Sistemi front-end a RF di tipo imaging per

applicazioni satellitari avanzate

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Fabio Pelorossi

Relatore: Fabrizio FrezzaCorrelatore: Dr. Piero Angeletti (ESA – ESTEC)

Anno accademico 2010/2011

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•Sviluppo di un software MATLAB dedicato per la simulazione di una struttura innovativa d’antenna ibrida per applicazioni satellitari

•Dimensionamento ottimo ed analisi elettromagnetica della struttura proposta

•Applicazione della teoria interferometrica al sistema d’antenna per impieghi radiometrici

Obiettivi:

Svantaggi dei phased array molto estesi: peso scarsa integrazione grating lobes

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Problemi aperti:Moderni sistemi satellitari: risoluzione spaziale elevata: ampie aperture scansione elettronica del fascio: phased array

costo elevato della missione

Idea: combinare array più compatti con l’uso di sistemi a riflettore approccio ibrido

Satellite Giove-A

Sistema proposto:Due riflettori paraboloidali ad apertura circolare + array circolare

array

riflettore secondario

riflettore primario

Rappresentazione del campo secondo raggi: approssimazione di ottica geometrica.

Doppio riflettore: soluzione più ingombrante, ma più economica

Paraboloidi:• Capacità di focalizzazione totale

• Trasformazione onda piana->onda sferica->onda piana

• Redistribuzione del campo su un’area magnificata

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Sistema proposto:

Magnificazione tra piani coniugati

0 m

m s

d fM

d f 0 m

m s

d fM

d f

0 m

m s

d fM

d f

0 m

m s

d fM

d f

Valori tipici di M: tra 2 e 4

Riproduzione di un direct radiating array magnificato sul piano d’apertura

Array ed apertura principale su piani coniugati

Offset: minimizzazione del bloccaggio

Configurazione gregoriana (riflettori concavi)

Il software di G.O.: inputs e outputs

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Disegno Pattern scalari

Pattern con polarizzazione

Ottica geometrica (G.O.):teoria di approssimazione tramite raggi e tubi di flusso valida ad “alte” frequenze

Studio dell’imaging

Impatto delle aberrazioni

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Scan ed aberrazioni:

Focalizzazione non perfetta: caustiche

Regione caustica

Illuminazione del riflettore principale variabile

Scan: raggi NON paralleli all’asse dei paraboloidi (≠ condizione boresight)

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Scan ed aberrazioni: Distribuzione dei raggi sul piano d’apertura su un reticolo distorto

Percorso ottico non costante tra array e apertura per i raggi: incoerenza di fase

vale solo per piccoli angoli di scan!

La direzione del beam d’antenna non è ben definita!

Percorso ottico non costante tra array e apertura per i raggi: incoerenza di fase

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Pattern:

1010

Diagramma polare di copertura:

Raccolta dati

Copertura desiderata: 8° da GEO

Beam Tracking Function:

Interpolazione

Dipendenza da M

Dipendenza da f/d

Scostamenti crescenti con M e f/d

Adattamento del phased array

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-3dB

Scan piano verticale:incrementi di 4° nello scan dell’array

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Scan piano diagonale: Comparazione caso ideale/ caso reale: Beam Tracking Function (B.T.F.)

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Scan piano orizzontale: Caso reale (B.T.F.)

-3dB

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Dimensionamento ottimo:

Riflettore secondario sovradimensionato asimmetricamente sul piano verticale

Riflettore primario ritagliato per la piena illuminazione in caso boresight

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Polarizzazione: confronto tra pattern scalare (blu) e componente copolare (rosso)

Tapering e polarizzazione:

Cross-polarizzazione: la configurazione è offset

Tapering: distribuzione non uniforme dei raggi che rappresentano il campo

riduzione dei side-lobes incremento della beamwidth

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Ottica fisica (P.O.):

Meshing in tanti “scatteratori” elementari:Contributo totale da tutte le combinazioni di accoppiamento

Teoria più precisa e necessità di un software più complesso

G.O. rossoP.O. blu

Necessità di un numero elevato di piastrine elementari

Verifica di una migliore corrispondenza con riflettori più piccoli

Lavoro futuro?

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Un radiometro misura la radiazione elettromagnetica emessa dalla materia

Radiometri interferometrici:

Qualsiasi oggetto emette radiazione elettromagnetica in funzione della propria temperatura fisica

Con la tecnica interferometrica i segnali misurati da singoli elementi di ricezione dell’array vengono cross-correlati per produrre immagini con una maggiore risoluzione spaziale rispetto ad uno strumento “classico”

Grazie a tale tecnica non è più necessaria la scansione (meccanica o elettrica) perché l'algoritmo di ricostruzione delle immagini produce una mappa di tutto il campo di vista delle antenne singole

Satellite SMOS

analisi elettromagnetica da feed singoli

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Pattern interferometrici:Si dimostra che, con la tecnica interferometrica:per lo scenario ricostruito corrisponde all’antenna pattern ( , ) ( *, *)BT

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Pattern interferometrici:Compromesso sulla finestra di stima

guadagno in risoluzione!

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Conclusioni:

• dimostrare un esempio di dimensionamento ottimo

Verificare con successo l’applicazione dei principi interferometrici, dimostrandone i vantaggi in termini di risoluzione spaziale

Attraverso lo sviluppo di un software dedicato si è potuto:

Svolgere un’analisi elettromagnetica approfondita, con gli approcci teorici di G.O. e P.O., che ha permesso, tra l’altro, di:

• identificare, catalogare e predire le non idealità del sistema

Ottenere uno strumento generale per lo studio di un’avanzata struttura d’antenna

Future evoluzioni:Ottimizzazione dell’approccio P.O.Studio di comparazione con le prestazioni di SMOS

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GRAZIE PER

L’ATTENZIONE