Dual circularly polarized 2x2 antenna array for LEO satellite constellations

Abstract

Although communications technologies are in rapid development, there are still many remote regions that aren’t covered by telecommunication services. LEO satellite constellations are being used to address this issue by aiming to provide continuous and high-capacity global communication services. Satellite communications are usually made using frequencies near the Ka band, with higher frequencies for the uplink and lower frequencies for the downlink. The antenna developed in the course of this dissertation was chosen to operate at 20GHz, enabling its implementation for downlink communications. Furthermore, circular polarized antennas are useful in satellite communications for versatility by being able to receive other polarizations. The proposed antenna is a dual-fed square patch, with aperture coupled feed, incorporated with a quadrature hybrid coupler as the feed and later included in a 2x2 array. This antenna has the possibility of being left or right circularly polarized by choosing the feeding port. The structures presented were modeled progressively by simulation, in several stages, and so the evolution of the results could be analyzed as the antenna got more complex. After designing the antenna it was later fabricated, and measurements were taken for validation.

Apesar das tecnologias de comunicações estarem em rápido desenvolvimento, ainda há muitas regiões remotas que não são abrangidas por serviços de telecomunicações. Constelações de satélites LEO estão a ser usados para abordar este problema, com o objetivo de providenciar serviços de comunicação globais contínuos e de alta capacidade. As comunicações satélite são usualmente feitas perto da banda Ka, com frequências mais altas para o uplink e mais baixas para o downlink. A antena desenvolvida nesta dissertação foi projetada para operar a 20GHz, podendo ser implementada para as comunicações downlink. Adicionalmente, antenas com polarização circular são úteis em comunicações satélites pela versatilidade de serem capazes de receber outras polarizações. A antena proposta é uma patch quadrada com alimentação por acoplamento através de fenda, em dois pontos ortogonais, integrada com um acoplador híbrido em quadratura e mais tarde incluída num array 2x2. Esta antena tem a possibilidade de ter polarização circular esquerda ou direita consoante a escolha do porto de alimentação. As estruturas apresentadas foram modeladas progressivamente por simulação, em várias fases, e por isso a evolução dos resultados puderam ser analisados à medida que a antena ficava mais complexa. Depois a antena projetada foi fabricada e foram efetuadas medições para validação.