Diseño de un sistema receptor de formación de haz para un arreglo de antenas en fase con capacidad de polarización ajustable para aplicaciones de comunicaciones satelitales más allá de la línea de visión en sistemas de aeronaves no tripuladas

Abstract

Unmanned aerial systems (UAS) have become an essential tool for monitoring and identifying targets without the need to put human lives at risk on the mission. For the control of the flight path and the collection of UAS information from any location around the Globe, Ku or Ka-band satellite communication links (SATCOM) are used. These bands allow data to be transferred from the aircraft to the ground station, or vice versa. Thus, making use of a satellite transponder. The communication link established from the AUS to the satellite is typically implemented by using an antenna dish and an automatic positioning system that steers the antenna beam toward the satellite. With the appearance of smaller AUSs, which are less bulky and heavier antennas result in the need for more than just satellite dishes; so that the flight performance of the platform is not negatively impacted. An alternative for small UAS is the use of phased array antenna, which is based on electronic scanning antennas. The drawback of this technology is the high cost of the beamformer module, which is made up of hundreds or thousands of microwave transmitter or receiver modules that control the elements of the array. In order to implement a small aperture phase arrangement antenna (12 ”x12”) that is cost-effective for SATCOM systems in the Ku band and that can be used with small AUS, the development of a training network proposed is an antenna beam that is modular, compact and inexpensive. This work describes the design process of a beamforming network for a phased array antenna made up of 28 sub-array that steers the antenna beam in one-dimension. The analysis is included to select the number of sub-arrays that the antenna must have to maximize the G/T ratio. In addition, the design process of the receiver modules of the beamforming network in the Ku band is discussed, designed based on the system requirements. The cascade analysis is performed to predict the electrical behavior of receiver modules and electromagnetic simulations are performed to predict the behavior of passive microwave components. Once the receiver module is designed, it is integrated with the digital control system and the power system in a 2.8”x5” area using PCB technology. Some of the performance predictions obtained from the receiver module are the linear range of 87dBm and the G / T ratio of 4.44 dB / K.

Los sistemas aéreos no tripulados (UAS) se han convertido en una herramienta esencial para monitorear e identificar objetivos sin la necesidad de colocar en riesgo vidas humanas en la misión. Para el control de la trayectoria de vuelo y recopilación de la información del UAS desde cualquier ubicación alrededor del Globo, se emplean enlaces de comunicación satelital (SATCOM) en banda Ku o Ka que permite transferir los datos desde la aeronave hasta la estación terrestre, o viceversa, haciendo uso de un transponder satelital. El enlace que se establece desde el AUS hasta el satélite se realiza típicamente con una antena parabólica y un sistema de posicionamiento automático que dirige el haz de la antena hacia el satélite. Con la aparición de AUS cada vez más pequeños, se requieren antenas más pequeñas, menos voluminosas y pesadas que las antenas parabólicas, de modo que no se impacten negativamente el rendimiento de vuelo de la plataforma. Una alternativa para los UAS pequeños es el uso de antenas de escaneo electrónico basado en antenas de arreglos de fase. El inconveniente que presenta esta tecnología es el alto costo de los circuitos que forman el haz, debido a que estos constan de cientos o miles de módulos transmisores o receptores de microondas que controlar los elementos del arreglo. Con el fin de poder implementar una antena de arreglo de fase de abertura pequeña (12” x12”) que sea costo efectivo para los sistemas SATCOM en la banda Ku y que puede utilizarse los AUS pequeños, se propone el desarrollo de una red de formación del haz de la antena que es modular, compacta y de bajo costo. Este trabajo describe el proceso diseño de una red formación del haz para antena de arreglo de fase de 28 sub-arreglos que escanea el haz en una sola dimensión. Se incluyen el análisis para seleccionar el número de sub-arreglos que debe tener la antena para maximizar la razón G/T. Adicionalmente se discute el proceso de diseño de los módulos receptores de la red de formación del haz en la banda Ku, diseñados a partir de los requerimientos del sistema. Se realiza un análisis en cascada para predecir el comportamiento eléctrico de los módulos receptores y simulaciones electromagnéticas son llevadas a cabo para predecir el comportamiento de los componentes pasivos de microonda. Una vez diseñado el módulo receptor, este es integrado con el sistema de control digital y el sistema de potencia en un área de 2.8”x 5” usando la tecnología de tarjetas impresas PCB. Algunas de las predicciones de desempeño obtenidas del módulo receptor son el rango lineal de 87dBm y la razón G/T de 4.44 dB/K.