Sistemi front-end a RF di tipo imaging per applicazioni satellitari avanzate

1. Sistemi front-end a RF di tipo imaging per applicazioni satellitari avanzate Fabio Pelorossi Anno accademico 2010/2011 Relatore: Fabrizio Frezza Correlatore: Dr. Piero Angeletti (ESA – ESTEC)

2. Obiettivi: • 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

3. Problemi aperti: • Moderni sistemi satellitari: • risoluzione spaziale elevata: ampie aperture • scansione elettronica del fascio: phasedarray • Svantaggi dei phased array molto estesi: • peso • scarsa integrazione • grating lobes Satellite Giove-A costo elevato della missione Idea: combinare array più compatti con l’uso di sistemi a riflettore  approccio ibrido

4. Sistema proposto: Due riflettori paraboloidali ad apertura circolare + array circolare • 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 riflettore secondario riflettore primario array Rappresentazione del campo secondo raggi: approssimazione di ottica geometrica. 4

5. Sistema proposto: Offset: minimizzazione del bloccaggio Configurazione gregoriana (riflettori concavi) Array ed apertura principale su piani coniugati Magnificazione tra piani coniugati Valori tipici di M: tra 2 e 4 Riproduzione di un directradiatingarraymagnificato sul piano d’apertura

6. Il software di G.O.: inputs e outputs Ottica geometrica (G.O.): teoria di approssimazione tramite raggi e tubi di flusso valida ad “alte” frequenze Disegno Pattern scalari Pattern con polarizzazione Studio dell’imaging Impatto delle aberrazioni

7. Scan ed aberrazioni: Regione caustica Scan: raggi NON paralleli all’asse dei paraboloidi (≠ condizione boresight) • Focalizzazione non perfetta: caustiche • Illuminazione del riflettore principale variabile

8. 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! • Percorso ottico non costante tra array e apertura per i raggi: incoerenza di fase La direzione del beam d’antenna non è ben definita!

9. Pattern:

10. Diagramma polare di copertura: BeamTrackingFunction: Dipendenza da M Copertura desiderata: 8° da GEO Dipendenza da f/d Raccolta dati Interpolazione Scostamenti crescenti con M e f/d Adattamento del phasedarray 10

11. Scan piano verticale: incrementi di 4° nello scan dell’array -3dB

12. Scan piano diagonale: Comparazione caso ideale/ caso reale: BeamTrackingFunction (B.T.F.)

13. Scan piano orizzontale: Caso reale (B.T.F.) -3dB

14. Dimensionamento ottimo: Riflettore primario ritagliato per la piena illuminazione in caso boresight Riflettore secondario sovradimensionato asimmetricamente sul piano verticale

15. Tapering e polarizzazione: Polarizzazione: confronto tra pattern scalare (blu) e componente copolare (rosso) Tapering: distribuzione non uniforme dei raggi che rappresentano il campo riduzione dei side-lobes incremento della beamwidth Cross-polarizzazione: la configurazione è offset

16. Ottica fisica (P.O.): Teoria più precisa e necessità di un software più complesso Meshing in tanti “scatteratori” elementari: Contributo totale da tutte le combinazioni di accoppiamento G.O. rosso P.O. blu Lavoro futuro? Necessità di un numero elevato di piastrine elementari Verifica di una migliore corrispondenza con riflettori più piccoli

17. Radiometri interferometrici: Un radiometro misura la radiazione elettromagnetica emessa dalla materia 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” Satellite SMOS 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  analisi elettromagnetica da feed singoli

18. Pattern interferometrici: Si dimostra che, con la tecnica interferometrica: per lo scenario ricostruito corrisponde all’antenna pattern

19. Pattern interferometrici: Compromesso sulla finestra di stima guadagno in risoluzione!

20. Conclusioni: Attraverso lo sviluppo di un software dedicato si è potuto: • Ottenere uno strumento generale per lo studio di un’avanzata struttura d’antenna • 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 • dimostrare un esempio di dimensionamento ottimo • Verificare con successo l’applicazione dei principi interferometrici, dimostrandone i vantaggi in termini di risoluzione spaziale Future evoluzioni: Ottimizzazione dell’approccio P.O. Studio di comparazione con le prestazioni di SMOS

21. GRAZIE PER L’ATTENZIONE