Innovative microwave devices for space applications

The aim of this study is the ideation and design of innovative microwave components, particularly suited for satellite applications. Two actual challenges in the design of architectures for this kind of applications are the need to reduce the overall mass of the satellites, and the introduction of reconfigurable capabilities. Both the requirements aim to reduce the costs of the payload, and to extend its lifetime, that is the interval of time the payload remains operative. The first topic covered by this thesis is the design of a class of microwave passive directional couplers, that allows for the reduction of the mass of a satellite by fusing the two beam forming networks feeding each polarization of the double-polarization antennas into a single overmoded structure. This class of components has been referred as "dual-polarization" in the literature. Four-port directional couplers supporting two polarizations were already introduced in 1997. Here, the design guidelines of a dual-polarization directional couplers are defined. The design is based on a judicious choice of the coupling elements in order to guarantee acceptably large coupling and high isolation between orthogonal polarizations. Then, the case of a 6-port directional couplers is considered. No examples of dual-polarization directional couplers with more than 4 ports have been reported so far, both in the international literature and in the patent repositories. In this thesis a 6-port directional coupler working in double polarization is described. The novel component has been designed with commercial full-wave electromagnetical solver, and a prototype has been manufactured and tested. The second topic concerns diplexers whose channel centre frequencies can be arbitrarily positioned, resulting in contiguous and non-contiguous channel spacing. A circuit prototype of tunable diplexers based on the ‘dual-manifold’ concept, proposed by J.D.Rhodes, has been considered and improved. Moreover, the circuital prototype has been adapted to a physical realization in waveguide, suitable for space applications. The design of this component required the introduction of filters made of overmoded cavities, such as circular cavities operating in the TE011 mode, to guarantee low power losses. The efficient design of such structures is a challenging task. Therefore, this study also comprehends the description of a novel technique to segment a filter made of overmoded cylindrical cavities, that can be used to efficiently predict the overall response of the filter. The method reduces the complexity of the full-wave electromagnetic simulation to be performed, thus making easier the design of these complex structures.

Gli obiettivi di questo studio sono l'ideazione e il progetto di componenti a microonde innovativi, destinati in particolare alle applicazioni satellitari. Due sfide che i progettisti di queste architetture si trovano attualmente ad affrontare sono la necessità di ridurre peso e volume dei satelliti, e l'introduzione della capacità di riconfigurazione. Entrambi i requisiti puntano alla riduzione dei costi dei payload, e all'estensione della loro vita, intesa come intervallo di tempo durante il quale il payload rimane operativo. Il primo argomento discusso in questa tesi è il progetto di una classe di accoppiatori direzionali a microonde, che permetta la riduzione del peso del satellite fondendo le due reti di beam-forming che alimentano le due polarizzazioni ortogonali delle antenne in una singola struttura sovramodata. Questa classe di componenti è nota in letteratura come a "doppia polarizzazione". Degli accoppiatori a quattro-porte che supportano due polarizzazioni furono già introdotti nel 1997. In questo lavoro, vengono definite delle linee guida di progetto per questi componenti, basato sulla scelta ponderata del tipo di elementi di accoppiamento al fine di garantire un elevato accoppiamento, mantenendo l'isolamento tra le polarizzazioni ortogonali. Al momento della stesura di questo lavoro non sono reperibili, sia nella letteratura internazionale che nelle banche dati dei brevetti, esempi di accoppiatori direzionali a doppia polarizzazione con un numero di porte superiore a quattro. In questa tesi, viene descritto un accoppiatore direzionale a 6 porte, che supporta la doppia polarizzazione. Questo componente innovativo è stato inizialmente progettato con un simulatore elettromagnetico commerciale, ed in seguito ne è stato realizzato un prototipo con il quale sono stati verificati i risultati ottenuti. La seconda parte di questo studio riguarda dei diplexer riconfigurabili, dove la frequenza centrale dei canali può essere posizionata in modo arbitrario, fino al caso limite di canali contigui. Viene descritto e migliorato un prototipo circuitale di diplexer riconfigurabile basato sul concetto di 'dual-manifold' proposto da J. D. Rhodes. Inoltre, tale prototipo circuitale è stato adattato ad una realizzazione fisica in guida d'onda, appropriata per le applicazioni spaziali. Il progetto di questo componente ha richiesto l'introduzione di filtri composti di cavità sovramodate, in particolare cavità cilindriche operanti con il modo TE011, al fine di garantire basse perdite di potenza. Il progetto efficiente di tali strutture si è rivelato un compito impegnativo. Pertanto, questo studio comprende anche la descrizione di una tecnica innovativa per la segmentazione di filtri composti da cavità sovramodate, che può essere impiegata per predire in modo efficiente la risposta finale del filtro, riducendo la complessità delle simulazioni elettromagnetiche richieste. In tal modo, il progetto di queste strutture complesse risulta un compito più semplice.