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Sistema de Transmissão e Recepção de Dados da Estação de Controlo do de Dados da Estação de Controlo do
SSETI/ESEO
1Marinho Paiva Duarte23 de Julho de 2008
“Agenda”
• Objectivos do ESEO• Enquadramento deste trabalho no projecto • Sistema de comunicações • LNA• Pré-amplificador• Antena
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• Antena• Conclusão
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
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• 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
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
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• Porto• München• Wellington
ESEO – Sistema Comunicações (TX)
• Redundância single fault-proof (LGA ou PA)• G = 6 dBi• PT = 3 W (34,7 dBmW)• EIRP = 40,7 dBmW
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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
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ESEO – Sistema Comunicações
• Instalação das antenas
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ESEO – Sistema Comunicações (LGA)
• G = 6 dBi• RHCP
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Arquitectura da estação de controlo
Estação de Controlo
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RF front-end
Estação de Controlo
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Objectivos
RF front-end
1) Amplificador de baixo ruído 2) Driver para o downconverter
3) Feed para a antena4) Mecanismo de duplexing
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4) Mecanismo de duplexing
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
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• 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
Análise da Ligação – Órbita GTO
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• Uplink
• Frequência: 2025 a 2110 MHz• Débito: 4000 bps• Atenuação da ligação: 191,4 dB• EIRP mínimo para a G/S: 34,6 dBW (2,88 kW)
Análise da Ligação
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• 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
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)
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• 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-38143 (Ultra Low-Noise pHEMT)
Amplificador de baixo ruído
Agilent ATF-38143 (Ultra Low-Noise pHEMT)
• Dispositivo da família GaAs• Extremamente frágil do ponto de vista eléctrico• Especialmente sensível a ESD
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Polarização do ATF-38143
• Melhor desempenho a 2 GHz obtido com:
• VDS = 2 V
• I = 20 mA
Amplificador de baixo ruído
• ID = 20 mA
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Agilent ATF-38143 (Ultra Low-Noise pHEMT)
• Fmin = 0,22 dB @ 2,0 GHz 0,28 dB @ 2,5 GHz
• S ≈ 15 dB (Ga = 17 dB)
Amplificador de baixo ruído
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• S21 ≈ 15 dB (Ga = 17 dB)
• Objectivo: NF = 0,35 dB
Agilent ATF-38143 (Ultra Low-Noise pHEMT)
• Γopt fora da região estável da entrada• S11 e S22 conjugados muito próximos do limiar da instabilidade
Amplificador de baixo ruído
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Amplificador de baixo ruído
Simulação e resultados
•Ferramenta utilizada: Agilent ADS• Simulação e desenho do layout integrados• Simulação linear (modelos)• Simulação electromagnética (MM)
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• Simulação electromagnética (MM)
Amplificador de baixo ruído
Modelo equivalente para o ATF-38143
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Amplificador de baixo ruído
Circuito equivalente
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Amplificador de baixo ruído
Circuito real
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Amplificador de baixo ruído
Simulação e resultados
Ganho S11 e S22
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Amplificador de baixo ruído
Simulação e resultados
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Factor de ruído
Circuito de polarização do transístor
• Transístor do tipo “depletion”• Polarização mais complexa que os “enhancement”
• Necessário garantir uma sequência de polarização: VGS depois VDS
• Necessário manter VDS e ID constantes
Polarização do ATF-38143
• Necessário manter VDS e ID constantes• Garante estabilidade dos parâmetros S
• Estabilidade do circuito• Ganho constante• Noise figure constante
• Obrigatório manter • IDS < IDSS (118 mA)• VGS > -4 V e VDS < 4,5V
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Amplificador de baixo ruído
Caracterização e resultados: S21
Simulado
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Medido
Caracterização e resultados: S11
Amplificador de baixo ruído
Simulado
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Medido
Caracterização e resultados: S22
Amplificador de baixo ruído
Simulado
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Medido
Erros (incertezas)• T ≠ T0
• Perdas adaptadores• Ruído externo
Amplificador de baixo ruído
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• Factor de ruído corrigido: ≈ 0,35 e 0,4 dB
Amplificador de baixo ruído – Final
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• Alimentação pelo cabo coaxial• Conectores N• Caixa hermética
• Ganho: 13 dB• NF: 0,4 dB
Amplificador de baixo ruído
• NF: 0,4 dB• IIP1: -15 dBmW
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Pré-amplificador
Objectivos
• -121 + 13 = -108 dBmW (limite do downconverter)
• Necessário mais ganho no sistema
• Filtro retirado do LNA e adicionado a este módulo
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• Filtro retirado do LNA e adicionado a este módulo
• Ganho superior a 20 dB (margem razoável)
• MMIC para facilitar o projecto
• NXP BGA2012
Pré-amplificador
MMIC utilizado
• NXP BGA2012
• MMIC de baixo ruído e banda larga
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• NF = 1,8 dB
• S21 = 13 dB
Pré-amplificador
Projecto
• Três blocos
• Dois andares de ganho
• Um filtro passa-banda de fase linear
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• Um filtro passa-banda de fase linear
13 dB -1 dB 13 dB
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: 2180 – 2310 MHz
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• Banda: 2180 – 2310 MHz
Pré-amplificador
Resultados da caracterização
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Pré-amplificador
Resultados da simulação
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Pré-amplificador
Resultados da caracterização
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Pré-amplificador
Resultados da caracterização
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Pré-amplificador – Montagem Final
• Alimentação pelo cabo coaxial• Conectores N• Caixa hermética
• Ganho: 25 dB• NF: 1,91 dB
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• NF: 1,91 dB• IIP1: -26 dBmW
• Reflector previamente disponível
• Características
• Foco central
• D = 3m
Antena – Reflector Parabólico
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• f/D = 0,38
• Estrutura em alumínio
Boa “iluminação” do reflector é fundamental para
• Garantir boa eficiência
• Reduzir lóbulos laterais
Antena – Iluminação do Reflector
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Soluções possíveis
• Patch
• Antena helicoidal
• Corneta (com septum polarizer)
Solução adoptada
Septum polarized feed horn
• Polarização circular esquerda ou direita
• Construção mais complexa que uma helix
Antena – Feed
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• Vantagem: Polarização reversível e TX/RX separados
Sloped Septum
• Primeiro a surgir• Largura de banda de 10%
Antena – Feed
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Septum feed horn
• Proposto por Tsandoulas & Chen• Largura de banda de 25%, melhor isolamento TX/RX
Antena – Feed
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Septum feed horn
• Dimensões determinadas em função de λ
• Porta 1 TX LHCP• Porta 2 RX LHCP
Antena – Feed
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• Porta 2 RX LHCP
• Porta 1 RX RCHP• Porta 2 TX RHCP
Dimensões do septum
Antena – Feed
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Protótipo
Antena – Feed
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Configuração do sistema para caracterização da antena
Antena – Caracterização
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Antena – Resultados
Diagrama de radiação• Porta RX
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Diagrama de radiação• Porta TX
Antena – Resultados
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Reflexão (RX e TX)
Antena – Resultados
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SWR (RX e TX)
Antena – Resultados
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SWR (RX e TX)
Antena – Resultados
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Axial ratio (TX)
Antena – Resultados
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Axial ratio (RX)
Antena – Resultados
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Conclusões
• RF front-end da estação concluído• G/T: 46,7 dB/K• EIRP: até 47 dBW
Antena – Resultados
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• Próximos passos• Upconverter• Driver do PA• Modem• Seguimento e controlo da antena