Design of high frequency reconfigurable components for space and defence applications

Nowadays, modern space and defense communication systems are called to present a high level of flexibility in order to efficiently response to changes of the business cases (coverage, frequency plane, bandwidth) or be compliant with communication protocols based on dynamic frequency allocation. This Ph.D. work is focused on the investigation and development of new architectures, circuit topologies and geometries of passive components in order to obtain physical structures that, in combination with commercial tuning elements, are suitable for the realization of reconfigurable components like filters, diplexers and antennas. The first section deals with the design of an UHF high power electronically tunable filter, compatible with Frequency Hopping communication technique, based on the combination of non - uniform TEM resonant cavities and active tuning devices. In the second section reconfigurability concepts have been introduced in the design of phased-array antennas with inherent frequency selectivity properties. Starting from an X-band phased array filtenna of connected dipoles, an effective strategy for the adaptive matching and common-mode rejection for E-plane scanning has been implemented. Then, the design of a frequency reconfigurable phased-array filtenna based on slotfed patches as radiating element has been carried out. Furthermore, higher harmonics suppression has been also achieved by implementing spurious rejection mechanisms at the antenna level. Frequency reconfigurability has been implemented on the radiating elements in order to make the antenna capable to cover the entire radar X-band. The third area deals with the design of a Dual Manifold Feed Diplexer with Interacting Independently Tunable Channels. Starting from a promising work of Rhodes, a prototype level circuit with close correspondence to the physical realization has been developed. Furthermore, Rhodes' diplexer model has been extended in order to make each channel capable to be independently tuned both in mid-band frequency and bandwidth.

I moderni sistemi di comunicazione spaziali e militari sono chiamati a presentare un elevato livello di flessibilità, al fine di rispondere efficacemente ai cambiamenti nelle richieste degli utenti (in termini di copertura, distribuzione delle frequenze, larghezza di banda) o essere compatibile con protocolli di comunicazione basati su un’allocazione dinamica delle frequenze. Il lavoro svolto nell’ambito del dottorato di ricerca è incentrato sulla ricerca e sviluppo di nuove architetture, topologie circuitali e geometrie di componenti passivi che consentano di ottenere strutture fisiche le quali, combinate con elementi di sintonia disponibili in commercio, siano adatte per la realizzazione di componenti riconfigurabili come filtri, diplexer e antenne. La prima parte riguarda il progetto di un filtro agile di potenza in banda UHF, compatibile con protocolli di comunicazione di tipo Frequency Hopping, basato sulla combinazione di una cavità risonante di tipo TEM non uniforme e dispositivi elettronici utilizzati per la sintonia. Nella seconda parte il concetto di riconfigurabilità è stato applicato nella progettazione di antenne phasedarray caratterizzate da proprietà di selettività in frequenza. A partire da una filtenna phased-array di dipoli connessi progettata in banda X, è stata implementata una tecnica efficace per la realizzazione del matching adattativo e per la reiezione del modo commune, necessari per la scansione sul piano E. Successivamente, è stata effettuata la progettazione di una filtenna phased-array riconfigurabile basata su patch alimentati tramite slot. Inoltre, è stata implementata a livello di antenna una tecnica per la reiezione delle armoniche superiori. Riconfigurabilità in frequenza è stata inoltre introdotta a livello di antenna in modo da garantire la copertura dell’intera banda X radar ([8.5 – 10.5] GHz). La terza parte riguarda il progetto di un Dual-Manifold Feed Diplexer con canali indipendentemente sintonizzabili. A partire da un articolo di Rhodes, è stato sviluppato un prototipo circuitale caratterizzato da corrispondenza diretta con la relativa struttura fisica. Inoltre, il prototipo del diplexer di Rhodes è stato esteso, rendendolo in grado di supportare per ciascun canale la sintonizzabilità della larghezza di banda.