Tesis:
Contribución al diseño, análisis y medida de sistemas de antenas de alta ganancia orientables para espacio profundo en entornos térmicamente extremos
- Autor: SÁNCHEZ MARTÍNEZ, Víctor
- Título: Contribución al diseño, análisis y medida de sistemas de antenas de alta ganancia orientables para espacio profundo en entornos térmicamente extremos
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: SEÑALES, SISTEMAS Y RADIOCOMUNICACIONES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/73224/
- Director/a 1º: FERNÁNDEZ GONZÁLEZ, José Manuel
- Resumen: Las comunicaciones por satélite han sido tradicionalmente un campo en el que las antenas de alta ganancia se han utilizado profusamente, debido en gran parte a la gran distancia que deben cubrir los radioenlaces entre el segmento espacio (el satélite) y el terrestre. Por otro lado, el constante aumento de la complejidad de los instrumentos y cargas de pago embarcados en los satélites incrementa la necesidad de descargar cada vez más datos, lo que tiene como consecuencia la demanda de mayores anchos de banda (y la consiguiente exploración de bandas de frecuencia altas, como la banda Ka) y aún mayores ganancias en las antenas embarcadas, debido a que la potencia disponible en los satélites es limitada.
En este contexto, las misiones científicas de exploración del sistema solar representan un interesante caso de estudio. Por un lado, las distancias que deben cubrir los radioenlaces son a menudo de decenas, centenares o, incluso, miles de millones de kilómetros. Esto acrecenta aún más los requisitos de alta ganancia lo que, inevitablemente, conlleva un estrechamiento del haz principal de la antena. Por otro lado, el entorno térmico en las órbitas de estas misiones es, si cabe, aún más exigente que el que se encuentra en órbitas geocéntricas (LEO, MEO, GEO); siendo por lo general órbitas altamente excéntricas con sucesivos acercamientos y alejamientos al Sol, que conllevan rangos térmicos que pueden ir de los -200°C a más de +500°C. Estas excursiones térmicas tienen, inevitablemente, un impacto en las prestaciones de la antena, degradando la forma del diagrama de radiación, provocando errores de apuntamiento, disminuyendo la ganancia, etc. Estos efectos, que en antenas de baja ganancia pueden considerarse despreciables, en antenas de alta ganancia pueden causar degradaciones en el rendimiento del radioenlace o incluso la pérdida de éste, debido a la alta precisión con la que es necesario orientar la antena hacia la tierra.
Por tanto, es necesario tener en cuenta el entorno térmico en el que va a operar la antena durante su fase de desarrollo. Uno de los objetivos de esta tesis es presentar metodologías y técnicas para considerar dicho entorno durante todo el ciclo de vida del proyecto, desde la fase de diseño y optimización hasta la medida.
El impacto de la temperatura, por lo general, es considerado en el desarrollo en la fase de análisis, una vez ya se ha establecido un diseño óptimo de radiofrecuencia. En el segundo capítulo de esta tesis se plantea una aproximación novedosa en lo referente al ciclo de diseño de un reflector para espacio profundo, considerando el entorno térmico a priori, es decir, durante la fase de optimización. De esta forma se demuestra que es posible lograr un diseño que, aunque sea subóptimo a temperatura ambiente, dé unas prestaciones mejores en todo el rango de temperaturas de la órbita de la misión. Dicho método de diseño ha sido implementado con éxito en el diseño de la antena de alta ganancia en banda X de la misión Solar Orbiter.
Estas antenas de alta ganancia, por otro lado, requieren a menudo de mecanismos que permitan orientarlas hacia la Tierra, con independencia de la orientación de la plataforma del satélite. Las juntas rotatorias son dispositivos de radiofrecuencia que se integran en dichos mecanismos, con el fin de transmitir bidireccionalmente la señal entre la antena y el satélite con pérdidas y distorsión mínimas. El tercer capítulo de esta tesis plantea un original concepto de junta rotatoria en banda K integrada en un actuador rotatorio electromecánico, lo que da como resultado un producto compacto, ligero, con buenas prestaciones de RF y sin competencia directa. Una vez diseñada, se fabrican varios prototipos en los que afianza el diseño y se depuran aspectos relacionados con la fabricación. Por último, se evalúa el comportamiento de radiofrecuencia en función de la temperatura, verificando que la degradación de prestaciones es mínima con respecto a temperatura ambiente. El diseño presentado en esta tesis ha sido incluido en el mecanismo de apuntamiento de la antena de alta ganancia de la misión Euclid de la Agencia Espacial Europea.
Los requisitos crecientes de ancho de banda, ya mencionados antes, impulsan el uso de bandas de frecuencia más altas, como las bandas K y Ka, donde el ancho de banda disponible es varias veces superior al de las saturadas bandas S y X. Estas bandas superiores tienen, no obstante, desventajas propias, como mayores pérdidas de propagación en espacio libre y, sobre todo, mayores pérdidas atmosféricas, que además son altamente dependientes de la climatología. Por tanto, es común recurrir a soluciones de doble banda para, por un lado, aprovechar el ancho de banda de las bandas superiores y, por otro, tener robustez frente a condiciones adversas de propagación. Por ello, y continuando con el desarrollo llevado a cabo en el capítulo anterior, el cuarto capítulo presenta el diseño y análisis de una junta rotatoria en guía de onda de doble banda X/K, de la que se fabrica un prototipo, con excelentes prestaciones de radiofrecuencia.
Por último, y con el fin de tener en cuenta también el impacto de la temperatura durante la fase de verificación de la antena, el quinto capítulo presenta dos sistemas de medida para caracterizar antenas en radiación en entornos térmicos representativos. El primero de ellos, destinado a su integración con un escáner plano de campo cercano, ha sido utilizado exitosamente en la campaña de calificación de la antena de media ganancia de la misión BepiColombo de la Agencia Espacial Europea, y ha permitido verificar empíricamente el impacto de la temperatura sobre el rendimiento de radiofrecuencia, presentando una buena correlación con las simulaciones llevadas a cabo previamente. El segundo de los sistemas propuestos está destinado a su integración con un escáner esférico de campo cercano, y pretende superar las limitaciones del anterior, permitiendo medir distintos tipos de antenas, en un gran ancho de banda y en un rango mayor de temperaturas. Además, se propone una técnica de postproceso basada en el uso de los coeficientes de onda esférica para mejorar la precisión del sistema.
ABSTRACT
Satellite communications have traditionally been a field in which high-gain antennas have been used extensively, due to the great distance that radio links must cover between the space (satellite) and terrestrial segments. On the other hand, the constant increase in the complexity of the on-board instruments and payloads increases the need to download more and more data, which results in the demand for higher bandwidths (and the consequent exploration of high frequency bands, such as the Ka band) and even greater gains in the on-board antennas, since power availability on satellites is limited.
In this context, scientific missions to explore the solar system represent an interesting case of study. On the one hand, the distances that radio links must cover are often tens, hundreds or even thousands of millions of kilometres. This further increases the high gain requirements which inevitably leads to a narrowing of the main beam of the antenna. On the other hand, the thermal environment in the orbits of these missions is even more demanding than that found in geocentric orbits (LEO, MEO, GEO); being usually highly eccentric orbits with successive approaches and distances to the Sun, which entail thermal ranges that can range from -200°C to more than +500°C. These thermal excursions inevitably have an impact on the performance of the antenna, degrading the shape of the radiation pattern, causing pointing errors, decreasing gain, etc. These effects, which in low-gain antennas can be considered almost negligible, in high-gain antennas can cause significant degradations in the performance of the radio link or even the loss of it, due to the high precision necessary to point the antenna towards the Earth.
Therefore, it is necessary to consider the thermal environment in which the antenna will operate during its development phase. One of the main goals of this thesis is to present methodologies and techniques to consider this environment throughout the entire life cycle of the project, from the design and optimization phase to the measurement.
The impact of temperature starts to be considered usually in the analysis phase, once an optimal radiofrequency design has already been established. In the second chapter of this thesis, however, a novel approach is proposed in relation to the design cycle of a reflector for deep space, considering the thermal environment a priori, that is, during the optimization phase. In this way it is shown that it is possible to achieve a design that, although suboptimal at ambient temperature, gives better performance throughout the temperature range of the mission's orbit. This design method has been successfully implemented in the design of the X-band high-gain antenna of the Solar Orbiter mission.
On the other hand, these high-gain antennas often require mechanisms to point them to Earth, regardless of the attitude of the satellite platform. Rotary joints are radio frequency devices that are integrated into these mechanisms, in order to bidirectionally transmit the signal between the antenna and the satellite with minimal losses and distortion. The third chapter of this thesis proposes an original concept of rotary joint in K band integrated in an electromechanical rotary actuator, which results in a compact, lightweight product, with good RF performance and without direct competition in the market. Once designed, several prototypes are manufactured in which the design is strengthened, and aspects related to manufacturing are refined. Finally, the radio frequency behaviour is evaluated by measurements as a function of temperature, verifying that the degradation of performance is minimal with respect to ambient temperature. The design presented in this thesis has been included in the pointing mechanism of the high-gain antenna of the Euclid mission of the European Space Agency.
Increasing bandwidth requirements, as already mentioned above, drive the use of higher frequency bands, such as the K and Ka bands, where the available bandwidth is several times larger than the one at the saturated S and X bands. These upper bands have, however, their own disadvantages, such as greater propagation losses in free space and, mainly, greater atmospheric losses, which are also highly dependent on climatology. Therefore, it is common to rely on dual-band solutions to, on the one hand, take advantage of the bandwidth of the upper bands and, on the other, have robustness against adverse propagation conditions. Therefore, and continuing with the development carried out in the previous chapter, the fourth chapter presents the design and analysis of a X/K dual-band waveguide rotary joint, of which a prototype is manufactured, with excellent radio frequency performance.
Finally, and in order to also take into account the impact of temperature during the antenna verification phase, the fifth chapter presents two measurement systems to characterize antennas in radiation in representative thermal environments. The first of them, intended for integration with a planar near field scanner, has been successfully used in the qualification campaign of the medium gain antenna of the BepiColombo mission of the European Space Agency, and it has allowed to empirically verify the impact of temperature on radiofrequency performance, presenting a good correlation with the simulations carried out previously. The second of the proposed systems is intended for integration with a spherical near field spherical scanner and aims to overcome the limitations of the previous one, allowing to measure different types of antennas, in a large bandwidth and in a greater range of temperatures. In addition, a post-processing technique based on the use of spherical wave coefficients is proposed to improve the accuracy of the system.