside-beam metasurface (MTS) antenna is presented. A radially modulated anisotropic single layer MTS has been synthesised employing sub-wavelength elliptical slotted metallic patches printed on top of a thin Arlon grounded substrate. In the structure, two decoupled phasematched transverse magnetic and transverse electric surface waves (SWs) are excited, which interact with the modulated surface leading to a CP broadside radiation. Two different orthomode transducers have been designed to excite the SWs with orthogonal polarization and equal amplitude. The first feeding system is composed of a metallic stepped septum inside an airfilled square waveguide. A conical section is included to match the output port of the square waveguide with the terminal, dielectric filled circular waveguide. The second feed is much more compact and efficient and it is composed of a circular waveguide completely filled by a dielectric. Depending on the input port excited on the feeds, two TE11 modes are excited with ±90° phase shift, which determine the right-hand or left-hand sense of the broadside beam generated by the MTS. Manufacturing details of the MTS and excitations are given and the measurements are compared with the simulation results. Finally, conclusions are drawn.
Open Access
Dual circularly polarized broadside beam metasurface antenna
(IEEE, 2016) Ederra Urzainqui, Íñigo; Tellechea Pereda, Amagoia; Caminita, Francesco; Martini, Enrica; Iriarte Galarregui, Juan Carlos; Gonzalo García, Ramón; Maci, Stefano; Ingeniería Eléctrica y Electrónica; Ingeniaritza Elektrikoa eta Elektronikoa
This paper presents the design of a modulated metasurface (MTS) antenna capable to provide both righthand (RH) and left-hand (LH) circularly polarized (CP) boresight radiation at Ku-band (13.5 GHz). This antenna is based on the interaction of two cylindrical-wavefront surface wave (SW) modes of transverse electric (TE) and transverse magnetic (TM) types with a rotationally symmetric, anisotropic-modulated MTS placed on top of a grounded slab. A properly designed centered circular waveguide feed excites the two orthogonal (decoupled) SW modes and guarantees the balance of the power associated with each of them. By a proper selection of the anisotropy and modulation of the MTS pattern, the phase velocities of the two modes are synchronized, and leakage is generated in broadside direction with two orthogonal linear polarizations. When the circular waveguide is excited with two mutually orthogonal TE11 modes in phase–quadrature, an LHCP or RHCP antenna is obtained. This paper explains the feeding system and the MTS requirements that guarantee the balanced conditions of the TM/TE SWs and consequent generation of dual CP boresight radiation.

Tellechea Pereda, Amagoia

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