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