Piensatelliitin Radiomittalaitteen Antennin ja Etuvahvistimen Suunnittelu 1 - 30 MHz:n Taajuusalueelle

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2020-12-14
Department
Major/Subject
Space Science and Technology
Mcode
ELEC3039
Degree programme
Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)
Language
fi
Pages
85+12
Series
Abstract
Tässä työssä tutkittiin ja kehitettiin mahdollisia uusia antenniratkaisuja tuleviin piensatelliitteihin, erityisesti alle 10 kilogramman satelliitteihin, eli ns. nanosatelliitteihin. Työssä keskityttiin laitteiston etupään (front end) antenniin ja matalakohinavahvistimeen (Low Noise Amplifier). Radiomittalaitteistoa käytetään havaitsemaan keski- ja korkeataajuuksilla, 0.3 - 3 MHz (MF) ja 3 - 30 MHz (HF), joilla tutkitaan mm. Maan ionosfääriä ja sen läpäisytaajuuksia. Tavoitteena oli luoda laajakaistaisen radiospektrin antenni ja vahvistimen etupää niin, että lopullista radiomittalaitetta voitaisiin käyttää laajasti Aurinkokunnan erilaisten plasmaympäristöjen radioaaltotutkimuksessa. Työssä tutkittiin erityisesti radiomittalaitetta, joka pystyisi tutkimaan Maan ionosfääriä havaitsemalla EISCAT:in (European Incoherent Scatter Scientific Association) kuumentimen lähettämää radiosignaalia lähettimen yläpuolella. Havaittavien sähkökenttien suuruus tulee tällöin olla yli muutamia millivoltteja metriä kohden. Radiomittalaitteen komponenttien ja antennin toimintaa tutkittiin teorian ja simulaatioiden avulla. Antenni suunniteltiin käytettäväksi ns. CubSat-nanosatelliitissa, jonka pienin koko, ns. 1U, on 10 cm x 10 cm x 10 cm. Antennin ja satelliitin rakenteet simuloitiin CST Studio Suite-ohjelmalla. Vahvistin simuloitiin LTSpice-ohjelmalla. Tämän lisäksi työssä perehdyttiin kirjallisuuskatsauksena plasmafysiikan teorian pohjalta määrittämään havaittavien aaltojen perusominaisuuksiin plasmassa, sekä esitettiin erilaisia plasmaympäristöjä ja niiden perusominaisuuksia. Työn tuloksena esiteltiin laajakaistainen antennin ja vahvistimen muodostama yhdistelmä, sekä osoitettiin se, että keski- ja korkeataajuiselle on mahdollista suunnitella leveäkaistainen pienikokoinen antennijärjestelmä. Työssä tehdyt simulaatiot osoittavat erilaisten antennien antavan erilaisen jännitteen antennin ulostulossa niin, että signaalin voimakkuus kasvoi antennin koon kasvaessa. Lisäksi simulaatiot osoittivat, että pystyyn avautuva antenni antaa voimakkaamman signaalin kuin satelliitin sivulla vaakatasossa oleva antenni. Vaikka monimutkaiset suuren pinta-alan antennit antavat satelliitin sivulla vaakatasossa olevaa antennia suuremmat signaalit, niin monimutkaisten avautuvien antennien toteutus on kuitenkin erittäin vaativa tehtävä.

This thesis investigated and developed a new antennas solutions for a small satellites, especially for satellites below 10 kg, i.e. so-called nanosatellites. The thesis focused on Front end part which includes antenna and Low noise amplifier. The radio spectrometer will be used to do measurements at medium- and high frequencies, 0.3 to 3 MHz and 3 to 30 MHz, which are used to investigate ionosphere's thickness and penetration rates. The goal was to create a broadband radio spectrometer antenna and an amplifier front end so that the final radio measuring instrument could be widely used in radiowave research of different plasma environments in the Solar System. In particular, the thesis investigates a radio measuring device that could study the Earth's ionosphere by detecting the radio signal transmitted by the EISCAT (European Incoherent Scatter Scientific Association) heater above the transmitter. The magnitude of the detectable electric fields must then be more than a few millivolts per meter. The operation of the components and antenna of the radio measuring device is studied with the help of theory and simulations. The antenna is designed for use in the so-called CubSat-nanosatellite, with a minimum size of 1U, that is 10 x 10 x 10 cm. The antenna and satellite structure is simulated with CST Studio Suite. The amplifier is simulated with with LTSpice software. In addition, this thesis examines the basic properties of observable waves in plasma on the basis of the theory of plasma physics and presents various plasma environments and their basic properties. As the result, the thesis presents a wideband antenna and LNA combination, and it is shown that it is possible to design a wideband small-sized antenna system for medium and high frequency. The simulations performed in the thesis show that different antennas give different voltages at the antenna output so that the signal strength increased as the size of the antenna increased. In addition, the simulations show that the vertical-opening antenna provides a stronger signal than the horizontal antenna on the side of the satellite. Although complex large-area antennas provide larger signals than the horizontal antenna on the satellite side, the implementation of complex opening antennas is a very demanding task.
Description
Supervisor
Kallio, Esa
Thesis advisor
Koskimaa, Petri
Keywords
laajakaistainen antenni, MiniWhip-antenni, LNA, plasma, ionosfääri
Other note
Citation