X-band phased array for mobile ground station operation
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
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
Language
en
Pages
103
Series
Abstract
Earth observation has become an essential factor in recent advances in warfare and disaster management. Whether used for tracking frontlines or floods, the value of near-real-time weather-independent Earth observation data can be priceless. Such technology, with substantial recent commercial advances, is low-earth orbit (LEO) synthetic aperture radar (SAR). For establishing a rapid and direct access to SAR data anywhere, special consideration regarding the satellite ground stations must be done. Due to their size and relatively slow set up, large reflector antennas are left out of question in this use case. In this work, a surrogate antenna concept is presented by designing an X-band phased array using requirements derived from the desired data throughput. Before analysing the system requirements, relevant theory, from satellite communications to antenna arrays, is presented. In addition, research into existing systems is brought up, for context. Requirements for the phased array concept are determined by computing the received energy-per-symbol-to-noise-power-spectral-density ratio (Es/N0) versus satellite elevation for multiple hypothetical receiving apertures. The result is an analysis on the relation between the aperture size and produced satellite access intervals. Hence, the antenna gain and steering limits are linked to the data throughput. The eventual output is the needed antenna gain and beam steering limits for the array. Once the requirements are derived, the requirements guide the embedded element design. Due to several benefits, a patch antenna was considered as a starting point for the radiating element. An L-probe feed and a via-fence were implemented for improved bandwidth and isolation respectively. As a first iteration, an embedded element with linear polarization (LPOL) was designed, which was then refined for circular polarization (CPOL). The unit-cell model was then used when estimating the properties of the final array, by using the array factor. The final element number was refined such that the derived requirements were met, and the sufficiency of the design was qualitatively confirmed.Kaukokartoituksesta on tullut merkittävä tekijä modernissa kriisinhallinnassa. Oli kyseessä rintamalinjojen tai tulvien seuranta, lähes reaaliaikainen säästä riippumaton kaukokartoitusdata voi osoittautua korvaamattoman arvokkaaksi. Tällaisen palvelun mahdollistaa esimerkiksi matalan kiertoradan synteettisen apertuurin tutkat (eng. low-earth orbit (LEO) synthetic aperture radar (SAR)), joiden kaupallinen kehitys on viime vuosina ollut merkittävä. SAR-datan suora ja nopea toimittaminen, erityisesti konfliktialueelle, vaatii liikkuvan maa-aseman. Tällaisessa tapauksessa suuren heijastinantennin käyttö voi rajoittaa maa-aseman kyvykkyyttä erityisesti siirtymien ja kuluvien osien kannalta. Tässä työssä on suunniteltu korvaava konsepti antennijärjestelmästä, joka mahdollistaa maa-aseman nopean liikkuvuuden sekä SAR-datan vastaanoton. Esitettävä konsepti on X-kaistan vaiheistettu antenniryhmä, joka on suunniteltu erityisen vaatimusmäärittelyn pohjalta. Ennen vaatimusmäärittelyä sekä suunnitteluosuutta työssä esitetään aiheelle relevantti teoreettinen tausta sekä tarkastellaan valmiita järjestelmiä vastaaviin sovelluksiin. Antenniryhmän vaatimukset johdetaan arvioimalla vastaanotettu symboli-kohinasuhde (Es/N0) satelliitin elevaatiokulman funktiona erikokoisille apertuureille. Näin analysoidaan apertuurin koon ja siitä seuraavien yhteysaikojen riippuvuutta. Analyysin seurauksena antennin vahvistus ja keilankääntöalue voidaan yhdistää linkin datansiirtokapasiteettiin (eng. throughput). Vahvistus ja keilankääntöalue, jotka mahdollistavat riittävän datan vastaanoton toimivat vaatimuksina suunnitellulle antenniryhmälle. Määrittelyn jälkeen, vaatimukset ohjaavat antennielementin ja -ryhmän suunnittelua. Useiden etujensa vuoksi työssä käsiteltäväksi elementiksi valikoitui mikroliuska-antenni. Läpivientiaitaus implementoitiin pienentämään elementtien keskenäiskytkentää. Kaistanleveyden kasvattamiseksi antennielementin syöttö implementoitiin käyttäen säteilijään kytkeytyvää mikroliuskajohtoa. Suunnittelun ensimmäisenä iteraationa toimi malli lineaaripolarisaatiolle (LPOL), joka toimi pohjana ympyräpolarisoituneelle (CPOL) mallille. Rajallisen antenniryhmän ominaisuuksia arvioitiin käyttämällä ryhmäkuviota sekä yksikkösolua (eng. unit cell) vastaavaa mallia. Lopullista elementtimäärää iteroitiin, kunnes ryhmän vaatimukset todettiin täytetyiksi.Description
Supervisor
Praks, JaanThesis advisor
Räsänen, MohamedLankinen, Mikko