Development of ultrathin metasurface and partially reflective surface antennas for space applications
- Autores: Amagoia Tellechea Pereda
- Directores de la Tesis: Juan Carlos Iriarte Galarregui (dir. tes.), Ramón Gonzálo García (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Pública de Navarra ( España ) en 2017
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Peter de Maagt (presid.), Iñigo Ederra Urzainqui (secret.), Stefano Maci (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnologías de las Comunicaciones, Bioingeniería y de las Energías Renovables por la Universidad Pública de Navarra
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Academica-e
- Resumen
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.
