Design of a Transceiver Front-End for the Foresail-2 Small Satellite

Abstract

The rapid growth of the space industry alongside technological developments is producing more capable satellite systems with increasingly complex missions and requirements. This development shifts typical small satellite operating frequencies from VHF (Very High Frequency) and UHF (Ultra High Frequency) bands to higher frequency bands such as S-band due to improved data rates and efficiency.

This thesis presents a designed S-band radio frequency front-end for the Foresail-2 small satellite. The conducted mission analysis resulted in requirements for the radio front-end, such as an output power of 30 dBm, full-duplex communication capabilities and a variable data rate. These were found necessary due to the highly elliptical nature of the GTO (Geostationary Transfer Orbit) orbit of the satellite in addition to international radio regulations. The operating frequency of the front-end was chosen at 2.08 GHz (RX) and 2.28 GHz (TX).

The performance of the chosen and designed elements, based on these requirements were found to be capable of producing a viable front-end design for the satellite mission. The chosen power amplifier achieved a power output level of 32 dBm prior to saturation and the designed microstrip low pass, band pass and band stop filters had performance characteristics comparable to their simulated values. The estimated receiver noise figure of the system, based on simulated and stated performance values is 1.85 dB. The work conducted in this thesis provides a starting point for the radio front-end design of Foresail-2, that meets the derived radio system requirements of the mission.

Avaruusalan nopea kasvu teknisen kehityksen myötä on johtanut edistyksellisempiin satelliittijärjestelmiin entistä vaativampia ja monimutkaisempia satelliittimissioita varten. Tämä kehitys siirtää tyypillisiä piensatelliittien toimintataajuuksia VHF (Very High Frequency) ja UHF (Ultra High Frequency) kaistoilta korkeammille taajuuskaistoille kuten S-kaistalle, jolla saavutetaan korkeammat tiedonsiirtonopeudet ja tehokkuudet.

Tämä työ esittää Foresail-2 piensatelliittimissiolle suunnitellun S-kaistan radiojärjestelmän etupään suunnittelun. Työssä tehty missioanalyysi johti sellaisiin radiojärjestelmän vaatimuksiin, kuten 30 dBm:n lähtöteho, kahdensuuntainen samanaikainen kommunikaatiokyvykkyys, sekä säädettävä tiedonsiirtonopeus. Nämä vaatimukset todettiin tarpeellisiksi johtuen satelliittimission hyvin elliptisestä, GTO (Geostationary Transfer Orbit) radasta, sekä kansainvälisistä radiomääräyksistä. Radiojärjestelmän taajuuksiksi valittiin 2.08 GHz (vastaanotto) ja 2.28 GHz (lähetys).

Näiden vaatimusten perusteella suunnitellut ja valitut komponentit, sekä niiden suorituskyky todettiin riittäväksi tuottamaan toimiva radiojärjestelmän etupää satelliittimissiota varten. Valittu radiojärjestelmän vahvistin saavutti 32 dBm:n saturoimattoman lähtötehon ja suunnitellut mikroliuska alipäästö, kaistanpäästö ja kaistanesto suodattimet tuottivat suorituskyvyn, joka vastasi simulaatioista saamia tuloksia. Vastaanottimen kohinaluku on 1.85 dB, perustuen komponenttien sekä simulaatioista saamiin suorituskykyarvoihin. Työ, joka tässä opinnäytetyössä on tehty, toimii lähtökohtana Foresail-2 mission radiojärjestelmän etupään suunnittelulle, joka täyttää työssä johdetut satelliittimission radiojärjestelmän vaatimukset.