Development of ultrathin metasurface and partially reflective surface antennas for space applications

Abstract

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 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.