PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO
Abstract
The objective of this work was to develop a compact microstrip antenna for use in
CubeSats, a type of miniaturized satellite used mainly by universities for space exploration and research, typically in low earth orbit. The small size of these satellites presents
a great challenge to the project. Being one of the main components on board satellites,
the antenna determines the performance of all wireless systems, including: telemetry,
tracking and control (TT&C); downlink of high speed data; navigation; communications
between satellites; radars; and sensors. For the TT&C function, expandable wire antennas are often employed in V-UHF. However, the release mechanism of these antennas can
fail and compromise the mission. A microstrip antenna has several advantages such as
reduced size, low weight and absence of mechanical parts. Therefore, a compact microstrip antenna is desirable in this type of application. The work presents a bibliographical
review covering some concepts about the CubeSat pattern, the fundamentals of antenna
theory, the main techniques of miniaturization of antennas, the fundamentals of electrically small antennas and the main works already developed on the subject. An additional
investigation was carried out on Wheeler’s method for measuring the radiation efficiency
of compact antennas, this method being applied to measure the radiation efficiency of the
built prototype. The work methodology consisted of designing, simulating, building and
characterizing a microstrip antenna operating at two frequencies (401.6 MHz and 435.0
MHz) based on the fundamentals of the literature review. These frequencies were chosen
to meet the requirements of most CubeSats in use, but in particular they serve two of the
frequencies planned for CONASAT, a project by the Northeast Regional Center (CRN) of
the National Institute for Space Research (INPE), located in Natal, in partnership with the
Federal University of Rio Grande do Norte (UFRN). To confirm the applicability of the
developed prototype, a complete characterization of the link was carried out considering
all the gains and losses involved. The contribution of this work lies in the ability of the developed prototype to operate at two frequencies with a single power point, thus reducing
the weight, complexity and risk of failures in the CubeSats communication systems.O objetivo deste trabalho foi desenvolver uma antena de microfita compacta para uso
em CubeSats, um tipo de satélite miniaturizado usado principalmente por universidades
para a exploração e pesquisa espacial, tipicamente em órbita terrestre baixa. O tamanho
reduzido desses satélites apresenta um grande desafio ao projeto. Sendo um dos principais
componentes a bordo dos satélites, a antena determina o desempenho de todos os sistemas
sem fio, incluindo: telemetria, rastreamento e controle (TT&C, do inglês, Telemetry, Tracking, and Control); downlink de dados de alta velocidade; navegação; comunicações entre
satélites; radares; e sensores. Para a função de TT&C, antenas de fio expansíveis são frequentemente empregadas em V-UHF. Entretanto, o uso do mecanismo de liberação dessas
antenas podem falhar e comprometer a missão. Uma antena de microfita apresenta diversas vantagens como tamanho, peso e ausência de partes mecânicas. Portanto, uma antena
de microfita compacta é desejável neste tipo de aplicação. O trabalho apresenta uma revisão bibliográfica abordando alguns conceitos sobre o padrão CubeSat, os fundamentos
da teoria de antenas, as principais técnicas de miniaturização de antenas, os fundamentos
das antenas eletricamente pequenas e os principais trabalhos já desenvolvidos sobre o assunto. Uma investigação adicional foi realizada sobre o método de Wheeler para medição
da eficiência de radiação de antenas compactas, sendo esse método aplicado para medir a
eficiência de radiação do protótipo construído. A metodologia do trabalho consistiu em, a
partir dos fundamentos da revisão bibliográfica, projetar, simular, construir e caracterizar
uma antena de microfita operando em duas frequências (401,6 MHz e 435,0 MHz). Essas frequências foram escolhidas para atenderem aos requisitos da maioria dos CubeSats
em uso, mas em particular atende a duas das frequências planejadas para CONASAT, um
projeto do Centro Regional Nordeste (CRN) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
(INPE), localizado em Natal, em parceria com a Universidade Federal do Rio Grande do
Norte (UFRN). Para confirmar a aplicabilidade do protótipo desenvolvido, foi realizada
uma completa caracterização do enlace considerando todos os ganhos e as perdas envolvidos. A contribuição desse trabalho está na capacidade do protótipo desenvolvido operar
em duas frequências com um único ponto de alimentação e dessa forma reduzir o peso, a
complexidade e o risco de falhas nos sistemas de comunicações dos CubeSats
