Sistema de Transmissão e Recepção SSETI/ESEO

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Alice Madureira Rodrigues
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1 Sistema de Transmissão e Recepção de Dados da Estação de Controlo do SSETI/ESEO 1 Marinho Paiva Duarte 23 de Julho de 2008

2 Agenda Objectivos do ESEO Enquadramento deste trabalho no projecto Sistema de comunicações LNA Pré-amplificador Antena Conclusão 2

3 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 Transferência de tecnologia entre indústria e universidades Ensaio de novas tecnologias Abrir caminho para missões mais complexas (ESMO) Express ESEO ESMO 3

4 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 München Wellington 4

5 ESEO Sistema Comunicações (TX) Redundância single fault-proof (LGA ou PA) G = 6 dbi P T = 3 W (34,7 dbmw) EIRP = 40,7 dbmw 5

6 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 6

7 ESEO Sistema Comunicações Instalação das antenas 7

8 ESEO Sistema Comunicações (LGA) G = 6 dbi RHCP 8

9 Estação de Controlo Arquitectura da estação de controlo 9

10 Estação de Controlo RF front-end 10

11 Objectivos RF front-end 1) Amplificador de baixo ruído 2) Driver para o downconverter 3)Feedpara a antena 4) Mecanismo de duplexing 11

12 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 Garante funcionamento com débitos inferiores Factores mais importantes na análise da ligação: Órbita, distância apogeu/perigeu, período, débito 12

13 Análise da Ligação Órbita GTO 13

14 Análise da Ligação Uplink Frequência: 2025 a 2110 MHz Débito: 4000 bps Atenuação da ligação: 191,4 db EIRPmínimo para a G/S: 34,6 dbw (2,88 kw) 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 14

15 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) 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 (Ultra Low-Noise phemt) 15

16 Amplificador de baixo ruído Agilent ATF (Ultra Low-Noise phemt) Dispositivo da família GaAs Extremamente frágil do ponto de vista eléctrico Especialmente sensível a ESD 16

17 Amplificador de baixo ruído Polarização do ATF Melhor desempenho a 2 GHz obtido com: V DS = 2 V I D = 20 ma 17

18 Amplificador de baixo ruído Agilent ATF (Ultra Low-Noise phemt) F min = 0,22 2,0 GHz 0,28 2,5 GHz S db (Ga = 17 db) Objectivo: NF = 0,35 db 18

19 Amplificador de baixo ruído Agilent ATF (Ultra Low-Noise phemt) Γ opt fora da região estável da entrada S 11 e S 22 conjugados muito próximos do limiar da instabilidade 19

20 Amplificador de baixo ruído Simulação e resultados Ferramenta utilizada: Agilent ADS Simulação e desenho do layout integrados Simulação linear(modelos) Simulação electromagnética(mm) 20

21 Amplificador de baixo ruído Modelo equivalente para o ATF

22 Amplificador de baixo ruído Circuito equivalente 22

23 Amplificador de baixo ruído Circuito real 23

24 Amplificador de baixo ruído Simulação e resultados Ganho S 11 e S 22 24

25 Amplificador de baixo ruído Simulação e resultados Factor de ruído 25

26 Polarização do ATF Circuito de polarização do transístor Transístor do tipo depletion Polarização mais complexa que os enhancement Necessário garantir uma sequência de polarização: V GS depois V DS Necessário manter V DS e I D constantes Garante estabilidade dos parâmetros S Estabilidade do circuito Ganho constante Noise figure constante 26 Obrigatório manter I DS < I DSS (118 ma) V GS > -4 V e V DS < 4,5V

27 Amplificador de baixo ruído Caracterizaçãoe resultados: S 21 Simulado Medido 27

28 Amplificador de baixo ruído Caracterizaçãoe resultados: S 11 Simulado Medido 28

29 Amplificador de baixo ruído Caracterizaçãoe resultados: S 22 Simulado Medido 29

30 Amplificador de baixo ruído Erros (incertezas) T T 0 Perdas adaptadores Ruído externo Factor de ruído corrigido: 0,35 e 0,4 db 30

31 Amplificador de baixo ruído Final 31

32 Amplificador de baixo ruído Alimentação pelo cabo coaxial Conectores N Caixa hermética Ganho: 13 db NF: 0,4 db IIP1:-15 dbmw 32

33 Pré-amplificador Objectivos = -108 dbmw (limite do downconverter) Necessário mais ganho no sistema Filtro retirado do LNA e adicionado a este módulo Ganho superior a 20 db (margem razoável) MMIC para facilitar o projecto NXP BGA

34 Pré-amplificador MMIC utilizado NXP BGA2012 MMIC de baixo ruído e banda larga NF = 1,8 db S 21 = 13 db 34

35 Pré-amplificador Projecto Três blocos Dois andares de ganho Um filtro passa-banda de fase linear db -1 db 13 db

36 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: MHz 36

37 Pré-amplificador Resultados da caracterização 37

38 Pré-amplificador Resultados da simulação 38

39 Pré-amplificador Resultados da caracterização 39

40 Pré-amplificador Resultados da caracterização 40

41 Pré-amplificador Montagem Final Alimentação pelo cabo coaxial Conectores N Caixa hermética Ganho: 25 db NF: 1,91 db IIP1:-26 dbmw 41

42 Antena Reflector Parabólico Reflector previamente disponível Características Foco central D = 3m f/d = 0,38 Estrutura em alumínio 42

43 Antena Iluminação do Reflector Boa iluminação do reflector é fundamental para Garantir boa eficiência Reduzir lóbulos laterais Soluções possíveis Patch Antena helicoidal Corneta (com septum polarizer) 43

44 Antena Feed Solução adoptada Septum polarized feed horn Polarização circular esquerda ou direita Construção mais complexa que uma helix Vantagem: Polarização reversível e TX/RX separados 44

45 Antena Feed Sloped Septum Primeiro a surgir Largura de banda de 10% 45

46 Antena Feed Septum feed horn Proposto por Tsandoulas & Chen Largura de banda de 25%, melhor isolamento TX/RX 46

47 Antena Feed Septum feed horn Dimensões determinadas em função de λ Porta 1 TX LHCP Porta 2 RX LHCP Porta 1 RX RCHP Porta 2 TX RHCP 47

48 Antena Feed Dimensões do septum 48

49 Antena Feed Protótipo 49

50 Antena Caracterização Configuração do sistema para caracterização da antena 50

51 Antena Resultados Diagrama de radiação Porta RX 51

52 Antena Resultados Diagrama de radiação Porta TX 52

53 Antena Resultados Reflexão (RX e TX) 53

54 Antena Resultados SWR (RX e TX) 54

55 Antena Resultados SWR (RX e TX) 55

56 Antena Resultados Axial ratio (TX) 56

57 Antena Resultados Axial ratio (RX) 57

58 Antena Resultados Conclusões RF front-end da estação concluído G/T: 46,7 db/k EIRP: até 47 dbw Próximos passos Upconverter Driver do PA Modem Seguimento e controlo da antena 58

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