A Bandwidth Enhanced Circularly Polarized and Omnidirectional Circular Waveguide Antenna for Satellite Telemetry/Telecommand Systems

Abstract

In satellite systems, throughout time interval from launching to settlement on proper orbit and possible significant change in aspect angle of the satellite after the settlement on the orbit, it is required continuous communication between satellite and ground station for current position and other information belonging to satellite. However, position and aspect angle of the satellite with respect to earth will be random due to possible jolts, especially while passing through atmosphere. For this reason, telemetry/TM (transmitter) and telecommand/TC (receiver) antennas on satellite platforms should receive electromagnetic waves from all directions and they should send enough electromagnetic waves to all directions to ensure continuous two-way communication, which is called as telemetry/telecommand. The other fundamental problem on signal levels of communication is polarization mismatch, which is caused by variable aspect angle due to satellite jolts/vibrations. The antennas in earth station and telemetry/telecommunication antennas on satellite are generally selected with same circular polarization to reduce these losses as much as possible. Waveguide antennas, which are omnidirectional or hemispherical and having circular polarization, are frequently used as a solution to this problem. However, considering pattern characteristics of radiation in 3-dimensional space, this antenna gives desired performance to cover about half of entire space (at most 60%). For this reason, to cover entire space as radiation pattern, these antennas are located being far away from each other as much as possible, and signals on these two antennas must be connected via very long waveguides in satellite. Also, these antennas work at only telemetry or telecommand frequencies. Therefore, it is needed to use a total of 4 antennas for coverage of overall space as a radiation pattern, when it is considered as telemetry/telecommand (transceiver). In this project, communication, which is ensured by using systems with 4 antennas in literature and real-life applications, is realized with only a waveguide system having circular polarization. It is the first time a circularly polarized transceiver structure fed by one waveguide structure is developed, which operates in both TM (transmitting) and TC (receiving) frequencies. In addition, another important feature developed in this project is the fact that coverage of 3-dimensional space by using 2 antennas placed on satellite being away from each other is provided with only one antenna system. Overall system/antenna in the project has 3 main sections/designs. First of these sections/designs is rectangular TE10 to circular TM01 waveguide mode converter, which provides feeding slotted antenna arrays on circular waveguide with symmetric mode TM01. In literature, there are waveguide mode converters operating at either TM or TC frequencies, a dual-band converter functioning at TX/RX frequencies is designed for the first time in this project. Second part consists of a power divider/combiner design, which connects mode converter and two circular slotted waveguide antennas perpendicular to each other. Third part is the structure of omnidirectional and bi-directional waveguide antennas, which work at TM and TC frequencies, and contain thick inclined slots to increase the frequency band. As for radiation pattern, most of the entire space is covered with circularly polarized by placing omnidirectional and bi-directional antennas in this section perpendicular to each other and putting disks radially away from circular waveguides. The whole system structure/antenna developed and produced for Ku band gives a return loss of about 10 dB within frequency bands of approximately 500 MHz around 11.75 GHz and 13.75 GHz transmitter and receiver center frequencies, respectively, and the measurements revealed minimum gain of -10 dBi and maximum axial ratio of 4-4.5 dB within the average coverage percentage of 65%.

Uydu sistemlerinde uyduların yeryüzünden fırlatılması ile uzaydaki uygun yörüngeye yerleşmeleri arasında geçen süre boyunca ve yörüngeye yerleştikten sonra olası önemli açı değişimleri durumlarında yer istasyonu ile bulundukları konum ve diğer bilgiler için sürekli haberleşme halinde bulunmaları gerekmektedir. Fakat uydunun özellikle atmosferden geçerken ve uzaydaki olası sarsıntılardan dolayı yeryüzü ile olan konumu ve açısı değişken olacaktır. Bu sebeple, telemetri/telekomut olarak adlandırılan bu çift yönlü haberleşmenin sürekli sağlanabilmesi için uydu üzerindeki telemetri/TM (verici) ve telekomut/TK (alıcı) antenlerinin her yöndeki elektromanyetik dalgaları alabilmeleri/yayabilmeleri gerekmektedir. Yeryüzüyle olan görüş açısının değişken olmasının haberleşmede yarattığı bir diğer önemli sorun ise, polarizasyon uyuşmazlığıdır. Bu uyuşmazlıklardan kaynaklanan kayıpları azaltabilmek için genellikle yeryüzü istasyonundaki antenler ve uydudaki telemetri/telekomut antenleri aynı dairesel polarizasyonlu seçilir. Bu problemlere çözüm olarak genellikle yarıküresel ya da tüm yönlü ve dairesel polarizasyonlu dalga kılavuzu antenler kullanılmaktadır. Fakat bu antenlerin 3 boyutlu uzaydaki ışıma örüntü karakteristikleri düşünüldüğünde tüm uzayın yaklaşık yarısını (en fazla %60 gibi) kapsayacak şekilde performans vermektedirler. Bu sebeple ışıma örüntüsü olarak tüm uzayın kapsanması için bu antenlerden birbirinden uzak olacak şekilde 2 adet bulunması gerekmekte olup bu iki antendeki sinyaller, uydunun içindeki oldukça uzun dalga kılavuzu yolları ile birbirine bağlanmalıdır. Ayrıca, bu antenler sadece ya telemetri ya da telekomut frekanslarında çalışmaktadır. Bu sebeple, telemetri/telekomut (verici-alıcı) olarak düşünüldüğünde ve ışıma örüntüsü bakımından tüm uzayın kapsanması gereği ile bu antenlerden toplamda 4 adet kullanması gerekmektedir. Bu projede, literatürde verilen ve uygulamalarda kullanılan 4 antenli sistemle yapılan haberleşme, dairesel polarizasyonlu tek bir dalga kılavuzu sistemi ile gerçekleştirilmiştir. Özellikle telemetri/telekomut olarak hem verici hem alıcı frekanslarında çalışan dairesel polarizasyonlu bir dalga kılavuzu beslemeli anten yapısı özgün olarak ilk defa geliştirilmiştir. Ayrıca, uydu üzerinde birbirine uzak şekilde yerleştirilen 2 anten ile elde edilen 3 boyutlu uzaydaki ışıma örüntüsü olarak kapsama yüzdelerinin sadece 1 anten sistemi ile elde edilmesi de başka bir önemli özgünlüktür. Projedeki tüm yapı sisteminde/anteninde, 3 ana bölüm/tasarım bulunmaktadır. Bu bölüm/tasarımlardan ilki, antenlerdeki dairesel dalga kılavuzunun üzerindeki yarık dizisini simetrik mod olan TM01 modu ile beslenmesini sağlayan dikdörtgen TE10 - dairesel TM01 mod dönüştürücüdür. Literatürde sadece TM (gönderme) ya da TK (alma) frekanslarında çalışan dalga kılavuzu dönüştürücüleri olmakla beraber TM/TK frekanslarında çalışan çift bantlı bir dönüştürücü, ilk defa özgün olarak bu projede geliştirilmiştir. İkinci kısım, birbirine dik şekilde yerleştirilen ve üzerlerinde yarıkların olduğu iki dairesel dalga kılavuzu anten ile mod dönüştürücüyü birbirine bağlayan bir güç bölücü/toplayıcı tasarımını içermektedir. Üçüncü kısım ise, TM ve TK frekanslarında çalışan ve frekans bandının artırılması amacıyla düşünülen kalın eğik yarık dizileri içeren tüm yönlü ve çift yönlü dairesel dalga kılavuzu antenlerdir. Bu kısımdaki tüm yönlü ve çift yönlü antenler, birbirine dik bir şekilde yerleştirilerek ve dairesel dalga kılavuzlarının dışına diskler konularak ışıma örüntüsünün tüm uzayın büyük bir kısmını dairesel polarizasyonlu olarak kapsaması sağlanmıştır. Ku bant için geliştirilen ve üretilen tüm sistem yapı/anten, sırasıyla 11.75 GHz ve 13.75 GHz verici ve alıcı merkez frekanslar etrafındaki yaklaşık 500 MHz bant aralıkları içerisinde yaklaşık 10 dB geri dönüş kaybı vermekte olup ortalama %65 kapsama yüzdesi içerisinde ölçümler ile en az -10 dBi kazanç ve en fazla 4-4.5 dB eksenel oran elde edilmiştir.