Innovative BFN architectures, array analysis and design methods for space and terrestrial applications

This Thesis, developed in collaboration with the European Space Research and Technology Centre (ESTEC) of the European Space Agency (ESA), deals with the design of innovative Beam-Forming Networks (BFNs) and new array analysis and synthesis methods for space and terrestrial applications. In particular, three research areas are addressed. The first one in based on the design of a novel BFN for Limited Field of View (LFOV) and Multi-Beam (MB) applications. Typical LFOV applications, which include radar and communication satellite systems, terrestrial radar systems, weapon guiding systems, etc…, require scanning high gain narrow beam in limited sectors of space. MB applications, on the other hand, are well represented by modern satellite communication systems and require the realization of a multi-beam spot coverage characterized by high gain and supporting a spatial frequency reuse in order to achieve a considerable power reduction and increase the throughput of bandwidth-limited systems. The proposed BFN, currently object of a patent application, may be employed both for Direct Radiating Arrays (DRAs) and Array Fed Reflectors (AFRs) and may be realized in analog, digital or hybrid embodiments. The architecture, based on Overlapped Sub-Arrays, allows a great reduction in the number of active controls (amplifiers, variable attenuators, variable phase shifters – considering an analog embodiment, or complex multipliers, A/D converters – referring to a digital implementation), reducing system cost, mass and complexity. Other attractive features consist in its high power utilization efficiency (this remark is particularly relevant in on-board space applications, where severe limitations exist in the power supply system), in its manufacturability and in its high on-board flexibility and reconfigurability.In this section of the present Thesis improvements to existing BFN architectures (e.g., Skobelev Networks) and to overlapped sub-array synthesis methods (e.g., ‘maximally flat beams’, introduced by Ksienski) are also reported. Finally, a new class of ployphase sequences (PAT codes), which have been used as sub-array excitations in the new BFN concept previously mentioned, but that may be also employed as communication codes for Pulse Compression and synchronization techniques, is introduced.The second Section of this Thesis regards the development of new array analysis and synthesis methods. In particular, slotted waveguide arrays and array of slots fed by microstrip/striplines are considered. A segmentation of the overall antenna structure into two different regions (one internal and one external) is performed. The internal region consists of the microwave feeding circtuitry (i.e., waveguide structures for slotted waveguide antennas and microstrips/striplines for the second case), while the external one is represented by the metallic plate which the slots are cut in and the half-space where the radiation takes place. The two regions are connected through the accessible modes of the waveguides having the same cross section as the slots and length equal to the thickness of the metallic plate which the slots are cut in. The procedure, which makes use of Generalized Admittance Matrixes (GAMs) for the circuit modelling, allows to combine the advantages of electromagnetic full wave simulators, used for the analysis of the internal part, with the efficiency of the Method of Moments (MoM), which is employed in the analysis of the external region. In this way, an extremely accurate modelling of the whole antenna structure, which takes into account also the mutual coupling between the slots occurring in air, is performed. Efficient methods for reducing the computational time and speeding up the simulation are also presented in this Section. In the final Section new feeding laws for omnidirectional arrays are introduced and analyzed. The use of omnidirectional arrays is typically due to the need for implementing high power sources at high frequencies, where the employment of guided structures (e.g., transmission lines) for combining different devices leads to unacceptable ohmic losses. This technique is known as Spatial Power Combining. Results achieved through the use of PAT codes as feeding sequences for linear and planar arrays are presented.

La presente Tesi, sviluppata in collaborazione con il Centro Europeo di Ricerca e Tecnologia Spaziale dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA/ESTEC, Noordwijk, Paesi Bassi), è incentrata sulla progettazione di innovative reti di beam-forming (BFN) e sullo sviluppo di efficienti strategie di analisi e sintesi di array di antenne per applicazioni spaziali e terrestri. In particolare, tre diverse aree di ricerca sono oggetto di analisi. La prima di queste riguarda la definizione di una procedura di design di BFN per applicazioni di tipo Limited Field of View (LFOV) e Multi-Beam (MB). Tipiche applicazioni di tipo LFOV sono quelle che richiedono la scansione di regioni limitate di spazio con fasci di radiazione ad elevato guadagno. Rientrano in queste applicazioni sistemi radar e di comunicazione satellitari, sistemi radar terrestri, sistemi di pilotaggio di armi, ecc… Tipiche applicazioni MB sono, invece, quelle che richiedono la generazione di un elevato numero di fasci di radiazione al fine di realizzare coperture che implementino schemi di riutilizzo della frequenza e che consentano di incrementare il throughput di sistemi a banda limitata. Classici esempi in questo senso sono rappresentati dai moderni sistemi di comunicazione satellitare. La BFN proposta, correntemente in fase di brevettazione, è impiegabile per l’alimentazione di array di antenne sia in configurazione Direct Radiating Array (DRA), sia in configurazione riflettore alimentato da array di antenne (Array-Fed Reflector - AFR) ed è implementabile in maniera analogica, digitale, o ibrida. L’architettura è basata sulla Tecnica dei Sub-Array Sovrapposti (Overlapped Sub-Array Technique) e consente una considerevole riduzione nel numero di controlli attivi (amplificatori, attenuatori variabili, phase shifter variabili - pensando ad una architettura analogica, o moltiplicatori complessi, convertitori analogico digitali, ecc… - facendo riferimento ad una implementazione digitale). Ne consegue una notevole riduzione in termini di costo, peso e complessità globale del sistema. Caratteristiche fondamentali di questa architettura sono rappresentate dall’elevata efficienza in potenza (requisito fondamentale per applicazioni satellitari di tipo on-board, data la scarsità di risorse di energia a bordo del satellite), dalla sua bassa complessità realizzativa e dalle sue elevate flessibilità e riconfigurabilità. In questa sezione della Tesi vengono illustrati anche miglioramenti apportati a BFN esistenti (e.g., Skobelev Network), a procedure di sintesi di array sovrapposti (e.g., ‘fasci di radiazione massimamente piatti’, introdotti da Ksienski) e viene infine introdotta una nuova classe di codici polifase (codici PAT). Tali sequenze sono usate come eccitazioni per i sub-array costituenti la BFN in fase di brevettazione, ma possono essere utilizzate anche come codici a sé stanti per tecniche di sincronizzazione e di Pulse Compression. La seconda area di ricerca trattata riguarda lo sviluppo di innovativi metodi di analisi e sintesi di array di antenne a slot di grandi dimensioni, sia di tipo slotted waveguide, sia alimentati da microstrisce/stripline. In particolare, viene sviluppata una procedura di segmentazione dell’array in due parti: una interna, costituita dalla circuiteria di alimentazione (in guida d’onda - considerando slotted waveguide, o in microstriscia/stripline - considerando array di slot alimentati in microstriscia/stripline) e una esterna, costituita dal piano metallico, dove sono presenti le slot, e dallo spazio sovrastante, dove avviene la radiazione. Le due parti sono connesse tra loro attraverso i modi accessibili di guide d’onda aventi lunghezza pari allo spessore del front-plate metallico dove sono adagiate le slot e sezione trasversale coincidente con quella delle slot stesse. Tale procedura, che utilizza rappresentazioni circuitali in termini di matrici di ammettenza generalizzata (Generalized Admittance Matrixes - GAMs), permette di combinare l’efficienza di simulatori elettromagnetici full-wave, utilizzati per l’analisi della parte interna, con l’efficienza di analisi basate sul Metodo dei Momenti, impiegate nella parte esterna. In tale maniera è possibile modellizzare in maniera accurata anche l’accoppiamento elettromagnetico radiativo tra le slot. Appropriate strategie per la riduzione dell’onere computazionale richiesto sono inoltre introdotte e analizzate in questa parte. La terza area di ricerca è incentrata sullo studio di efficienti metodi di alimentazione di array di antenne omnidirezionali per applicazioni di tipo Spatial Power Combining. E’ infatti noto che, ad elevate frequenze, la combinazione di più dispositivi in regime guidato (e.g., attraverso linee di trasmissione) al fine di ottenere sorgenti ad elevata potenza è fortemente limitata dalle perdite ohmiche delle strutture guidanti. Per questo motivo si ricorre alla combinazione di potenza in regime radiativo. Risultati conseguiti impiegando i codici PAT come sequenze di eccitazione per array lineari e planari sono riportati in questa sezione.