New antenna configurations based on reflectarrays to generate multi-spot coverage in Ka-band from geostationary satellites

Martínez de Rioja del Nido, José Daniel (2021). New antenna configurations based on reflectarrays to generate multi-spot coverage in Ka-band from geostationary satellites. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Telecomunicación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.67448.

Description

Title: New antenna configurations based on reflectarrays to generate multi-spot coverage in Ka-band from geostationary satellites
Author/s:
  • Martínez de Rioja del Nido, José Daniel
Contributor/s:
  • Encinar Garcinuño, José Antonio
Item Type: Thesis (Doctoral)
Read date: 2021
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Telecomunicación (UPM)
Department: Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Today's satellite communications for broadband services, such as Internet access, are predominantly provided by geostationary satellites known as high throughput satellites (HTS). HTS systems split the service area into a large number of small cells by means of multiple beam antennas onboard the satellites. The multi-spot coverage generated from HTS follows a four-color reuse scheme, where the spot-beams are generated at two different frequencies and two orthogonal polarizations. As a result, two adjacent spots never coincide at the same frequency and polarization (same color), so the spots generated with the same color are spatially isolated from each other and the interferences between adjacent spots are reduced. The operation by a four-color multi-spot coverage makes it possible to improve the spectrum utilization, maximizing the throughput of the users, while the offered bandwidth of the system remains unaltered. Current broadband satellite communications commonly operate in Ka-band, generating the four-color coverage simultaneously in transmission (Tx, 19.2-20.2 GHz) and reception (Rx, 29-30 GHz). The coverages are typically formed by around fifty or a hundred of slightly overlapping spot beams, where the beamwidth is around 0.65º. The design of multi-beam antennas in Ka-band for HTS faces some challenges due to the large number of beams generated in different colors with a very small angular separation between adjacent spots (around 0.56º). The most extended antenna farm in HTS is formed by four single-offset reflector antennas in a one-feed-per-beam configuration, operating simultaneously at Tx and Rx frequencies in Ka-band, where each reflector generates the beams in a single color. However, the use of four antennas onboard the satellite implies limitations in terms of accommodation and stowing of the satellite payload. In addition, accurate pointing systems have to be associated to each of the four antennas because a small movement in one of the reflectors or in one of the associated feeding clusters may cause the corresponding beams to move as compared to the other ones and reducing the antenna performance. The main motivation of this PhD thesis has been to develop new antenna solutions based on reflectarray antennas that make it possible to halve the number of antennas and feed chains required onboard the satellite to produce the four-color multispot coverage in Ka-band. In this way, two reflectarrays would produce the total coverage instead of four reflectors, resulting in a significant saving in weight, volume, and cost in the payload. To this end, two different strategies have been evaluated: first, a reflectarray has been proposed to generate a complete four-color coverage in a single band to exclusively operate in transmission or reception. The second strategy is based on the design of a reflectarray to generate one half of the required four-color beams simultaneously in the Tx and Rx bands. In relation to the first strategy, a novel design method has been proposed to generate four spaced beams per feed in four different colors, by operating at two different frequencies and two orthogonal polarizations. The beam squint effect in offset fed reflectarrays has been exploited to overcome the main complexity of the proposed design, which is the independent operation at relatively close frequencies. As a first approach, the proposed design technique has been applied to the preliminary design and simulation of a 1.8 m reflectarray defined with ideal reflectarray cells. The simulations have demonstrated the capability of generating a four-color coverage formed by 108 spots in the transmit band with a single reflectarray illuminated by 27 dual-polarized feeds. Thus, the four reflector antennas commonly used onboard the communications satellites in Ka-band could be replaced by one reflectarray operating in transmission and a second reflectarray operating in reception. A flat 43 cm reflectarray prototype has been designed, manufactured and tested for the first time to experimentally demonstrate the generation of four spaced beams per feed in four different colors. The analysis and design of the prototype has been carried out by a home-made simulation tool based on the Method of Moments in the Spectral Domain (SD-MoM) and the local periodicity approach. The measurements of the 43 cm reflectarray have been used to validate the accuracy of the developed analysis and design tools. Moreover, the results have proven that the beam squint effect can be used to naturally focus spaced beams generated by the same feed at different frequencies while the same phenomenon is partially compensated in each operating sub-band, by optimizing the dimensions of the printed elements in the reflectarray. Concerning the second strategy, an original design method for parabolic reflectarrays has been developed to generate two spaced beams per feed in orthogonal circular polarizations (CP) at Tx and Rx frequencies in Ka-band. The proposed technique makes it possible to design a reflectarray to generate half the required four-color multi-spot coverage. Firstly, a new reflectarray cell has been defined to operate in dual-band and dual-CP by means of the Variable Rotation Technique (VRT). The operating principles of the VRT, typically formulated for normal incidence, have been extended for oblique incidence. Then, a new design method for parabolic reflectarray antennas has been developed based on the previous cells, including an in-band optimization routine to reduce the cross-polar radiation at off-center frequencies and a novel technique to equal the shaping of the beam focused by a parabolic surface at separate frequencies (Tx and Rx in Ka-band). The proposed design method has been firstly adapted to a flat reflectarray to experimentally demonstrate the generation of two spaced beams per feed in orthogonal CP simultaneously at Tx and Rx frequencies in Ka band. A 25-cm reflectarray based on the new dual-band dual-CP cells has been designed, manufactured and tested. The prototype has been designed by an in-house design tool, following the technique developed for parabolic reflectarrays applied to a conventional flat structure, including the new in-band optimization. The measured radiation patterns of the manufactured prototype have satisfactory validated the design techniques and analysis tools for flat reflectarrays. A 1.8-m parabolic reflectarray has been designed by using the developed techniques to generate one half of the required multi-spot coverage simultaneously at Tx and Rx frequencies in Ka-band for broadband satellite communications. The parabolic reflectarray, designed to generate two spaced beams in orthogonal CP per feed, has been illuminated by 27 dual-CP feeds to produce 54 spot-beams in two different polarization colors. The conducted simulations have shown a correct beam distribution at both Tx and Rx frequencies in Ka-band, proving that two parabolic reflectarrays operating at slightly different frequencies can provide a complete coverage of 108 spots within a four-color reuse scheme, which would make it possible to halve the number of feeds and antennas required for current multi-spot satellites in Ka-band, from four reflector antennas to two parabolic reflectarrays. Finally, a model of the real 1.8-m parabolic reflectarray antenna scaled in a factor 1/2 has been designed, manufactured and measured to experimentally demonstrate the generation of two spaced high-gain beams per feed in orthogonal CP simultaneously at Tx and Rx frequencies in Ka-band. The 0.9 m parabolic reflectarray was the final demonstrator of an ESA project, coordinated by the UPM group. The results of this demonstrator have been completely satisfactory and have validated the different techniques developed in this thesis. These techniques include: 1) the optimization procedure to reduce the cross-polar radiation in a prescribed frequency band, overcoming one of the major limitations identified in previous works, and 2) the technique for phase correction at higher frequency, which has been used to equalise the beamwidth in Tx and Rx. The results presented in this thesis have demonstrated new reflectarray configurations to reduce the number of antennas in multi-spot satellites, considering "one feed per beam" architecture, which shows the potential of reflectarray antennas for satellite applications. ----------RESUMEN---------- Las actuales comunicaciones por satélite orientadas a servicios de banda ancha, como el acceso a Internet, son proporcionadas principalmente mediante satélites geoestacionarios conocidos como satélites de alta capacidad, del inglés high throughput satellites (HTS). Estos satélites dividen el área de servicio en un gran número de pequeñas celdas mediante el uso de antenas multi-haz embarcadas en el satélite. La cobertura multi-haz generada desde los satélites de alta capacidad sigue un esquema de reutilización de cuatro colores, donde los haces son generados a dos frecuencias distintas y dos polarizaciones ortogonales. Como resultado, dos haces adyacentes nunca coinciden con la misma frecuencia y polarización (mismo color), por lo que los haces generados con el mismo color están espacialmente aislados y la interferencia entre haces adyacentes se reduce. La operación mediante una cobertura multi-haz de cuatro colores hace posible mejorar la utilización del espectro, maximizando la tasa de transmisión de los usuarios al mismo tiempo que el ancho de banda disponible del sistema se mantiene inalterado. Las comunicaciones de banda ancha por satélite comúnmente operan en la banda Ka, generando la cobertura de cuatro colores simultáneamente en transmisión (Tx, 19.2-20.2 GHz) y recepción (Rx, 29-30 GHz). Estas coberturas están formadas típicamente por alrededor de cincuenta o cien haces ligeramente superpuestos, cuyo ancho de haz es próximo a los 0.65°. El diseño de antenas multi-haz en banda Ka para los satélites de alta capacidad se enfrenta a algunos desafíos debido al gran número de haces generados en diferentes colores con una separación angular muy pequeña entre haces adyacentes (alrededor de 0.56°). El subsistema antena más extendido en estos satélites está formado por cuatro antenas reflectoras que generan un haz por alimentador, y operan simultáneamente en las frecuencias de transmisión y recepción de la banda Ka, de manera que cada reflector genera los haces en un solo color. Sin embargo, el uso de cuatro antenas a bordo del satélite supone una importante limitación dadas las restricciones en masa y volumen de la carga útil del satélite. La principal motivación de esta tesis ha sido desarrollar nuevas soluciones de antena basadas en antenas reflectarray que permitan reducir a la mitad el número de antenas y alimentadores requeridas a bordo del satélite para producir la cobertura multi-haz de cuatro colores en banda Ka. De esta manera, dos reflectarrays producirían la cobertura total en lugar de cuatro reflectores, lo que resultaría en un ahorro significativo en peso, volumen y coste del satélite. Con este fin, se han seguido dos estrategias diferentes: en primer lugar, se ha propuesto un reflectarray para generar una cobertura completa de cuatro colores en una sola banda para operar exclusivamente en transmisión o recepción. La segunda estrategia se basa en el diseño de un reflectarray para generar la mitad de los cuatro colores requeridos, pero operando simultáneamente en las bandas de transmisión y recepción. En relación con la primera estrategia, se ha propuesto un novedoso método de diseño para generar cuatro haces espaciados por alimentador en cuatro colores diferentes, operando a dos frecuencias diferentes y dos polarizaciones ortogonales. El efecto de desviación del haz con la frecuencia en reflectarrays con configuración descentrada, comúnmente conocido como beam squint, se ha utilizado para superar la principal complejidad del diseño propuesto, que es la operación independiente del reflectarray a frecuencias relativamente cercanas. Como primer estudio, la técnica propuesta ha sido analizada por medio del diseño preliminar y simulación de un reflectarray de 1.8 m definido con celdas reflectarray ideales. Las simulaciones han demostrado la capacidad de generar una cobertura de cuatro colores formada por 108 haces en la banda de transmisión usando un único reflectarray iluminado por 27 alimentadores. Por lo tanto, las cuatro antenas reflectoras comúnmente utilizadas a bordo de los satélites de comunicación en banda Ka podrían ser reemplazadas por un reflectarray que opera en la banda de transmisión y un segundo reflectarray que opera en recepción. Se ha diseñado, fabricado y medido, por primera vez, un reflectarray plano de 43 cm de diámetro para demostrar experimentalmente la generación de cuatro haces espaciados por alimentador en cuatro colores diferentes. El análisis y diseño del prototipo ha sido llevado a cabo por una herramienta de simulación propia basada en el Método de Momentos en el Dominio Espectral (SD-MoM) y la aproximación de periodicidad local. Las medidas del reflectarray se han utilizado para validar la precisión de las herramientas de análisis y diseño desarrolladas. Además, los resultados han demostrado que el efecto de desviación del haz con la frecuencia se puede utilizar para enfocar de manera natural los haces espaciados generados por el mismo alimentador a diferentes frecuencias, al mismo tiempo que el fenómeno es compensado parcialmente en cada sub-banda de funcionamiento mediante la optimizacion de las dimensiones de los elementos impresos del reflectarray. En cuanto a la segunda estrategia, se ha desarrollado un método de diseño original para reflectarrays parabólicos con el fin de generar dos haces espaciados por alimentador en polarizaciones circulares ortogonales simultáneamente en las frecuencias de transmisión y recepción de la banda Ka. La técnica de diseño permite diseñar un reflectarray para generar la mitad de la cobertura multi-haz de cuatro colores requerida. En primer lugar, se ha definido una nueva celda reflectarray para operar en doble banda y doble polarización circular mediante la Técnica de Rotación Variable (VRT). Los principios de funcionamiento del VRT, típicamente formulados para incidencia normal, se han ampliado para incidencia oblicua. A continuación, se ha desarrollado un nuevo método de diseño para antenas reflectarray parabólicas basado en la celda anterior, incluyendo una rutina de optimización en banda para reducir la radiación contra-polar y una técnica novedosa para igualar el conformado del haz enfocado por una misma superficie parabólica en frecuencias distantes (transmisión y recepción de la banda Ka). El método de diseño propuesto se ha adaptado en primer lugar a un reflectarray plano para demostrar experimentalmente la generación de dos haces espaciados por alimentador en polarizaciones circulares ortogonales simultáneamente en las frecuencias de transmisión y recepción de la banda Ka. Se ha diseñado, fabricado y medido un reflectarray de 25 cm basado en las nuevas celdas reflectarray con operación en doble banda y doble polarización. El prototipo se ha diseñado mediante una herramienta de diseño propia, siguiendo la técnica desarrollada para reflectarrays parabólicos aplicada a una estructura plana. El diseño ha incluido la nueva rutina de optimización en banda. Los diagramas de radiación medidos en cámara anecoica han validado satisfactoriamente las técnicas de diseño y las herramientas de análisis para reflectarrays planos. Se ha diseñado un reflectarray parabólico de 1.8 m mediante las técnicas propuestas anteriormente, con el fin de generar la mitad de la cobertura multi-haz requerida para comunicaciones por satélite en banda Ka. El reflectarray parabólico, diseñado para generar dos haces espaciados 0.56º en polarizaciones circulares ortogonales por cada alimentador, ha sido iluminado por 27 alimentadores para producir 54 haces en dos colores diferentes. Las simulaciones realizadas han mostrado una correcta distribución de los haces en ambas bandas de frecuencia, lo que demuestra que dos reflectarrays parabólicos operando a frecuencias ligeramente diferentes pueden proporcionar una cobertura completa de 108 haces en un esquema de reutilización de cuatro colores, lo que permitiría reducir a la mitad el número de alimentadores y antenas necesarias para los satélites actuales en banda Ka, pasando de los cuatro reflectores actuales a dos reflectarrays parabólicos. Por último, se ha diseñado, fabricado y medido un modelo de la antena reflectarray parabólica de 1.8 m escalada en un factor de 1/2 para demostrar experimentalmente la generación de dos haces espaciados de alta ganancia por alimentador, en polarizaciones circulares ortogonales simultáneamente en las frecuencias de transmisión y recepción de la banda Ka. El reflectarray parabólico de 0.9 m ha sido el demostrador final de un proyecto financiado por la Agencia Espacial Europea, coordinado por el Grupo de la UPM. Los resultados de dicho demostrador han sido altamente satisfactoriosy y han permitido validar las diferentes técnicas desarrolladas en esta tesis. Entre dichas técnicas cabe destacar: 1) el procedimiento de optimización para reducir la radiación contra-polar en una banda de frecuencias definida, superando una de las mayores limitaciones identificadas en trabajos anteriores, y 2) la técnica de corrección de fase en la banda superior, que permite igualar el ancho de los haces en transmisión y recepción (dicha técnica ha dado lugar a una solicitud de patente que ha superado favorablemente el examen previo). Los resultados obtenidos en esta tesis han demostrado nuevas configuraciones de antena multihaz para satélites que permiten reducir el número de antenas empleando la configuración de “un alimentador por haz”, mostrando así el potencial de las antenas reflectarray para satélites de comunicaciones.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Government of SpainTEC2016-75103-C2-1-RUnspecifiedJ.A. EncinarAdvanced Multiple Antenna Subsystems for Terrestrial and Satellite Broadband Communications

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Item ID: 67448
DC Identifier: https://oa.upm.es/67448/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:67448
DOI: 10.20868/UPM.thesis.67448
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 24 Jun 2021 08:28
Last Modified: 23 Dec 2021 23:30
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