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Innovative BFN architectures, array analysis and design methods for space and terrestrial applications

By Daniele Petrolati

Abstract

La presente Tesi, sviluppata in collaborazione con il Centro Europeo di Ricerca e Tecnologia Spaziale dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA/ESTEC, Noordwijk, Paesi Bassi), è incentrata sulla progettazione di innovative reti di beam-forming (BFN) e sullo sviluppo di efficienti strategie di analisi e sintesi di array di antenne per applicazioni spaziali e terrestri. In particolare, tre diverse aree di ricerca sono oggetto di analisi. La prima di queste riguarda la definizione di una procedura di design di BFN per applicazioni di tipo Limited Field of View (LFOV) e Multi-Beam (MB). Tipiche applicazioni di tipo LFOV sono quelle che richiedono la scansione di regioni limitate di spazio con fasci di radiazione ad elevato guadagno. Rientrano in queste applicazioni sistemi radar e di comunicazione satellitari, sistemi radar terrestri, sistemi di pilotaggio di armi, ecc… Tipiche applicazioni MB sono, invece, quelle che richiedono la generazione di un elevato numero di fasci di radiazione al fine di realizzare coperture che implementino schemi di riutilizzo della frequenza e che consentano di incrementare il throughput di sistemi a banda limitata. Classici esempi in questo senso sono rappresentati dai moderni sistemi di comunicazione satellitare. La BFN proposta, correntemente in fase di brevettazione, è impiegabile per l’alimentazione di array di antenne sia in configurazione Direct Radiating Array (DRA), sia in configurazione riflettore alimentato da array di antenne (Array-Fed Reflector - AFR) ed è implementabile in maniera analogica, digitale, o ibrida. L’architettura è basata sulla Tecnica dei Sub-Array Sovrapposti (Overlapped Sub-Array Technique) e consente una considerevole riduzione nel numero di controlli attivi (amplificatori, attenuatori variabili, phase shifter variabili - pensando ad una architettura analogica, o moltiplicatori complessi, convertitori analogico digitali, ecc… - facendo riferimento ad una implementazione digitale). Ne consegue una notevole riduzione in termini di costo, peso e complessità globale del sistema. Caratteristiche fondamentali di questa architettura sono rappresentate dall’elevata efficienza in potenza (requisito fondamentale per applicazioni satellitari di tipo on-board, data la scarsità di risorse di energia a bordo del satellite), dalla sua bassa complessità realizzativa e dalle sue elevate flessibilità e riconfigurabilità. In questa sezione della Tesi vengono illustrati anche miglioramenti apportati a BFN esistenti (e.g., Skobelev Network), a procedure di sintesi di array sovrapposti (e.g., ‘fasci di radiazione massimamente piatti’, introdotti da Ksienski) e viene infine introdotta una nuova classe di codici polifase (codici PAT). Tali sequenze sono usate come eccitazioni per i sub-array costituenti la BFN in fase di brevettazione, ma possono essere utilizzate anche come codici a sé stanti per tecniche di sincronizzazione e di Pulse Compression. La seconda area di ricerca trattata riguarda lo sviluppo di innovativi metodi di analisi e sintesi di array di antenne a slot di grandi dimensioni, sia di tipo slotted waveguide, sia alimentati da microstrisce/stripline. In particolare, viene sviluppata una procedura di segmentazione dell’array in due parti: una interna, costituita dalla circuiteria di alimentazione (in guida d’onda - considerando slotted waveguide, o in microstriscia/stripline - considerando array di slot alimentati in microstriscia/stripline) e una esterna, costituita dal piano metallico, dove sono presenti le slot, e dallo spazio sovrastante, dove avviene la radiazione. Le due parti sono connesse tra loro attraverso i modi accessibili di guide d’onda aventi lunghezza pari allo spessore del front-plate metallico dove sono adagiate le slot e sezione trasversale coincidente con quella delle slot stesse. Tale procedura, che utilizza rappresentazioni circuitali in termini di matrici di ammettenza generalizzata (Generalized Admittance Matrixes - GAMs), permette di combinare l’efficienza di simulatori elettromagnetici full-wave, utilizzati per l’analisi della parte interna, con l’efficienza di analisi basate sul Metodo dei Momenti, impiegate nella parte esterna. In tale maniera è possibile modellizzare in maniera accurata anche l’accoppiamento elettromagnetico radiativo tra le slot. Appropriate strategie per la riduzione dell’onere computazionale richiesto sono inoltre introdotte e analizzate in questa parte. La terza area di ricerca è incentrata sullo studio di efficienti metodi di alimentazione di array di antenne omnidirezionali per applicazioni di tipo Spatial Power Combining. E’ infatti noto che, ad elevate frequenze, la combinazione di più dispositivi in regime guidato (e.g., attraverso linee di trasmissione) al fine di ottenere sorgenti ad elevata potenza è fortemente limitata dalle perdite ohmiche delle strutture guidanti. Per questo motivo si ricorre alla combinazione di potenza in regime radiativo. Risultati conseguiti impiegando i codici PAT come sequenze di eccitazione per array lineari e planari sono riportati in questa sezione

Topics: ING-INF/02 - Campi elettromagnetici, Beam-forming network, Multibeam, Limited field of view, Polyphase codes, Array analysis
Publisher: Italy
Year: 2011
OAI identifier: oai:openarchive.univpm.it:123456789/261
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