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Sistema de Transmissão e Recepção de Dados da Estação de Controlo do de Dados da Estação de Controlo do

SSETI/ESEO

1Marinho Paiva Duarte23 de Julho de 2008

“Agenda”

• Objectivos do ESEO• Enquadramento deste trabalho no projecto • Sistema de comunicações • LNA• Pré-amplificador• Antena

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• Antena• Conclusão

Objectivos do ESEO

ESEO – European Student Earth Orbiter

• Iniciativa da Agência Espacial Europeia• Projecto e construção de um satélite de pequeno porte• 100% estudantes universitários dos paises membros da ESA• Proporcionar hands-on-experience

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• Proporcionar hands-on-experience

• Transferência de tecnologia entre indústria e universidades• Ensaio de novas tecnologias• Abrir caminho para missões mais complexas (ESMO)• Express → ESEO → ESMO

Enquadramento

• O objectivo deste trabalho é dar continuidade no projecto, construção e operação da estação de controlo do ESEO na FEUP

• Completar a rede de cobertura do ESEO• Porto

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• Porto• München• Wellington

ESEO – Sistema Comunicações (TX)

• Redundância single fault-proof (LGA ou PA)• G = 6 dBi• PT = 3 W (34,7 dBmW)• EIRP = 40,7 dBmW

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ESEO – Sistema Comunicações (RX)

• Redundância double fault-proof (LGA + LNA)• Aumento da fiabilidade, redução da sensibilidade• T = 614 K (Ta + Te)• G/T = -21,8 dB/K

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ESEO – Sistema Comunicações

• Instalação das antenas

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ESEO – Sistema Comunicações (LGA)

• G = 6 dBi• RHCP

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Arquitectura da estação de controlo

Estação de Controlo

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RF front-end

Estação de Controlo

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Objectivos

RF front-end

1) Amplificador de baixo ruído 2) Driver para o downconverter

3) Feed para a antena4) Mecanismo de duplexing

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4) Mecanismo de duplexing

Análise da Ligação

Análise da ligação

• Para o uplink, determinar EIRP mínimo• Para o downlink, determinar G/T mínimo

• Foi considerado apenas o modo principal de operação

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• Foi considerado apenas o modo principal de operação• Garante funcionamento com débitos inferiores

• Factores mais importantes na análise da ligação:• Órbita, distância apogeu/perigeu, período, débito

Análise da Ligação – Órbita GTO

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• Uplink

• Frequência: 2025 a 2110 MHz• Débito: 4000 bps• Atenuação da ligação: 191,4 dB• EIRP mínimo para a G/S: 34,6 dBW (2,88 kW)

Análise da Ligação

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• Downlink

• Frequência: 2200 a 2290 MHz• Débito: 9600 bps ou 153,6 kbps (160 kbps)• Atenuação da ligação: 192,1 dB• G/T mínimo para a G/S: 18,7 dB/K

Amplificador de baixo ruído

• Primeiro bloco de um sistema de RX típico

• Determinante na sensibilidade do sistema (NF, Te)

• Melhor solução é utilizar um único transístor no primeiro andar para aplicações de alto desempenho (baixo NF)

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• Difícil encontrar soluções integradas (MMICS) com NF inferior a 1 dB

• Ideia inicial: LNA com 0,5 dB < NF < 1,0 dB

• Transístor escolhido:• Avago ATF-38143 (Ultra Low-Noise pHEMT)


Agilent ATF-38143 (Ultra Low-Noise pHEMT)

• Dispositivo da família GaAs• Extremamente frágil do ponto de vista eléctrico• Especialmente sensível a ESD

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Polarização do ATF-38143

• Melhor desempenho a 2 GHz obtido com:

• VDS = 2 V

• I = 20 mA


• ID = 20 mA

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• Fmin = 0,22 dB @ 2,0 GHz 0,28 dB @ 2,5 GHz

• S ≈ 15 dB (Ga = 17 dB)


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• S21 ≈ 15 dB (Ga = 17 dB)

• Objectivo: NF = 0,35 dB


• Γopt fora da região estável da entrada• S11 e S22 conjugados muito próximos do limiar da instabilidade


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Simulação e resultados

•Ferramenta utilizada: Agilent ADS• Simulação e desenho do layout integrados• Simulação linear (modelos)• Simulação electromagnética (MM)

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• Simulação electromagnética (MM)


Modelo equivalente para o ATF-38143

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Circuito equivalente

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Circuito real

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Ganho S11 e S22

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Factor de ruído

Circuito de polarização do transístor

• Transístor do tipo “depletion”• Polarização mais complexa que os “enhancement”

• Necessário garantir uma sequência de polarização: VGS depois VDS

• Necessário manter VDS e ID constantes

Polarização do ATF-38143

• Necessário manter VDS e ID constantes• Garante estabilidade dos parâmetros S

• Estabilidade do circuito• Ganho constante• Noise figure constante

• Obrigatório manter • IDS < IDSS (118 mA)• VGS > -4 V e VDS < 4,5V

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Caracterização e resultados: S21

Simulado

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Medido



Simulado

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Medido



Simulado

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Medido

Erros (incertezas)• T ≠ T0

• Perdas adaptadores• Ruído externo


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• Factor de ruído corrigido: ≈ 0,35 e 0,4 dB

Amplificador de baixo ruído – Final

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• Alimentação pelo cabo coaxial• Conectores N• Caixa hermética

• Ganho: 13 dB• NF: 0,4 dB


• NF: 0,4 dB• IIP1: -15 dBmW

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Pré-amplificador

Objectivos

• -121 + 13 = -108 dBmW (limite do downconverter)

• Necessário mais ganho no sistema

• Filtro retirado do LNA e adicionado a este módulo

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• Filtro retirado do LNA e adicionado a este módulo

• Ganho superior a 20 dB (margem razoável)

• MMIC para facilitar o projecto

• NXP BGA2012

Pré-amplificador

MMIC utilizado

• NXP BGA2012

• MMIC de baixo ruído e banda larga

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• NF = 1,8 dB

• S21 = 13 dB

Pré-amplificador

Projecto

• Três blocos

• Dois andares de ganho

• Um filtro passa-banda de fase linear

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• Um filtro passa-banda de fase linear

13 dB -1 dB 13 dB

Pré-amplificador – Filtro

Filtro passa-banda

• Linhas acopladas = facilidade de integração na placa• Boa resposta e baixas perdas de inserção • Ordem 4: compromisso entre resposta e dimensões• Banda: 2180 – 2310 MHz

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• Banda: 2180 – 2310 MHz

Pré-amplificador

Resultados da caracterização

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Pré-amplificador

Resultados da simulação

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Pré-amplificador


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Pré-amplificador


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Pré-amplificador – Montagem Final

• Alimentação pelo cabo coaxial• Conectores N• Caixa hermética

• Ganho: 25 dB• NF: 1,91 dB

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• NF: 1,91 dB• IIP1: -26 dBmW

• Reflector previamente disponível

• Características

• Foco central

• D = 3m

Antena – Reflector Parabólico

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• f/D = 0,38

• Estrutura em alumínio

Boa “iluminação” do reflector é fundamental para

• Garantir boa eficiência

• Reduzir lóbulos laterais

Antena – Iluminação do Reflector

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Soluções possíveis

• Patch

• Antena helicoidal

• Corneta (com septum polarizer)

Solução adoptada

Septum polarized feed horn

• Polarização circular esquerda ou direita

• Construção mais complexa que uma helix

Antena – Feed

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• Vantagem: Polarização reversível e TX/RX separados

Sloped Septum

• Primeiro a surgir• Largura de banda de 10%

Antena – Feed

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Septum feed horn

• Proposto por Tsandoulas & Chen• Largura de banda de 25%, melhor isolamento TX/RX

Antena – Feed

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Septum feed horn

• Dimensões determinadas em função de λ

• Porta 1 TX LHCP• Porta 2 RX LHCP

Antena – Feed

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• Porta 2 RX LHCP

• Porta 1 RX RCHP• Porta 2 TX RHCP

Dimensões do septum

Antena – Feed

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Protótipo

Antena – Feed

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Configuração do sistema para caracterização da antena

Antena – Caracterização

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Antena – Resultados

Diagrama de radiação• Porta RX

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Diagrama de radiação• Porta TX


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Reflexão (RX e TX)


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SWR (RX e TX)


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SWR (RX e TX)


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Axial ratio (TX)


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Axial ratio (RX)


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Conclusões

• RF front-end da estação concluído• G/T: 46,7 dB/K• EIRP: até 47 dBW


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• Próximos passos• Upconverter• Driver do PA• Modem• Seguimento e controlo da antena

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