Sistemi front-end a RF di tipo imaging
per applicazioni satellitari avanzate
Fabio Pelorossi
Anno accademico 2010/2011
Relatore: Fabrizio Frezza
Correlatore: Dr. Piero Angeletti (ESA – ESTEC)
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Obiettivi:
•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
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Problemi aperti:
Moderni sistemi satellitari:
risoluzione spaziale elevata: ampie aperture
scansione elettronica del fascio: phased array
Svantaggi dei phased array molto estesi:
peso
scarsa integrazione
grating lobes
costo elevato della missione
Satellite Giove-A
Idea:
combinare array più compatti con l’uso di sistemi a riflettore approccio ibrido
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Sistema proposto:
Due riflettori paraboloidali ad apertura circolare + array circolare
Doppio riflettore:
soluzione più ingombrante, ma più
economica
Paraboloidi:
• Capacità di focalizzazione totale
riflettore
secondario
riflettore
primario
array
• Trasformazione
onda piana->onda sferica->onda piana
• Redistribuzione del campo su
un’area magnificata
Rappresentazione del campo secondo raggi:
approssimazione di ottica geometrica.
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M
d0
f
m
dm
fs
M
d0
f
m
dm
fs
Sistema proposto:
Offset: minimizzazione del bloccaggio
Configurazione gregoriana (riflettori concavi)
Array ed apertura principale su piani
coniugati
Magnificazione tra piani coniugati
M
d0
f
m
dm
fs
Valori tipici di M: tra 2 e 4
Riproduzione di un direct radiating array magnificato sul piano d’apertura
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Il software di G.O.: inputs e outputs
Ottica geometrica (G.O.):
teoria di approssimazione tramite raggi e tubi di flusso valida ad “alte” frequenze
Disegno
Pattern scalari
Pattern con polarizzazione
Studio dell’imaging
Impatto delle aberrazioni
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Scan ed aberrazioni:
Regione caustica
Scan: raggi NON paralleli all’asse dei paraboloidi (≠ condizione boresight)
Focalizzazione non perfetta: caustiche
Illuminazione del riflettore principale variabile
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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!
Percorso ottico non costante tra array e apertura per i raggi: incoerenza di fase
La direzione del beam d’antenna non è ben definita!
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Pattern:
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Diagramma polare di copertura:
Beam Tracking Function:
Dipendenza da M
Copertura desiderata: 8° da GEO
Dipendenza da f/d
Raccolta dati
Interpolazione
Adattamento
del phased array
Scostamenti crescenti
con M e f/d
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Scan piano verticale:
incrementi di 4° nello scan dell’array
-3dB
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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 primario ritagliato per la piena illuminazione in caso boresight
Riflettore secondario sovradimensionato asimmetricamente sul piano verticale
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Tapering e polarizzazione:
Polarizzazione:
confronto
trauniforme
pattern scalare
(blu)che
e componente
copolare
(rosso)
Tapering:
distribuzione
non
dei raggi
rappresentano
il campo
riduzione dei side-lobes
incremento della beamwidth
Cross-polarizzazione: la configurazione è offset
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Ottica fisica (P.O.):
Teoria più precisa e necessità di un software più complesso
Meshing in totale
Contributo
tanti “scatteratori”
da tutte le combinazioni
elementari:di accoppiamento
G.O. rosso
P.O. blu
Lavoro futuro?
Necessità di un numero elevato di piastrine elementari
Verifica di una migliore corrispondenza con riflettori più piccoli
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Radiometri interferometrici:
Un radiometro misura la radiazione
elettromagnetica emessa dalla materia
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”
Satellite SMOS
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 analisi elettromagnetica da feed singoli
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Pattern interferometrici:
Si dimostra che, con la tecnica interferometrica:
per TB ( , ) ( *, *) lo scenario ricostruito corrisponde all’antenna pattern
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Pattern interferometrici:
Compromesso sulla finestra di stima
guadagno in risoluzione!
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Conclusioni:
Attraverso lo sviluppo di un software dedicato si è potuto:
Ottenere uno strumento generale per lo studio di un’avanzata struttura d’antenna
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
• dimostrare un esempio di dimensionamento ottimo
Verificare con successo l’applicazione dei principi interferometrici, dimostrandone i
vantaggi in termini di risoluzione spaziale
Future evoluzioni:
Ottimizzazione dell’approccio P.O.
Studio di comparazione con le prestazioni di SMOS
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GRAZIE
PER
L’ATTENZIONE
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