Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/8536
Title: Study and development of power synthesis techniques of arbitrary reconfigurable antenna arrays for satellite applications
Other Titles: Studio e sviluppo di tecniche di sintesi di potenza di antenne a schiera di geometria arbitraria per applicazioni satellitari
Authors: Buttazzoni, Giulia
Supervisore/Tutore: Vescovo, Roberto
Issue Date: 13-Mar-2013
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: The material presented in this thesis is the result of the Ph.D. activity carried on between January 2009 and December 2012 at the Ph.D. school in Information Engineering of the University of Trieste. After a brief introduction on the involved topics, the final objective of this thesis is that of presenting the original results, consisting in the development of power pattern synthesis algorithms for arbitrary antenna arrays including, in particular, arrays for satellite applications. Since the earlier satellite missions of last century, satellite communication systems have received growing attention due to the opportunities they offer and their greater flexibility with respect to alternative solutions adopting other media, such as, for example, fiber optic cables. The enormous spread of satellites, for both military and civilian applications, has been achieved thanks to the experienced technological progress, which has allowed an increase of satellite capacities. The need of constantly increasing the capacity of commercial communications satellites resulted in the continuing evolution of the antenna systems onboard the satellites. The business environment has driven the architecture of satellites' systems towards more efficiency and cost consciousness while at the same time, providing flexible access to a growing diversity of services and customers. Antennas that provide a multiplicity of frequency reuse coverage beams through either spatial or polarization isolation have been developed, resulting in the evolution of satellite antennas from a simple omnidirectional dipole to multiple-beam, dual-polarized configurations with frequency reuse between the beams for increased capacity. These requirements translate into high-gain, high-efficiency antennas with low side-lobe levels and excellent polarization purity. Moreover, since new requirements are often determined after the satellite is operational, antennas adjustable to produce a wide variety of radiation patterns have become popular. These are the so-called multiple-beam antennas, which can adjust their radiation coverage areas according to new demands. Multiple-beam antennas are currently being used for direct-broadcast satellites, personal communication satellites, military communication satellites, and high-speed Internet applications. High-gain multiple-beam antenna systems usually take one of three generic forms: lens, reflector or direct radiating array. Thus, arrays of antennas can be used in multiple-beam systems either to feed other types of antennas, or directly as radiating structures. The material of this thesis is mainly related to the synthesis algorithms for antenna arrays. In particular, many analytical and numerical techniques for the power pattern synthesis of antenna arrays have been carefully studied and analyzed. Some of them are suitable only for linear or rectangular arrays, the others for arrays of more complicated geometries. Furthermore, it is extremely important, for power synthesis techniques in satellite applications, to be able to consider additional constraints. These typically are the phase-only reconfigurability of the radiated beams, the control of the cross-polar patterns, which allows the polarization re-use and/or the control of the cross-polar interference, the dynamic range ratio reduction which comports simpler feeding networks and lower mutual coupling between array elements, and the near-field reduction, which allows to take into account the antennas operating environment. A numerical iterative algorithm has been developed during the Ph.D. school in Information Engineering, suitable for arrays of arbitrary geometry, thus including sparse and conformal arrays, which are often used in satellite applications. The algorithm allows to solve the power pattern synthesis problem, which is an inherently non linear problem. The solution is achieved using the alternating projections algorithm, which is a numerical iterative technique for finding a point of the intersection between two sets. It will be seen that the projections method has previously already been applied to problems of image processing and also in the antenna pattern synthesis. However, the results and the computational burden are strongly related to the projection operators, which in turn, strictly depend on the definition of the adopted distance, thus on the definition of the sets adopted in the formulation of the problem. Thus, the main originality of the developed algorithms consists in an extremely advantageous definition of the sets involved in the solving scheme, which, along with the adopted distance, allow an easy evaluation of the projection operators and thus a simple solving procedure. The thesis is organized as follows. Chapter 1 introduces the satellite antennas, analyzing some solutions adopted in the past. Particular attention is devoted to multiple-beam antennas (MBAs) and in particular to arrays of antennas, which can constitute the feeding system of reflector MBAs, or which can be used as direct radiating antennas themselves. Chapter 2 presents analytical and numerical methods of power pattern synthesis for antenna arrays proposed in the literature. First, the classical analytical methods, suitable for linear arrays of equally spaced elements are presented. Then, numerical iterative methods are analyzed. Attention is devoted to both deterministic and stochastic algorithms. A section is dedicated to the near-field constraint, due to its importance in practical real applications. In fact, taking into account the effect of the antenna operating environment is of fundamental importance: obstacles or mounting platforms, as well as other electronic devices located in proximity of the antenna, may strongly degrade the radiated far-field pattern. Then, Chapter 3 presents the developed algorithm. Precisely, the evolution is described from a synthesis algorithm suitable for arbitrary phase-only reconfigurable arrays to a powerful algorithm for phase-only antenna arrays, including several additional constraints, such as the dynamic range ratio reduction, the cross-polar pattern synthesis and the near-field reduction. Moreover, in its final form, the algorithm also allows to minimize the power radiated in the side-lobe regions of both the co- and cross-polar patterns and the electric energy stored in the near-field region of interest. Numerical results validating the effectiveness of the proposed algorithm are presented in Chapter 4 and the conclusions are summarized in Chapter 5. Finally, the appendix mathematically describes the classical alternating projections method and the genetic algorithms, which have been used as global optimization algorithms for comparison purposes.
Il materiale presentato in questa tesi è il risultato dell'attività svolta durante il dottorato tra gennaio 2009 e dicembre 2012 presso la scuola di dottorato in ingegneria dell'informazione dell'università di Trieste. Dopo una breve introduzione sugli argomenti trattati, l'obiettivo ultimo della tesi è quello di presentare i risultati originali che consistono nello sviluppo di algoritmi di sintesi di potenza per antenne a schiera di geometria arbitraria tra le quali, in particolare, schiere per applicazioni satellitari. Fin dalle prime missioni spaziali del secolo scorso, le comunicazioni satellitari hanno ricevuto attenzione crescente grazie alle opportunità che offrono e alla loro maggior flessibilità rispetto a soluzioni alternative che utilizzano altri sistemi, come ad esempio i cavi in fibra ottica. Grazie agli sviluppi tecnologici avvenuti, che hanno reso possibile un aumento delle capacità dei satelliti, si è sperimentata una vasta diffusione di satelliti per applicazioni militari e civili. La necessità di aumentare costantemente la capacità dei satelliti per comunicazioni commerciali ha comportato una continua evoluzione delle antenne da satellite. L'ambiente commerciale ha spinto l'architettura dei sistemi satellitari verso una miglior consapevolezza di efficienza e costi consentendo, allo stesso tempo, un accesso flessibile a un sempre maggior numero di servizi e di utenti. Sono state sviluppate antenne che consentono una molteplicità di fasci con riutilizzo della frequenza grazie ad isolamento spaziale o di polarizzazione. Questo ha generato un'evoluzione delle antenne da satellite dal semplice dipolo omnidirezionale ad antenne a fascio multiplo, con alto guadagno, alta efficienza, bassi lobi laterali ed elevata purezza di polarizzazione. Inoltre, poichè nuove necessità spesso emergono una volta che il satellite è già operativo, si sono diffuse antenne da satellite configurabili in modo da poter produrre diversi diagrammi di radiazione. Queste sono le così dette antenne riconfigurabili, che possono modificare le regioni coperte in base a nuove necessità. Antenne a fascio multiplo vengono usate correntemente in trasmissioni dirette via satellite, satelliti per comunicazioni personali, satelliti per comunicazioni militari e applicazioni Internet ad alta velocità. I sistemi di antenne a fascio multiplo ad elevato guadagno generalmente sono di uno dei seguenti tre tipi: lenti, riflettori o antenne a schiera. Dunque le antenne a schiera si possono trovare nelle applicazioni satellitari sia come strutture per alimentare altri tipi di antenne, sia come strutture radianti direttamente. Il materiale presentato in questa tesi è principalmente legato agli algoritmi di sintesi per antenne a schiera. In particolare, sono stati attentamente studiati e analizzati diversi metodi, analitici e numerici, per la sintesi di potenza di antenne a schiera. Alcuni di questi sono applicabili solo a schiere lineari o rettangolari, altri a schiere di geometria più complicata. Inoltre, è estremamente importante per gli algoritmi di sintesi di potenza di schiere per applicazioni satellitari essere in grado di considerare vincoli addizionali. Questi tipicamente sono la riconfigurabilità del fascio tramite controllo di sola fase, il controllo del diagramma cross-polare, che permette di ottenere il riutilizzo di polarizzazione e/o di controllare l'interferenza cross-polare, la riduzione della dinamica, che permette l'utilizzo di reti di alimentazione più semplici e un abbassamento del mutuo accoppiamento tra gli elementi della schiera, e la riduzione del campo vicino, che permette di tener conto dell'ambiente in cui opera l'antenna. Durante il dottorato è stato sviluppato un algoritmo numerico iterativo per schiere di geometria arbitraria, perciò comprese le schiere sparse e conformi, spesso impiegate in applicazioni satellitari. L'algoritmo permette di risolvere il problema (intrinsicamente non lineare) di sintesi di potenza. La soluzione è ottenuta mediante l'impiego del metodo delle proiezioni succesive, un metodo numerico iterativo per trovare un punto nell'intersezione tra due insiemi. Tale metodo è stato usato in passato in problemi di elaborazione delle immagini e anche in problemi di sintesi di antenne a schiera. Ciononostante, i risultati e il carico computazionale sono direttamente legati ai proiettori, che a loro volta sono strettamente dipendenti dalla definizione della distanza adottata, dunque degli insiemi coinvolti nel problema. Perciò, la principale originalità degli algoritmi sviluppati consiste in una definizione degli insiemi estremamente vantaggiosa in quanto, assieme alla scelta della distanza, permette di valutare facilmente i proiettori e perciò permette di ottenere una procedura di soluzione semplice. La tesi è organizzata come segue. Il primo capitolo introduce le antenne da satellite analizzando alcune soluzioni utilizzate in passato. Particolare attenzione è rivolta alle antenne a fascio multiplo e in particolare alle antenne a schiera, che possono costituire il sitema di alimentazione di antenne a riflettore multifascio o che possono esse stesse essere usate come elementi radianti. Il secondo capitolo presenta metodi analitici e numerici per la sintesi di potenza per antenne a schiera proposti in letteratura. Dapprima vengono presentati i metodi analitici classici, validi per schiere lineari di elementi equispaziati. Successivamente vengono analizzati i metodi numerici iterativi, sia stocastici, sia deterministici. Una sezione a parte è dedicata al vincolo sul campo vicino, vista la grande importanza che riveste nelle applicazioni pratiche. Infatti è di fondamentale importanza tener conto degli effetti dell'ambiente in cui l'antenna opera in quanto ostacoli o strutture di montaggio, così come altri apparati elettronici in prossimità dell'antenna, possono causare forti interferenze e degradare notevolmente il diagramma di campo lontano. Il capitolo 3 presenta gli algoritmi sviluppati. Precisamente, viene delineata l'evoluzione da un algoritmo di sintesi di potenza per schiere riconfigurabili di geometria arbitraria con controllo si sola fase, a un potente algoritmo di sintesi di sola fase con diversi vincoli addizionali, quali la riduzione della dinamica, la sintesi del fascio cross-polare e la riduzione del campo vicino. Inoltre, nella sua forma finale, l'algoritmo permette di minimizzare la potenza irradiata nelle regioni di lobi laterali di entrambi i diagrammi, co- e cross- polare, e l'energia immagazzinata nella regione di campo vicino presa in considerazione. I risultati numerici che provano l'efficacia del metodo sono presentati nel capitolo 4 e le conclusioni sono riassunte nel capitolo 5. Infine, l'appendice descrive matematicamente il classico metodo delle proiezioni successive e gli algoritmi genetici, che sono stati scelti come termine di paragone tra gli algoritmi di ottimizzazione globale.
Ciclo di dottorato: XXIV Ciclo
metadata.dc.subject.classification: SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE
Description: 2010/2011
Keywords: reconfigurable and scanning antenna arrays
satellite antennas
phase-only control
power pattern synthesis
DRR and near-field control
Language: en
Type: Doctoral Thesis
Settore scientifico-disciplinare: ING-INF/02 CAMPI ELETTROMAGNETICI
NBN: urn:nbn:it:units-9916
Appears in Collections:Ingegneria industriale e dell'informazione

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