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- 1. Progettazione di combinatori e divisori di potenza in banda Ka per applicazioni satellitari Laureando: FabioZanchetta Università degli Studi diTrieste Dipartimento di Ingegneria eArchitettura Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica ed Informatica Relatore: Prof. SergioCarrato Correlatori: Ing. Mario Fragiacomo Ing. Simone Pauletto Ing. FrancescoAdamo
- 2. Obiettivo della tesi • Progettazione di divisore e combinatore di potenza • Applicazione 5G satellitare • Divisore in banda Ka (27 GHz – 30 GHz) • Combinatore in banda K (17.6 GHz – 20.2GHz) 2
- 3. NewSpace Economy • Il mercato spaziale si evolve da settore di nicchia dominato da istituzioni governative a risorsa per privati e cittadini • Grossi avanzamenti in ambito elettronico in termini di integrazione permettono: • Utilizzo di piccoli satelliti per funzioni complesse e in orbite basse • Utilizzo di componenti commerciali con conseguente riduzione di costi e tempi di sviluppo Accesso facilitato alle aziende private con particolare interesse nei piccoli satelliti 3
- 4. 4 PICOSATS • Nata nella New Space Economy • Sviluppa sistemi radio miniaturizzati ad alta frequenza: • RADIOSAT transponder • Downlink: 17.8 – 20.2 GHz • Uplink: 27.6 – 30 GHz • Orbite LEO • Formato Cubesat 1U • RADIOSAT transceiver • Transponder rigenerativo con SDR • DVB-S2 fino a 100 Mbps RX IF TX PA
- 5. ESAARTES 5G • Bando ESA per collegamento 5G satellitare • 5G New Radio (NR) NonTerrestrial Network (NTN) definito nella rel. 17 3GPP • Collegamento trasparente bidirezionale tra: • Gateway a terra (GW) • User equipment a terra (UE) • Satellite in orbita LEO • SatelliteCubesat di 6U fornito da altra azienda • Una sola antenna di ricezione • Una sola antenna di trasmissione 5
- 6. 6 • Antenna ricevente • Feeder link UL • Service link UL • Antenna trasmittente • Feeder link DL • Service link DL ESA ARTES 5G
- 7. 7 ESA ARTES 5G Configurazione Payolad • Un transponder • PA di 10 W • Banda istantanea limitata, saturazione • Due Transponder • Guadagno indipendente • Maggior potenza e ingombri Singolo transponder per entrambi i link Due transponder: uno per link
- 8. Posizione del combinatore • In IF • diplexer • Prima del driver • riprogettazione upconverter • Dopo il driver, prima del PA • distorsione se zona non lineare del PA • Dopo il PA • maggiore potenza dissipata, nessuna riprogettazione 8 IF TX PA
- 9. 9 Configurazione Payload Combinatore dopo i PA • Nessuna riprogettazione • Elevata potenza da dissipare • Combinazione di segnali scorrelati • Elemento resistivo punto critico • In commercio non ci sono resistenze ad alta frequenza di dimensioni ridotte
- 10. 10 Combinazione di segnali scorrelati • In media si perde metà della potenza in ingresso • Misura con Wilkinson realizzato per la tesi
- 11. 11 Divisore Struttura • Considerate reti 3 porte e 4 porte • Divisore di Wilkinson • Adattato su tutte le porte • Senza perdite se usato come divisore • Ampia letteratura per uso in banda Ka
- 12. 12 Divisore di Wilkinson Linee di trasmissione • Dimensionamento di partenza • Ottimizzazione con CST Studio • Substrato Rogers RO4003C • Spessore 0.203 mm • εR di progetto 3.55 • λ a 28.5 GHz di 5.587 mm • Dimensioni finali • GCPW 50 Ω: W = 0.38 mm, S = 0.40 mm • Microstriscia 71 Ω: W = 0.2 mm
- 13. 13 Divisore di Wilkinson Geometria • Lunghezza d’onda di 5.587 mm: λ 4 = 1.397 mm • Dimensioni resistenze paragonabili a λ 4 • Utilizzata resistenza 02016 da 30 mW • In letteratura geometria rettangolare • Tonda per frequenze basse o con thin film resistor • Curve avrebbero raggio < 3*w • Mitering per mantenere impedenza caratteristica
- 14. 14 Divisore di Wilkinson Parametrizzazione in CST • Lunghezza segmenti di linea per ottimizzare parametri S • Analisi parametrica iniziale • Tool di ottimizzazione per completare progettazione
- 15. 15 Divisore di Wilkinson Simulazione parametri S
- 16. 16 Divisore di Wilkinson Versioni • Progettazione di 3 diverse versioni • resistenza 02016 e linee lunghe λ 4 • resistenza 0402 e linee lunghe λ 4 • resistenza 0402 e linee lunghe 3λ 4 • Valutazione prestazioni • Incertezza lunghezza linee • Perdite • Potenza massima
- 17. 17 Wilkinson Printed Circuit Board • Geometria importata da CST ad Altium Designer • Stackup simmetrico • Top layer • Rogers RO4003C 0.203 mm • Bottom layer • Prepreg FR4 1.054 mm • Piano di massa • Core FR4 0.203 mm • Piano di massa • Connettori Signal Microwave ELF40 • Fino a 40 GHz • Perdite a 30 GHz 1dB
- 18. 18 Divisore di Wilkinson Misure • Misura di 3 versioni di Wilkinson e due diversi through • VNA Rhode&Schwarz ZVA40 • 25.5 GHz – 31.5 GHz • Calibrazione TOSM manuale • Through • Open • Short • Match
- 19. 19 Divisore di Wilkinson Divisore • Isolamento migliore di -14 dB • Return loss e perdite non ottime • Connettori • Tapering tra GCPW e pin del connettore • Imperfezioni delle linee
- 20. 20 Combinatore di potenza • Banda di trasmissione del transponder • Dissipazione di almeno 10 W • Possibili strutture • Tecnologia planare • Guida d’onda rettangolare • Substrate Integrated Waveguide
- 21. 21 Combinatore di potenza Substrate Integrated Waveguide • Propaga campo elettromagnetico come guida d’onda rettangolare • Pareti orizzontali: piani di rame • Pareti verticali: file di vias • Costi paragonabili a microstriscia • Power handling migliore • Carico resistivo realizzato in SIW
- 22. 22 Combinatore di potenza Struttura • Combinatore multimodale • Modi di propagazione TE10 e TE30
- 23. 23 Combinatore di potenza Regione di combinazione • Propagazione di modi TE10 e TE30 • Differenza di fase di 180° alla superficie B
- 24. 24 Combinatore di potenza Progettazione • Inizialmente in guida d’onda rettangolare • dimensione WR51 • riempita di RO4003C • spessore 1.524 mm • Tempi di simulazione ridotti
- 25. 25 Combinatore di potenza Simulazione elettromagnetica • Modi risonanti nella banda di interesse • Inserti metallici per tagliare modo risonante
- 26. 26 Combinatore di potenza Regione di combinazione - 2 • Regione a 2 sezioni evita modo risonante nella banda di interesse
- 27. 27 Combinatore di potenza Progettazione SIW • larghezza efficace guida SIW • Substrato Rogers RO4003C • spessore 1.524 mm
- 28. 28 Combinatore di potenza Progettazione SIW • Ottimizzazione della struttura • simulazione parametrica • analisi valore migliore • ottimizzazione di tutti i parametri • Tapering tra ingresso e seconda sezione • migliore di una transizione netta
- 29. 29 Combinatore di potenza Simulazione elettromagnetica
- 30. 30 Carico resistivo SIW • Terminazione sulle porte 4 e 5 • Dissipazione di 10 W • Apertura sulla SIW con materiale assorbitore RF • In futuro FR4 come assorbitore RF
- 31. 31 Conclusioni • Considerazioni sulla catena RF del transponder • Progettazione e realizzazione divisore di Wilkinson • Corretto funzionamento del divisore visibile dal buon isolamento tra le uscite • Connessione del connettore e processo di fabbricazione incidono su adattamento della linea • Progettazione combinatore di potenza in SIW con terminazione • Combinazione di segnali scorrelati • In grado di dissipare oltre 10 W
- 32. 32 Sviluppi futuri • Studio del processo di realizzazione e materiali del PCB • Miglioramento taper del connettore e adattamento • Realizzazione del combinatore • Terminazione resistiva con FR4 • Dimostrazione in orbita di collegamento 5G NTN
Editor's Notes
- Combinatore: per trasmettere due segnali amplificati con una sola antenna
- Mercato dello spazio dominato da governi e agenzie, nell’ultimo periodo avanzamenti nell’ambito elettronico permettono di utilizzare componenti a più basso costo per funzionalità complesse e con miniaturizzazione più spinta. Interesse spostato verso satelliti più piccoli e con costi più bassi NASCITA DI MERCATI CONSUMER NELLO SPAZIO Picosats opera in questo settore offrendo soluzioni radio per piccoli satelliti
- Transponder modulare: RICEVITORE, SECONDA IF per doppia conversione, TRASMETTITORE + PA Picosats da sempre attiva nella ricerca. Argomento in voga al momento è il 5G tanto che ESA ha finanziato un bando per una dimostrazione 5G satellitare dove è coinvolta Picosats
- Il transponder trasparente RADIOSAT di PICOSATS soddisfa tutte le caratteristiche richieste dal bando per: Frequenze operative (devono essere tra 1 e 50 GHz) Velocità supportate: banda istantanea selezionabile fra 400 kHz e 20 MHz Ingombri e peso
- Feeder link UL più potente del service link UL Feeder link DL richiede meno potenza del service link DL, antenna del gateway di dimensione maggiore quindi ha più guadadno
- Divisore e combinatore oggetto della tesi Divisore dopo antenna ricevente
- Imamgine mostra catena di trasmissione Possibili posizionamenti del combinatore: In tutti i casi precedenti, necessario PA più potente per lavorare entro backoff e trasmettere potenza sufficiente su tutti e due i link
- Come detto nella slide precedente…
- Reti 3 porte non possono essere contemporaneamente reciproce, senza perdite e adattate su tutte le porte. Wilkinson se usato come divisore si comporta in questo modo, alla frequenza di progetto le porte 2 e 3 sono anche isolate tra loro
- Dimensione della struttura limita scelta della resistenza: si trovano poche resistenze SMD fino a 30 GHz. Un quarto di lunghezza è paragonabile alle dimensioni della resistenza: la posizione della resistenza incide considerevolmente sulla lunghezza delle linee di trasmissione.
- Larghezza linee di trasmissione fissata in precedenza per impedenza caratteristica Restano da decidere lunghezze dei segmenti L1, L2, L3 per creare linee di lunghezza lambda/4 Raffinamento delle lunghezze e della posizione dei pad della resistenza ad ogni iterazione dell’ottimizzatore.
- Differenza perdite per lunghezza linee non visibile sulle misure, connettore domina le perdite
- Stackup simmetrico per conformità con il processo di produzione.
- power handling a metà tra microstriscia e guida metallica
- Struttura reciproca, viene studiata con ingresso sulla porta 1 e uscite sulle porte 2 e 3
- Tempi di simulazione 1 min guida d’onda contro 15 min a iterazione per SIW Eccitazione porte 1 e 2 : tempo di simulazione proporzionale a numero porte da simulare Studio come divisore reciproco simmetrico
- Inserto metallico ok per modo in figura, non ok per modo a 18.35 GHz Inserto da mettere su un massimo del modo risonante
- Dopo risultato soddisfacente e aver capito su che parametri lavorare si passa in SIW Dimensione via e spacing Spacing minore di 2 volte diametro via Diametro via minore di 0.1414 larghezza guida per contenere bene il campo
- Carico sulle porte 4 e 5 deve dissipare 5 W, picco di 10 W nel caso peggiore se due PA oscillano in controfase Carico realizzato con materiale assorbitore RF su apertura della SIW Apertura irradia campo elettromagnetico Materiale assorbitore sopra apertura dissipa Metallo della meccanica trasferisce calore dal materiale assorbitore al resto del satellite Forma del materiale assorbitore per distribuire meglio il calore Strisce strette tagliano correnti al loro valore massimo Zona più larga dissipa il resto Con 20 W su una singola terminazione pad assorbente arriva a 60° con temperatura ambiente di 20° Con materiale assorbitore quadrato supera 150° Possibilità di utilizzare FR4 come assorbitore RF (in fase di studio)
- Carico sulle porte 4 e 5 deve dissipare 5 W, picco di 10 W nel caso peggiore se due PA oscillano in controfase Carico realizzato con materiale assorbitore RF su apertura della SIW Apertura irradia campo elettromagnetico Materiale assorbitore sopra apertura dissipa Metallo della meccanica trasferisce calore dal materiale assorbitore al resto del satellite Forma del materiale assorbitore per distribuire meglio il calore Strisce strette tagliano correnti al loro valore massimo Zona più larga dissipa il resto Con 20 W su una singola terminazione pad assorbente arriva a 60° con temperatura ambiente di 20° Con materiale assorbitore quadrato supera 150° Possibilità di utilizzare FR4 come assorbitore RF (in fase di studio)
- Carico sulle porte 4 e 5 deve dissipare 5 W, picco di 10 W nel caso peggiore se due PA oscillano in controfase Carico realizzato con materiale assorbitore RF su apertura della SIW Apertura irradia campo elettromagnetico Materiale assorbitore sopra apertura dissipa Metallo della meccanica trasferisce calore dal materiale assorbitore al resto del satellite Forma del materiale assorbitore per distribuire meglio il calore Strisce strette tagliano correnti al loro valore massimo Zona più larga dissipa il resto Con 20 W su una singola terminazione pad assorbente arriva a 60° con temperatura ambiente di 20° Con materiale assorbitore quadrato supera 150° Possibilità di utilizzare FR4 come assorbitore RF (in fase di studio)