L ISTA DEGLI ACRONIMI A BSTRACT S OMMARIO

Introduzione

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1

S

Questo lavoro di tesi si inserisce nell’ambito delle radiocomunicazioni satellitari in banda S ed è mirata allo sviluppo di due antenne a basso profilo per satelliti di bassa quota (low earth satellite), dedicati agli esperimenti in microgravità. La caratteristica a basso profilo è ottenuta mediante l’impiego di particolari schermi di nuovissima generazione, classificati come conduttori magnetici artificiali.

A

This dissertation work can be included in the domain of satellite S-band communications, and is aimed at the development of two low-profile antennas for low earth satellites devoted to experiments in microgravity. The low-profile characteristic is obtained by the use of special up-to date screens, classified as artificial magnetic conductors.

L

AMC: Artificial Magnetic Conductor EBG: Electromagnetic Bandgap FSS: Frequency Selective Surfaces GA: Genetic Algorithm

MoM: Method of Moments FEM: Finite Elements Method ESA: European spatial agency

LNA: low noise amplifier (amplificatore a bassa cifra di rumore) IEEE: Institute of Electrical and Electronic Engineering

QPSK: quadri phase shift keying BER: bit error rate

CSA: Canadian Space Agency- Agenzia Spaziale Canadese DLR: German Areospace Center- Centro Aerospaziale Tedesco

Introduzione

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2

KBOM: ufficio progettazione di Barmin per vari settori dell’ingegneria CNES: French Space Agency-Agenzia Spaziale francese

TsSKB:Central Specialised Design Bureau of the State Research and Production Space

Rocket Center- Ufficio di progettazione centrale specializzato, del centro di ricerca e

produzione di razzi spaziali.

SSC: Swedish Space Corporation – Corporazione Spaziale Svedese TSU: Telescience Support Unit – unità di supporto scientifico da Terra RHCP: Right Hand Circular Polarization

LHCP: Left Hand Circular Polarization RH: Right Hand

LH: Left Hand

PEC: Perfect Electric Conductor PMC: Perfect Magnetic Conductor EFIE: Electric Field Integral Equation TE: Transverse Electric

TM: Transverse Magnetic

Introduzione

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3

I

Negli ultimi decenni, la miniaturizzazione ha destato un grande interesse in tutti i campi dello sviluppo tecnologico, soprattutto negli ambiti dell’elettronica e delle telecomunicazioni. In tale contesto, l’obiettivo principale nella produzione degli elementi radianti è quello di garantire un basso profilo della struttura ed un ridotto accoppiamento elettromagnetico con i dispositivi elettronici vicini. Nell’ambito delle comunicazioni satellitari, questi requisiti sono ancor più auspicati e l’interesse volto alla ricerca per la progettazione e l’impiego di antenne a basso profilo (low–profile antennas) su satelliti è un tema attuale e fervente. Per rendersi conto dell’importanza e dell’innovazione che una tale applicazione rivestirebbe in questo contesto, basti pensare che, ad oggi, sono utilizzate antenne a riflettore, ad elica ed antenne

array, le cui dimensioni sono dell’ordine delle decine di metri. L’impiego di suddette

tipologie di antenne comporta evidenti problemi di occupazione spaziale.

Il presente lavoro di tesi tenta di affrontare questa tematica e di proporre una soluzione al problema dell’occupazione spaziale che caratterizza queste antenne “invasive”. A tal fine, la progettazione delle antenne low-profile, oggetto di questo elaborato, si unisce alla sintesi ed ottimizzazione di un particolare schermo, definito superficie ad alta impedenza, impiegato come piano di massa magnetico per le stesse.

L’uso delle superfici ad alta impedenza permette di conseguire la caratteristica a basso profilo e, nel contempo, di minimizzare gli effetti di mutuo accoppiamento, riducendo le radiazioni spurie. Queste superfici, infatti, presentano un comportamento del tipo magnetico artificiale (AMC) che consente di disporre l’elemento radiante orizzontalmente rispetto a queste ultime, così da ridurre l’occupazione spaziale. Inoltre, in alcuni casi, tali superfici sono anche caratterizzate da un comportamento definito EBG (Electromagnetic Bandgap) che blocca la propagazione di onde superficiali, alle quali sono imputabili le radiazioni spurie.

Lo studio di queste strutture ha profonde radici e, di recente, la ricerca è stata indirizzata verso lo sviluppo di strutture multistrato planari con incorporate delle superfici selettive in frequenza (FSS). Questa soluzione, infatti, risulta di più facile implementazione e riduce l’occupazione spaziale. Per tale motivo, in questo lavoro è stato utilizzato uno schermo AMC sintetizzato, tramite Algoritmo Genetico (Genetic Algorithm-GA), incorporando le FSS.

Introduzione

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4

L’attività di progetto, di seguito esposta, è stata svolta in collaborazione con la ditta Kayser Italia di Livorno e prevede la realizzazione di due antenne low-profile , realizzate su una superficie ad alta impedenza con comportamento di tipo AMC [1-6], da installare sul modulo di servizio (service module) del satellite Foton M2 e con possibili applicazioni future per il satellite Foton M3.

La necessità di impiegare due antenne deriva dalla specifica imposta sul tipo di polarizzazione richiesta. Nello specifico, l’antenna ricevente, adibita al collegamento in uplink, deve operare in polarizzazione circolare destrogira, mentre l’antenna trasmittente, utilizzata nella tratta

downlink, deve funzionare in polarizzazione circolare levogira.

Gli strumenti di analisi, utilizzati per simulare le caratteristiche radianti delle antenne, sono due: il codice elettromagnetico 4NEC2, basato sul Metodo dei Momenti (Method of Moments-MoM) e con un software di uso commerciale, che implementa il Metodo degli Elementi Finiti (Finite Elements Method-FEM). Il motivo per il quale sono stati impiegati due simulatori è la necessità di validare i risultati attraverso due metodi di risoluzione diversi e quindi ottenere una maggior accuratezza. Inoltre, per la sintesi ed ottimizzazione dello schermo AMC, abbiamo fatto ricorso ad un Algoritmo Genetico (GA), basato sulla teoria evoluzionistica di Darwin, sviluppato presso il laboratorio di propagazione e microonde dell’Università di Pisa.

La tesi si articola in quattro capitoli: nel primo sono presentate le caratteristiche generali della missione satellitare Foton M2, finanziata dall’ESA con l’intento di svolgere esperimenti in microgravità e vengono impostate le equazioni del radiocollegamento in uplink e downlink, al fine di ricavare i guadagni delle antenne satellitari da progettare. Il secondo capitolo si incentra sull’analisi preliminare delle antenne in spazio libero, mediante l’uso del codice 4NEC2. Nel capitolo 3 viene brevemente introdotto il principio di funzionamento dell’Algoritmo Genetico ed esposto, quindi, il problema della sintesi ed ottimizzazione dello schermo AMC, analizzato successivamente con il solver elettromagnetico FSS2 e con un

software di uso commerciale. Nel quarto ed ultimo capitolo sono presentate le analisi relative

alle antenne poste in prossimità dello schermo, condotte con il simulatore commerciale. Infine sono riportate le conclusioni.