Para acceder a los documentos con el texto completo, por favor, siga el siguiente enlace: http://hdl.handle.net/2099.1/24828

Design of ground station antenna for a double CubeSat student project
Oliver Miranda, Mireia
Universitat Politècnica de Catalunya. Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions; Langen Aas, Jon Anders
Give an introduction to the proposed double CubeSat system and an overview of communication requirements and the propagation characteristics that influence the link budget. Based on the above findings, derive requirements for the ground station antenna. Emphasize simplicity and easy construction and propose an antenna system that may meet the requirements. Investigate it theoretically with available software to optimize its dimensions. A scale model of the antenna should finally be built and its main properties measured in an anechoic chamber.
[ANGLÈS] This thesis is a part of the Student Satellite program at NTNU in the CubeSat program. Previously some initial work has been done about the satellite design, and this thesis is going to begin the ground station description. In particular it will describe the antenna system located on the ground station. CubeSat is a program founded by Stanford University that provide the opportunity to students to work in the construction of small satellites. The satellite is designed in a double configuration. It includes two radio transceivers at 145 MHz and 437 MHz bands. The 145 MHz transceiver was designed as a TT&C-radio. The 437 MHz transceiver was designed as a payload downlink. It is implemented with a directivity antenna that consists in a dipole with a reflector. The 145 MHz antenna is near omnidirectional, and it is a dipole. This study is about the antenna that will be situated on the ground station that will communicate with the satellite antenna. An essential part of the planning of a satellite system is the link-budget calculation. This step is important to guarantee a reliable communication between the satellite and the ground station. This analysis gives the necessary considerations that will be taken into account on the antenna system design. A link budget is calculated in order to specify all losses and gains that take place from the transmitter antenna since the receiver. The parameters that are involved in the link budget are the transmitted power, the gain at the receiver antenna, the losses in the transmitter and receiver, the height and shape of the satellite orbit and the effect produced by the ionosphere that are determinant for the design in the ground station system. The ionosphere is the atmospheric layer that extends since 100 km to 400 km above the earth surface. This layer has a large amount of electrons and ions. One of its most important effects is the Faraday rotation. Waves that travel through the ionosphere can be decomposed into two characteristics waves that travel with constant velocity. But the velocity is different in each wave, so when the waves have passed through the ionosphere the two characteristics waves have different phases. Therefore, the incident waves have changed the phase. In higher frequencies the polarization rotation is no so significant and it is possible to rectify this shift polarization with compensation adjustments. But in VHF and UHF frequencies the rotations are considerable. The best thing to do is to use in the receiver circular polarization. This would produce a fixed loss of 3 dB but will ensure the signal reception despite the remarkable depolarization. So certain aspects of the antenna are conditioned for the parameters that have been analyzed, like the main frequency, polarization and gain. The characteristics that are more important in the antenna system design are the required frequencies, fixed in previous studies, the minimum gain required, condition found out in the link budget study, and the antenna polarization, imposed due to the ionospheric effects. To get this circular polarization, it has been decided to use helix antennas as receiver ones. A helix antenna basically consists of a wire spirally shaped, with a proper ground plane. The antenna will radiate in the helix axis direction. The helix turns diameter and the space between turns must be specified so to achieve that the antenna radiates in a desired frequency. Since the frequencies are in the VHF and UHF bands, antenna dimensions can have a length of some meters, and they may be rather big. It is best that the antenna does not occupy too much space. To have two antennas working at different frequencies will take up a lot of space. So the goal is to work with an only antenna capable to work at both frequencies at the same time. First an individual design of each antenna has been done, to know what the required dimensions are. Then the two-array antenna has been designed it has been verified that the solution chosen, put a helix within the other, is possible physically. Afterward with some computer simulations, this design has been checked and modified until obtain the final design. Each array is made with a squared ground plane with a side equal to two times λ. The feeding point for each helix has been obtained after the simulations and practical measurements. When mounting the helix in the array it has to be assured that all the helix has the feeding point in the same point, so the polarization of the antenna does not change. The configuration that has been chosen is to have diagonal configuration so all the helix are at the maximum distance from each other, therefore the influence between the big and the small array will be less. After the initial design is performed several computer simulations have been done in order to verify and redefine the initial calculations. The simulations are necessary to verify if the antenna behaves as expected. The main results obtained in these simulations, and the inferred conclusions are detailed in chapter 4. The software that has been used for the antennas design is WIPL-D. It is a powerful an easy-to-use computer program for fast and accurate simulation and design of antennas and other devices that radiate electromagnetic waves into free space. After several simulations it has been concluded that the wanted design is possible and that the parameters requested are achievable. The final design will be two arrays 2x2 where the radiant element is a helix antenna with 9 turns. In order to preserve the polarization all the helix in both the arrays must have the feed point in the same position. It is important to have circular polarization, but it does not matter if the polarization is right or left since all the arrays have the same polarization. The simulations have given some correct results. But those results have to be checked in practice. The antenna, since is working in VHF and UHF frequency has large dimensions. It would be not very easy to build it and verify how it actually behaves. Then it has been decided to built a prototype in a smaller scale. The main frequency will change as well. But first there is still another problem that has to be solved, the impedance in the antenna. After the simulations it has been seen that the entrance impedance, real part value is around 3 times the reference impedance. Then, in practice, some modification will be needed so to match properly the antenna. The measurements carried out are either about the radiation pattern and the input impedance. The results have shown the direction of maximum radiation, the beam-width, the polarization and input return losses for the antennas. These measurements were carried out in the antenna laboratory at NTNU, where we could have access to the anechoic chamber and to an Automatic Network analyzer, ANA- HP 8720C, so to measure the different S-parameters in the antenna. The setup consisted on the Network Analyser, the Newport Model MM4005 Motion Controller and the Hewlett-Packard Model 83017A amplifier to excite the transmitter antenna. The transmitting antenna is a double-ridge horn antenna, set in the aperture in the chamber. Inside the chamber, the antenna under test is placed. To measure both radiation planes, first the antenna is placed in one way, and the second time it is rotated 90 degrees. The practice has studied and solved the problem with the impedance. In this case, in order to know what the impedance matching was, a unique antenna helix has been built and measured. The helix does not have well matched impedance so a matching may be included. The decided modification consists in a metal strip near the feed point. This strip has a width equal to 70 mm, and it is bended progressively around the helix cylinder being parallel to the ground plane at the end. The measured antenna has an approximate gain around 20 dB. In the future it will have to be weight up if it necessary. The link budget was done bearing in mind that it was necessary to have some margin. The antenna needs some impedance matching. As the measurements done during this project demonstrate, this matching can simply be an extra thin metal strip added near the feed point. The rejection between both antennas is good, so there is no interference between both frequencies.
[CASTELLÀ] Este proyecto es parte del programa global Student Satellite desarrollado en la NTNU. Está enmarcado dentro del programa CubeSat. El proyecto parte con un trabajo inicial ya realizado sobre el satélite y deberá tomarse como premisa para el diseño de la estación terrestre. En particular el proyecto consiste en el diseño del sistema de antena alocado en la estación terrestre. CubeSat es un programa fundado por la universidad de Stamford que proporciona la oportunidad de trabajar en la construcción de pequeños satélites a estudiantes de diferentes universidades. El satélite ha sido diseñado con una doble configuración. Incluye dos transceptores a las frecuencias de 145 MHz y 437 MHz. El transceptor de 437 MHz se diseñó como payload downlink. Se ha implementado con una antena directiva consistente en un dipolo con un reflector. La antena de 145MHz es casi omnidireccional (también un dipolo). Este estudio trata sobre la antena terrestre que deberá comunicarse con la antena satélite definida. Una parte esencial sobre la planificación del sistema satélite es el cálculo del balance del enlace. Este paso es importante para garantizar una comunicación fiable entre el satélite y la estación terrestre. Este análisis proporciona las consideraciones necesarias que deberán ser tenidas en cuenta en el diseño del sistema de antenas. Se realiza el balance del enlace para especificar las pérdidas y ganancias que existen entre el transmisor y el receptor. Los parámetros que intervienen en el balance son la potencia del transmisor, la ganancia de la antena receptora, las pérdidas en el transmisor y receptor, la altura y forma de la órbita del satélite y el efecto producido por la ionosfera. La ionosfera es la capa de la atmósfera que se extiende desde los 100 km a los 400 km por encima de la superficie terrestre. Esta capa contiene una elevada cantidad de electrones e iones. Uno de sus efectos más importantes es la rotación de Faraday. Las ondas que viajan a través de esta capa se descomponen en dos ondas características con velocidad constante. Pero la velocidad de cada onda es diferente, por tanto las ondas tienen fases diferentes. Este efecto hace que las ondas incidentes cambien su fase. En frecuencias elevadas la rotación polarizada no es muy significativa y puede ser rectificada con ajustes. Pero en frecuencias de VHF y UHF las rotaciones son considerables. La mejor solución es usar un receptor con polarización circular. Esta solución produce una pérdida fija de 3 dB pero asegurará la recepción de la señal a pesar de la remarcable depolarización. Las características de la antena están condicionadas por los parámetros que se han analizado en el cálculo del balance del enlace. Los aspectos más destacados en el diseño del sistema de antena son las frecuencias fijadas por los estudios realizados anteriormente, la mínima ganancia requerida y la polarización de la antena impuesta por la ionosfera. Para obtener la polarización circular se ha decidido utilizar antenas helicoidales. Una antena helicoidal consiste básicamente en un cable en forma de espiral con un plano de tierra adecuado. La antena emite radiación en la dirección del axis de la hélice. El diámetro de la hélice y el espacio entre vueltas de la hélice son parámetros que se definen durante el estudio para poder obtener la frecuencia deseada de la antena. Las frecuencias de las antenas están en bandas de VHF y UHF por tanto las dimensiones de la antena pueden tener una longitud de varios metros. Es deseable que la antena no sea de grandes dimensiones para hacer los estudios y test iniciales. Tener dos antenas trabajando al mismo tiempo a diferentes frecuencias puede producir grandes pérdidas. El objetivo del diseño es trabajar con un único grupo de antenas capaz de trabajar a dos frecuencias a la vez. Cada uno de los arrays se construye con una base plana cuadrada con un lado igual a dos veces λ. El punto de alimentación para una de las hélices se ha determinado a partir de las simulaciones y medidas prácticas. Al montar la hélice en el array se garantiza que todas las hélices tienen el punto de alimentación situados en la misma posición para conseguir mantener la polarización de la antena. La configuración elegida es situar los dos arrays en diagonal de manera que todas las hélices estén a la máxima distancia posible de las otras, para así obtener una menor influencia entre ellas. Al finalizar el diseño inicial se realizan varias simulaciones en ordenador para verificar y redefinir los cálculos iniciales. Las simulaciones son necesarias para verificar que la antena se comporta como se espera. Los resultados obtenidos durante las simulaciones y las conclusiones derivadas se detallan en el capítulo 4 del documento. El software utilizado para la realización de las simulaciones es WIPL-D. Es un programa fácil de usar y potente utilizado para realizar rápidas y precisas simulaciones y diseños de antenas y otros aparatos que emiten ondas electromagnéticas en espacio libre. Tras varias simulaciones se concluye que el diseño deseado es posible y que los parámetros requeridos pueden ser alcanzados. El diseño final consiste en tener dos arrays 2x2 donde el elemento radiante es una antena helicoidal con 9 vueltas. Para poder conservar la polarización todas las hélices deben tener el punto de alimentación en el mismo punto. Las simulaciones han dado resultados correctos que han sido comprobados posteriormente en la práctica. La antena real tiene unas dimensiones elevadas. Por lo tanto se decide construir un prototipo a una escala menor, teniendo en cuenta que la frecuencia también cambiará. Las simulaciones han puesto de manifiesto un nuevo problema relacionado con la impedancia de entrada de la antena. Los resultados muestran la dirección de máxima radiación, el ancho de haz, la polarización y las pérdidas de entrada. Estas medidas se realizan en el laboratorio de antenas de la NTNU, donde se ha podido tener acceso a la cámara anecoica y al Automatic Network Analyzer (ANA-HP 8720c), para poder realizar las mediciones de diferentes parámetros en la antena. El equipo de medición se completa con un Network Analyser, el Newport Model MM4005 Motion Controller y el amplificador Hewlett-Packard Model 83017A para excitar la antena transmisora. La antena transmisora consiste en una antena de bocina piramidal situada en la apertura de la cámara. Dentro de la cámara situamos la antena que está siendo probada. Para medir los dos planos situamos primero la antena en una posición y en segundo lugar realizamos las medidas con una rotación de 90 grados. Durante las simulaciones se puso de manifiesto otro problema relacionado con la impedancia de entrada. Durante la construcción este problema se ha analizado y resuelto. En este caso, para poder conocer cómo el acoplamiento de la impedancia se ha analizado una única hélice. Las modificaciones que se realizan consisten en una tira de metal situada cerca del punto de alimentación. Esta tira tiene un ancho de 70mm y se dobla progresivamente alrededor de la hélice cilíndrica y al final es paralela al plano de base. La antena medida tiene aproximadamente una ganancia de 20 dB. Este valor deberá ser mejorado en futuros estudios si finalmente se requiere un margen más amplio. El balance del enlace se realizó con un margen amplio que requería unos 20dB. La antena también ha requerido realizar la adaptación de impedancia para lo cual se ha utilizado una tira metálica añadida cercana al punto de alimentación. El rechazo entre ambas antenas es correcto, por tanto no existe interferencia entre ambas frecuencias.
[CATALÀ] Aquest projecte forma part del programa global Student Satellite desenvolupat a la NTN dins el programa CubeSat. Aquest projecte parteix amb un treball inicial ja realitzat prèviament sobre el disseny del satèlit i haurà de prendre’s com a premissa inicial alhora de fer els dissenys de l’estació terrestre. En concret el projecte consisteix en el disseny del sistema d’antenes situat a l’estació terrena. El CubeSat es tracta d’un programa fundat per la universitat de Stamford que ofereix l’oportunitat de treballar a la construcció de petits satèl·lits a estudiants de vàries universitats. El satèl·lit s’ha dissenyat amb una configuració doble. Inclou dos transceptors a les freqüències de 145MHz i 437MHz. El transceptor de 437MHz s’ha dissenyat com a payload downlink. Ha estat implementat com una antena directiva consistent en un dipol amb un reflector. L’antena de 145MHz és quasi omnidireccional (també és un dipol). Aquest estudi tracta sobre les antenes terrestres que hauran de comunicar-se amb l’antena del satèl·lit ja definida. Una part essencial de la planificació del sistema satèl·lit és el càlcul del balanç de l’enllaç. Aquest pas és important per a garantir una comunicació fiable entre el satèl·lit i l’estació terrestre. Aquest anàlisi proporciona les consideracions necessàries que han de ser tingudes en compte en el disseny de l’antena. Es realitza el balanç per especificar les pèrdues i guanys que existeixen entre el transmissor i el receptor de l’enllaç. El paràmetres que intervenen en el balanç són la potència del transmissor, el guany de l’antena receptora, les pèrdues en el transmissor i receptor, l’altura i forma de l’òrbita del satèl·lit i l’efecte produït per la ionosfera. La ionosfera és la capa de l’atmosfera que va des dels 100 km fins als 400 km per sobre de la superfície terrestre. Aquesta capa conté una elevada quantitat d’electrons i ions. Un dels seus efectes més importants és la rotació de Faraday. Les ones que viatgen per aquesta capa es descomponen en dues ones característiques amb una velocitat constant. Però la velocitat de cada una de les ones és diferent. Per tant les ones resultants tenen una fase diferent. Aquest efecte provoca que les ones incidents canvien la seva fase. En freqüències elevades la rotació polaritzada no és molt significativa i pot ser rectificada amb petits ajustos. Però en freqüències de VHF i UFH les rotacions són més considerables. La millor solució per resoldre aquest problema és fer servir un receptor amb polarització circular. Aquesta solució produeix una pèrdua fixa de 3dB però assegurarà la recepció del senyal malgrat la remarcable depolarització. Les característiques de l’antena estan condicionades pels paràmetres que s’han analitzat en el càlcul del balanç. Els aspectes més destacats en el disseny són les freqüències fixades pels estudis previs, el mínim guany requerit i la polarització de l’antena imposada per la ionosfera. Per l’obtenció de la polarització circular s’ha decidit utilitzar antenes helicoïdals. Una antena helicoïdal consisteix bàsicament en un cable en forma d’espiral amb un pla de terra adequat. L’antena emet radiació en la direcció del axis de l’hèlix. El diàmetre de la hèlix i l’espai entre voltes són paràmetres que es defineixen durant l’estudi per a poder obtenir la freqüència desitjada de l’antena. Les freqüències de les antenes estan en bandes de VHF i UHF per tant les dimensions de l’antena poden tenir una longitud de diversos metres. És desitjable que l’antena no sigui de grans dimensions per a poder fer els estudis i tests inicials. El fet de tenir dues antenes treballant al mateix temps a diferents freqüències pot produir grans pèrdues. L’objectiu del disseny és treballar amb un únic grup d’antenes que sigui capaç de treballar a les dues freqüències a l’hora. Cadascun dels arrays es construeix amb una base plana quadrada amb un costat de mida igual a dues vegades λ. El punt d’alimentació per a una de les hèlix s’ha determinat a partir de les simulacions i mesures realitzades. Al fer el muntatge de l’hèlix a l’array es garanteix que totes les hèlix tinguin el punt d’alimentació situat en la mateixa posició per a aconseguir mantenir la polarització de l’antena. La configuració escollida és situar els dos arrays en diagonal de manera que totes les hèlix estiguin a la màxima distància possible de les demés, per tal d’obtenir una menor influència entre elles. Al finalitzar el disseny inicial es realitzen vàries simulacions en ordinador per a verificar i refinar els càlculs inicials. Les simulacions són necessàries per a verificar que l’antena es comporta com s’espera. Els resultats obtinguts durant les simulacions i les conclusions derivades es detallen al capítol 4 del document. El software utilitzat per a la realització de les simulacions és el WIPL-D. És un programa fàcil de utilitzar i potent que es fa servir per a realitzar ràpides i precises simulacions i dissenys d’antenes i altres aparells que emeten ones electromagnètiques en espai lliure. Desprès de vàries simulacions s’arriba a la conclusió que el disseny desitjat és possible i que els paràmetres requerits poden ser assolits. El disseny final consisteix en tenir dos arrays de 2x2 a on l’element radiant és una antena helicoïdal amb 9 voltes. Per a poder conservar l polarització totes les hèlix han de tenir el punt d’alimentació en el mateix punt. Les simulacions han donat resultats correctes que han sigut comprovats posteriorment a la pràctica. L’antena real té unes dimensions elevades. Per tant es decideix construir un prototipus a una escala menor, tenint en compte que la freqüència també canviarà. Les simulacions també han posat de manifest un nou problema relacionat amb la impedància d’entrada que serà resolt i mesurat a la pràctica. Els resultats mostren la direcció de màxima radiació, l’amplada del feix, la polarització i les pèrdues d’entrada. Aquestes mesures es realitzen en el laboratori d’antenes de la NTNU, on s’ha pogut tenir accès a la càmara anecoïca i al Automatic Network Analyzer (ANA-HP 8720c), per a poder realitzar les mesures de diferents paràmetres en l’antena. L’equip de medició es completa amb un Network Analyzer, el Newport Model MM4005 Motion Controller i l’amplificador Hewlett-Packard Model 83017A per a excitar l’antena transmissora. L’antena transmissora consisteix en una antena de bocina piramidal, situada a l’obertura de la càmera. Dins la càmera situem l’antena que estem provant. Per a mesurar els dos plans situem primer l’antena en una posició i en segon lloc realitzem les mesures amb una rotació de 90 graus. Durant les simulacions es va detectar un problema relacionat amb la impedància d’entrada. Durant la construcció aquest problema s’ha analitzat i s’ha resolt. En aquest cas, per a poder conèixer com l’acoblament de la impedància s’ha analitzat una única hèlix. Les modificacions que es realitzen consisteixen en una tira de metall situada a prop del punt d’alimentació. Aquesta tira té una amplada de 70mm i es doblega progressivament al voltant de l’hèlix cilíndrica. Al final queda en posició paral•lela a la base. L’antena mesurada té aproximadament un guany de 20 dB. Aquest valor haurà de ser millorat en el futur si finalment es requereix un marge més ampli. El balanç d’enllaç s’ha realitzat amb un marge ampli, que requeria uns 20 dB. L’antena també ha requerit una adaptació d’impedància amb una tira metàl·lica afegida a prop del punt d’alimentació. El rebuig entre les dues antenes és correcte, per tant no existeixen interferències entre freqüències.
Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria de la telecomunicació
Microwave antennas
Artificial satellites
Antenna
CubeSat
Ground
Antenes de microones
Satèl·lits artificials
S'autoritza la difusió de l'obra mitjançant la llicència Creative Commons o similar 'Reconeixement-NoComercial- SenseObraDerivada'
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/
info:eu-repo/semantics/bachelorThesis
Universitat Politècnica de Catalunya
         

Mostrar el registro completo del ítem