Single-layer broadband microstrip reflectarrays with circular polarization for satellite communication applications

29/07/2020

Atualmente, com o cenário tecnológico em constante progresso, há uma pressão contínua visando melhorar as ligações de dados de alta velocidade nos sistemas de comunicações via satélite. Um dos componentes principais destes sistemas é a antena de ganho elevado que visa transmitir ou receber sinais de radiofrequência modulados. A antena deve funcionar simultaneamente nas bandas de frequência da ligação descendente e da ligação ascendente, deve ter polarização circular e também deve possibilitar um baixo perfil aerodinâmico e custos reduzidos. Com o objetivo de cumprir estes requisitos tão exigentes, um esforço massivo está a ser feito na investigação e desenvolvimento de novas antenas. O Satélite Geoestacionário Brasileiro de Defesa e Comunicações Estratégicas (SGDC), lançado em 2017 a partir da base de Kourou, na Guiana Francesa, pelo veículo de lançamento Ariane 5 e que possui uma vida útil expectável de 18 anos, é usado como exemplo de aplicação nesta tese. Neste caso a antena deve operar simultaneamente na gama de frequências da banda K (17,720,2 GHz), na ligação descendente, e na gama de frequência da banda Ka (2730 GHz), na ligação ascendente. Utiliza-se polarização circular esquerda (LHCP) na banda K e polarização circular direita (RHCP) na banda Ka. Os reflectarrays impressos proporcionam ganho elevado, baixo perfil aerodinâmico, baixo peso, compacidade e baixo custo, apresentando vantagens importantes sobre os refletores parabólicos convencionais e os agregados faseados. São portanto, bons candidatos para serem usados em antenas de sistemas de comunicações via satélite. Esta tese aborda o projeto de reflectarrays impressos de banda larga, baixo custo e baixa complexidade, com polarização circular, capazes de operar nas bandas de frequência K e Ka, cumprindo as especificações da aplicação descrita acima. Todas as configurações desenvolvidas apresentam a vantagem de ter uma estrutura em camada única o que reduz a complexidade do projeto e o custo do fabrico. Nesta tese são propostas e discutidas três antenas com configurações diferentes. Nowadays with the fast-paced ever changing technology scenario, there is a continuous pressure to improve high speed data links in satellite communication systems. A key component in such systems is the high gain antenna used to transmit/receive modulated radio frequency signals working simultaneously in the downlink and uplink bands with circular polarization and also achieve a costeffective low-profile solution. Aiming to meet these stringent requirements a massive effort is being put in the research and development of new antennas. The Brazilian Geostationary Satellite for Defense and Strategic Communications (SGDC), launched in 2017 from the Kourou base in French Guiana by the Ariane 5 launcher, possesses an expected lifetime of 18 years. This satellite is used as application example in this thesis. In this case, the antenna is required to operate simultaneously at K-band for downlink (17.720.2 GHz) and at Ka-band for uplink (2730 GHz). Left-hand circular polarization (LHCP) is used in the downlink, while right-hand circular polarization (RHCP) is used in the uplink. Printed reflectarrays offer high gain, low profile, light weight, compactness and low cost, demonstrating distinctive advantages over conventional parabolic reflectors and phased-arrays. They are therefore an attractive candidate to be used as antennas in satellite communication systems. This thesis is focused on the design of low-cost, low-complexity broadband microstrip reflectarrays with circular polarization operating in K and Ka frequency bands for satellite communication applications. All the proposed configurations are single-layer, so as to reduce the design complexity as well as the fabrication cost. Three different antenna designs are proposed and discussed. First, the thesis presents a circularly polarized array of 2x2 square microstrip corner-truncated patches, with corporate feeding, to be used at K-band (18.719.2 GHz) as a reflectarray feed. The good agreement obtained between simulation and experimental results provides validation of the design approach and proof of the proposed concept.

Autores da comunidade :

• 

  R

  Roger Lorenzoni Farias

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Orientadores desta instituição:

• 

  C

  Custódio José De Oliveira Peixeiro

  ist11957

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Doutoramento em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores

electrical-engineering-electronic-engineering-information-engineering - Engenharia Eletrotécnica, Eletrónica e Informática

Palavras-chave

• satellite communications
• reflectarray
• K-band
• Ka-band
• dual-band
• circular polarization
• axial ratio
• phase delay-line stub
• circular microstrip patch
• concentric circular ring
• comunicações via satélite
• reflectarray
• banda K
• banda Ka
• dupla-faixa
• polarização circular
• razão axial
• linhas de atraso de fase
• elemento impresso circular
• anéis circulares concêntricos.

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Instituto Superior Técnico