Optimization of Isoflux Antenna Arrays for Small Satellites
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Department
Major/Subject
Mcode
ELEC3051
Degree programme
Language
en
Pages
94
Series
Abstract
Today, ever smaller spacecraft are envisioned for applications such as navigation satellite constellations. Navigation satellites require isoflux antennas that illuminate the surface of the Earth with constant signal power throughout the coverage area, but existing isoflux antennas are poorly suited for small satellite applications. Concentric ring arrays are a potential solution for compact small satellite isoflux antennas, but existing isoflux concentric ring array optimization methods are typically inaccurate or extremely time consuming. The goal of this thesis is to develop a practical optimization method that can be used to synthesize compact isoflux concentric ring array antennas for small satellites with different isoflux pattern requirements. In this thesis, three isoflux concentric ring array optimization methods are developed. Two of the methods, the array factor method and the pattern multiplication method, rely on a particle swarm optimization algorithm for quick optimization, and their models present low complexity at the expense of accuracy. The third method, called the coupled element method, relies on a novel two-level particle swarm optimization algorithm that enables using full wave simulations for the complete and accurate modelling of the antenna array while maintaining a reasonable optimization runtime. In addition, the thesis develops a new, more accurate model for target isoflux patterns by considering the effects of atmospheric attenuation. The optimization methods developed in this thesis are validated in three test cases with different requirements for the isoflux patterns. The thesis shows that in wide isoflux beamwidth scenarios the novel coupled element method provides superior accuracy compared to the two simpler methods. For narrower isoflux beams, on the other hand, the required larger size and higher complexity of the arrays render the coupled element method impractically slow. In these cases, however, even the simplest array factor method can provide satisfactory accuracy with a low runtime. As a conclusion, the novel coupled element method and the common, simple array factor method can be utilized as complementary approaches that together enable the optimization of concentric ring array antennas for a wide range of different isoflux patterns.Nykyään yhä pienempiä satelliitteja suunnitellaan käytettäväksi esimerkiksi navigointisatelliittikonstellaatioissa. Navigointisatelliitit vaativat niin kutsuttuja isofluksiantenneja tuottaakseen maan pinnalle voimakkuudeltaan vakiosuuruisen navigointisignaalin, mutta aikaisemmat isofluksiantennit soveltuvat heikosti piensatelliiteille. Samankeskisten renkaiden muodostamat antenniryhmät voisivat sopia piensatelliittien isofluksiantenneiksi, mutta niiden olemassaolevat optimiointimenetelmät ovat joko epätarkkoja tai vaativat äärimmäisen paljon aikaa. Tämän opinnäytetyön päämäärä on kehittää käytännöllinen menetelmä samankeskisten renkaiden muodostamien antenniryhmien optimointiin erilaisia isofluksisäteilykuvioita varten. Tässä opinnäytetyössä kehitetään kolme menetelmää samankeskisten renkaiden muodostamien antenniryhmien isofluksisäteilykuvioiden optimointiin. Menetelmistä kaksi ensimmäistä, niin kutsutut ryhmäkerroinmenetelmä sekä säteilykuvionkerrontamenetelmä, hyödyntävät tehokasta hiukkasparvioptimointia, ja niiden antennimallit ovat yksinkertaisia tarkkuuden kustannuksella. Kolmatta optimointimenetelmää taas kutsutaan kytkettyjen elementtien menetelmäksi. Se perustuu uudenlaiseen kaksitasoiseen hiukkasparvioptimointialgoritmiin, jonka ansiosta menetelmä voi hyödyntää täysaaltosimulaatioita tarkkaa antennimallinnusta varten pitäen silti optimointiin kuluvan ajan kohtuullisena. Tämän lisäksi opinnäytetyössä kehitetään uusi, entistä tarkempi malli tavoiteisofluksisäteilykuviolle huomioimalla myös ilmakehän aiheuttaman signaalin vaimenemisen vaikutus tavoitekuvioon. Työssä kehitettyjä menetelmiä testataan kolmen erilaisen isofluksisäteilykuvion optimoinnissa. Tämä opinnäytetyö osoittaa, että laajojen isofluksisäteilykuvioiden tapauksissa uusi kytkettyjen elementtien menetelmä on tarkkuudeltaan ylivertainen kahteen yksinkertaisempaan menetelmään verrattuna. Kapea-alaisemmat isofluksisäteilykuviot taas vaativat suurempia ja monimutkaisempia antenniryhmiä, minkä vuoksi kytkettyjen elementtien menetelmästä tulee epäkäytännöllisen hidas. Näissä tapauksissa yksinkertaisin ryhmäkerroinmenetelmä osoittautuu kuitenkin tarkaksi ja nopeaksi. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että uusi kytkettyjen elementtien menetelmä sekä yleisesti käytetty ryhmäkerroinmenetelmä täydentävät toisiaan ja mahdollistavat yhdessä samankeskisten antenniryhmien optimoinnin monia erilaisia isofluksisäteilykuvioita varten.Description
Supervisor
Praks, JaanThesis advisor
., MayankHolopainen, Jari