enhanced modeling and design of ground station antennas for space applications

201 Pages·2008·10.34 MB·English

by  Marco Formaggi

U N I V E R S I T À  D E G L I  STUDI  DI  P AVIA ,  F A C O L T À   DI  IN G E G N E R I A  
D O T T O R A T O  DI  R I C E R C A   IN 
IN G E G N E R I A   EL E T T R O N I C A,  IN F OR MA T IC A  E D  EL E T T R I C A 
C I C L O  XX  ( 2 0 0 4‐ 2007) 

EENNHHAANNCCEEDD  MMOODDEELLIINNGG  AANNDD  DDEESSIIGGNN    
OOFF  GGRROOUUNNDD  SSTTAATTIIOONN  AANNTTEENNNNAASS    
FFOORR  SSPPAACCEE  AAPPPPLLIICCAATTIIOONNSS  

D O C T O R A L   T H E S I S   O F  

M A R C O   F O R M A G G I  

T U T O R :  
P R O F E S S O R   L U C A  P E R R E G R I N I
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Enhanced Modeling and Design of Ground Station Antennas for Space Applications 
Table of Contents 

T C  
ABLE OF  ONTENTS
FOREWORD.......................................................................................................................................................6
PREFACE............................................................................................................................................................7
ACKNOWLEDGMENTS......................................................................................................................................8
1. INTRODUCTION..........................................................................................................................9
1.1. Beam‐Waveguide Antennas...................................................................................................13
1.1.1. Beam‐Waveguide Antennas Evolution.................................................................................17
1.1.2. Analysis Techniques:  a Brief Overview...............................................................................20
1.2. ESA and the ESTRAK Network.............................................................................................22
2. DUAL REFLECTOR SHAPING....................................................................................................25
2.1. Introduction to the Cassegrain and Gregorian Concept....................................................25
2.2. Motivations for Shaping..........................................................................................................27
2.3. Analytical Formulation...........................................................................................................29
2.3.1. First Step....................................................................................................................................30
2.3.2. Second Step...............................................................................................................................32
2.4. Test Case:  ESA DSA3..............................................................................................................35
3. BEAM‐WAVEGUIDE DESIGN TECHNIQUES............................................................................43
3.1. Geometrical Optics Design:  Mizusawa’s Criteria and Focal Plane Matching................43
3.2. Quasioptical Design:  the Gaussian Beam Approach.........................................................46
3.2.1. Analytical Formulation...........................................................................................................48
3.3. Test Case:  ESA DSA3..............................................................................................................54
3.3.1. X/X/K‐Band Feed Layout........................................................................................................56
3.3.2. K/Ka‐Band Feed Layout..........................................................................................................65
3.3.3. Antenna Efficiency Comparison............................................................................................73
4. DICHROIC MIRRORS................................................................................................................77
4.1. Introduction to Frequency Selective Surfaces......................................................................77
4.2. Manufacturing Techniques Overview..................................................................................81
4.3. Overview of the MoM/BI‐RME Analysis Method...............................................................84
4.4. The Plane Wave Synthesis and Analysis Approach...........................................................85
4.4.1. Test Case:  DSA1 S/X/Ka‐band Dichroic...............................................................................86
4.5. The Multiple Plane Wave Synthesis and Analysis Approach...........................................91
4.5.1. Test Case:  Analysis of the DSA1 S/X/Ka‐Band Dichroic...................................................94
4.5.2. Test Case:  Optimization of the DSA1 S/X/Ka‐Band Dichroic.........................................103
4.5.3. Test Case:  Design of the DSA1 S/X/Ka‐Band Dichroic with Hexagonal Holes............113
4.5.4. Test Cases Comparison.........................................................................................................123
4.6. The Spectral Analysis Approach:  a Brief Introduction....................................................124
4.6.1. Test Case:  Analysis of the DSA1 S/X/Ka‐Band Dichroic.................................................125
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Enhanced Modeling and Design of Ground Station Antennas for Space Applications 
Table of Contents 

5. THE FEED SYSTEM...................................................................................................................127
5.1. Feed System Layout...............................................................................................................127
5.1.1. The Uplink Signal Path.........................................................................................................128
5.1.2. The Downlink Signal Path....................................................................................................128
5.2. The Orthomode Transducer.................................................................................................131
5.2.1. Test Case:  Ku‐Band Wideband OMT.................................................................................132
5.2.2. Test Case:  K‐band OMT.......................................................................................................138
5.3. The Rotating Joint..................................................................................................................141
5.3.1. Test Case:  K‐Band Rotating Joint........................................................................................141
5.4. The Polarizer...........................................................................................................................142
5.4.1. Test Case:  K‐band Corrugated Polarizer...........................................................................144
5.5. The Tracking Coupler............................................................................................................146
5.5.1. Test Case:  K‐Band Multihole Coupler...............................................................................150
5.6. Diplexers and Filters..............................................................................................................153
5.6.1. Test Case:  Ka‐band Stub Filter............................................................................................155
5.6.2. Test Case:  Ka‐band Diplexer...............................................................................................156
5.7. The Conical Corrugated Horn..............................................................................................159
5.7.1. Test Case:  X/X/K Multiple Band Horn...............................................................................160
6. DEEP SPACE ANTENNA OPERATIONAL MODES..................................................................169
6.1. Program Tracking, Conical Scan and Autotracking.........................................................169
6.1.1. Program Tracking..................................................................................................................169
6.1.2. Conical Scan............................................................................................................................171
6.1.3. Autotracking...........................................................................................................................172
6.2. Beam Aberration Correction Technique.............................................................................174
6.2.1. The Beam Aberration Effect..................................................................................................174
6.2.2. Theoretical Formulation........................................................................................................176
6.2.3. Test Case:  DSA2 Algorithm.................................................................................................179
6.3. High Performance Conical Scan and Fast Autotracking..................................................184
6.3.1. Theoretical Formulation........................................................................................................185
6.3.2. Test Case:  DSA2 Algorithm.................................................................................................185
7. CONCLUSIONS.........................................................................................................................189
APPENDIX A:  XPD FORMULATION............................................................................................................192
APPENDIX B:  GRATING LOBES LOSSES.......................................................................................................192
LIST OF ACRONYMS AND ABBREVIATIONS.................................................................................................195
REFERENCES..................................................................................................................................................196
PERSONAL BIBLIOGRAPHY...........................................................................................................................200

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Enhanced Modeling and Design of Ground Station Antennas for Space Applications 
Foreword 

F  
OREWORD

Dear Reader, 
What you are about to read covers the most relevant and interesting topics I worked on 
since I approached the microwave field as a trainee of the European Space Agency, in 2002.  In 
writing this dissertation, it has been my intention to avoid lingering on tedious mathematical 
formulations, yet I tried to provide the basic argumentations necessary to understand the physics 
and the principles of operation of the components described.  After all, I believe microwave 
engineering to be an art, and, although firmly tied up to the physical nature of microwaves, it 
should never be approached without imagination, creativity, and curiosity.  For those readers who 
are  interested  in  an  in‐depth  theoretical  background,  I  cited  throughout  this  work  several 
references to the many books and scientific articles I came across and appreciated in these years. 
Besides  being  a  Ph.D.  thesis, this  dissertation  is  intended  to  provide  guidelines  and 
references to whoever wants to approach the wonderful world of ground station antennas for 
space applications.  Together with the major design guidelines I gathered from the literature or 
developed  myself  according  to  my  personal  experience,  I  tried  to  focus  on  the  practical 
implementation and manufacturing aspects that I came across in the industry.  I also tried to 
deliver  a  pleasant  graphical  appearance,  by  including  many  photographs,  pictures,  and 
schematics,  to  ease  the  understanding  of  the  topics  covered,  and  to  make  my  work  more 
appealing. 
Having said that, I am aware that this work, although being an important goal to me, it is 
surely not the end, but it will hopefully be just the beginning.  Nevertheless, I hope all readers will 
enjoy reading and browsing through this thesis, and I would be extremely glad if these pages 
would be of some help in designing new ground station antennas, that perhaps some day could 
allow for expanding our knowledge of what is beyond the blue sky above our heads.   
Yours Sincerely, 
Marco Formaggi 

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Enhanced Modeling and Design of Ground Station Antennas for Space Applications 
Preface and Acknowledgements 

P  
REFACE
This thesis gathers the most significant achievements of its author in the antenna field.  
Although based on previously published theories, each chapter presents elements of novelty, 
either in the theoretical approach, which has been followed, or in the application of known 
methods to new, challenging projects.  Many of the most relevant achievements have been the 
object of the scientific publications reported in the Personal Bibliography section, and most of the 
results hereafter reported have been achieved in the frame of two ESA studies, which involved the 
author  as  an  active,  key  element  of  the  two  teams.   Both   studies  have  been  carried  out  in 
collaboration with European industries active in the space field.  In particular, the “Study on the use 
of the 25.5 ÷ 27 GHz band in ESA ground stations” [1] has been managed by Callisto Space Ltd., also 
in charge of mission analysis and low noise amplifiers and downconverters design, and it has been 
performed together with Zelinda Ltd., responsible for the demodulator design; Makalumedia 
GmbH, responsible for the data communications design; ERA Technology Ltd., responsible of the 
detailed design and analysis of the feed systems; and with the Microwave Laboratory of the 
University of Pavia, responsible for the antenna optics design and analysis, the dichroic mirrors 
design and analysis, and the preliminary feeds design.  The author of this work has actively 
worked as a member of both the University of Pavia and of the ERA Technology Ltd. teams, 
having spent a six months period at ERA premises, in the frame of his last Ph.D. year.  The other 
study, “Two layer servo concept with movable BWG mirrors” [2], on the other hand, has been managed 
by ADS International S.r.l., prime contractor in charge of servo and mechanical implementations, 
and the author of this work has been responsible for the retrieval of the algorithms required to 
cope with the radio frequency (RF) specifications, within the team of the Microwave Laboratory of 
the University of Pavia. 
The text is organized into seven chapters that are intended to guide the reader through a 
virtual tour of a ground station antenna from its dual reflector down to its feed system and into its 
main operational modes.  After a brief historical introduction emphasizing the milestones that 
posed the basis for space exploration, a section is devoted to describing the main features of the 
most advanced antenna systems allowing us to bridging the gap between Earth and our satellites 
and interplanetary probes:  beam‐waveguide antennas.  Chapter 2 describes the principles of 
operation of dual reflector antennas, motivating the need for modifying the analytical reflectors 
towards shaped configurations that allow for improving the overall performance.  To this aim a 
theoretical approach is described in detail, and a test case dealing with ESA Deep‐Space Antenna 3 
(DSA3) is reported, underlining the results achievable with the dual reflector shaping computer 
program written by the author of this thesis.  Considering the antenna in reception, the signal 
collected by the dual reflector system propagates into the beam‐waveguide (BWG) system, which 
is the topic treated in Chapter 3.  In particular, the chapter covers the main beam‐waveguide 
design techniques, and describes the Gaussian beam approach, which has been implemented in a 
computer code that has been used in the frame of the “Study on the use of the 25.5 ÷ 27 GHz band in 
ESA ground stations” [1], and whose most interesting results are reported in the test case section.  
Some of the most relevant elements of beam‐waveguide antennas:  dichroic mirrors, are described 
in Chapter 4, which deals with the traditional design approach, and with the novel methodologies 
allowing for improved performance that have been studied by the author throughout his Ph.D. 
studies, and are objects of many of his publications.  Chapter 5 is devoted to yet another key 
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Enhanced Modeling and Design of Ground Station Antennas for Space Applications 
Preface and Acknowledgements 

element of beam‐waveguide antennas:  the feed system, which is the actual heart of every ground 
station, as it generates and receives the beams carrying the signals that will travel or have traveled 
through space.  After a description of a complete feed chain, a specific section is devoted within 
the  chapter  to  describing  the  basic  theoretical  background  and  to  providing  some  design 
guidelines for the most relevant components.  Many test cases are as well reported, most of which 
have been designed in the frame of the “Study on the use of the 25.5 ÷ 27 GHz band in ESA ground 
stations” [1].  After a description of the main antenna components, Chapter 6 describes the main 
deep‐space antenna operational modes, and it presents some of the results of the ESA study “Two 
layer servo concept with movable BWG mirrors” [2], primarily aimed to separating the Ka‐band up 
and downlink beams, in order to compensate the beam aberration effect arising when tracking 
probes travel with a non‐zero transversal velocity component.  The last chapter, Chapter 7 reviews 
the path followed by the author of this thesis, and highlights the most relevant results obtained. 
A  
CKNOWLEDGMENTS
First of all I would like to thank my tutor, Professor Luca Perregrini for his guidance, 
support, tuition, and friendship, and Professor Maurizio Bozzi for his helpful suggestions and 
useful discussions.  It is thanks to them if I had the chance to come in touch with the wonderful 
world  of  microwaves,  back  in  2002,  when  they  offered  me  the  opportunity  of  spending  a 
traineeship period at the European Space Agency in Darmstadt, Germany.  A very special thank 
goes to Dr. Piermario Besso of ESA/ESOC, former boss and current friend, who transferred to me 
his love for ground station antennas, and granted me the wonderful opportunity to work as an 
external contractor on two ESA studies.  Thanks to my friend Dr. Peter Droll and to Dr. Udo Kugel 
of ESA/ESOC for the interesting and fruitful discussions on the movable mirrors study.  Many 
thanks to Dr. Steve Rawson head of Callisto Space Ltd., my former employer who helped me a lot 
during the last years, not only from a technical point of view.  A special thank goes also to 
Dr. Glafkos  Philippou,  my  waveguide  components  mentor,  who  gave  me  the  opportunity  of 
spending six months at ERA Technology Ltd., and to all the ERA crew, and in particular Dr. Barry 
Driscoll, Dr. Youssef Kalatizadeh, Dr. Dean Kemp, Dr. Michael Philippakis, my desk neighbour 
Mrs. Jan Millson, and last but not least, the head of the antenna section, Dr. Robert Pearson.  I also 
wish to thank Dr. Daniele Gallieni, head of ADS International S.r.l. and Mr. Pierluigi Fumi, also of 
ADS International S.r.l., for their friendship, for the excellent work we have done together, and for 
their support during the movable mirrors study.  Much appreciation also goes to all TICRA 
employees for their support and suggestions about GRASP, not only throughout this thesis, but 
since 2002.  I also wish to thank Dr. Roberto Vallauri and Dr. Davide Savini of TiLab, for providing 
experimental data on the DSA1 M4 dichroic mirror.  Finally I cannot avoid mentioning all the 
friends of the Microwave Laboratory:  Dr. Simone Germani who is now working in Germany, as 
his last name always suggested, Dr. Marco Pasian who cheered up my days at the lab with his 
foolishness, Dr. Gaia Cevini, Dr. Maria Montagna, and the former, but not forgotten Ms. degree 
students and good friends, Mr. Paolo Benetti and Mr. Alessio Sidoli.  A special thank also goes to 
my “English” friends, Dr. Mark Brenchley and Dr. Riccardo Sabatino, for the many pub nights we 
spent together.  Last but not least, a big thank to my best friends Federico Arnaud and Sergio 
Fabbri, just for being my friends.  I would have finally thanked Chiara for enduring countless 
hours of neglect during the preparation of this thesis, but alas, she did not endure long enough.  ;‐) 
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Enhanced Modeling and Design of Ground Station Antennas for Space Applications 
Chapter 1:  Introduction 

Chapter 1 
1.I  
NTRODUCTION
Electricity and magnetism have been known by mankind for thousands of years, since the 
Greek mathematician, astronomer, and philosopher Thales of Miletus discovered them, rubbing 
amber with silk and studying the rocks of the Greek city Magnesia.  It was however not until 1873, 
more than two thousand years later, that Professor James Clerk Maxwell established in a profound 
and elegant manner the interdependence of the two physical phenomena, thus creating the basis 
for modern electromagnetism. 
The existence of the electromagnetic waves postulated by Professor James Clerk Maxwell 
was scientifically demonstrated with physical evidence a few years later, in 1887 by Professor 
Heinrich Hertz, who assembled, in the Technical Institute of Karlsruhe, Germany the first radio 
system,  employing  a  loaded  half‐wavelength  dipole  as  transmitting  antenna,  and  a  resonant 
square loop as receiver.  Professor Hertz observed how sparks generated in the gap at the center of 
the  dipole  also  occurred  in  a  gap  in  the  nearby  loop,  and  proved  the  wave  nature  of  the 
electromagnetic field, by moving his receiver around his laboratory, thus mapping “spark areas” 
and “dead‐spot areas”.  Since then, short dipoles and radio waves were then named after him, in his 
honor “Hertzian dipoles,” and “Hertzian waves”. 
Although widely regarded as the father of radio, Professor Heinrich Hertz never really 
used his invention for transmitting information, and his apparatus remained nothing more than a 
laboratory oddity for nearly a decade.  The first demonstration that Hertzian waves could be used 
to convey signals through space was made by the Italian inventor Guglielmo Marconi.  Son of an 
Irish mother and an Italian father, young Marconi became interested in Hertzian waves while he 
was still in his teens, and he soon became convinced that they could be put in practical use.  He 
eventually set up a wireless telegraph in his father’s garden near Bologna, and improved and 
tuned his system, adding larger antennas for longer wavelengths, to allow for communicating over 
larger distances.  In 1901, he amazed the world, when he announced that he was able to receive 
radio signals that had been sent all the way across the Atlantic ocean, from a fan aerial supported 
by two 60 m poles he had built at Poldhu in Cornwall, England, to St. John’s, Newfoundland, 
Canada, where he pulled up a 200 m wire with a kite, working it against an array of wires on the 
ground.  Two years later, in 1903, Marconi began a regular transatlantic message service between 
England, Nova Scotia, and Cape Cod. 
Contemporaneously,  an  obscure  Russian  schoolteacher,  Konstantin  Tsiolkovsky,  had 
become convinced that rockets could be used to propel space vehicles, and published many 
articles between 1903 and 1911 accounting his theories.  The first scientist to devote his research to 
rocket development with the aim of “reaching extreme  altitudes,” however, was the American 
professor Robert Hutchings Goddard, “the father of modern rocketry”.  After many years spent 
studying his mathematical theories of rocket flight, in 1926, Professor Goddard was finally able to 
build and launch the first liquid propelled rocket of history (Figure 1.1), thus taking to another 
level the gunpowder propelled devices used by the Chinese for warfare and firework display as 
early as the thirteenth century A.D.. 
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Enhanced Modeling and Design of Ground Station Antennas for Space Applications 
Chapter 1:  Introduction 

Figure 1.1:  Professor Robert Hutchings Goddard with his liquid propelled rocket. 
Since then, antenna and rocket technology evolved at a steady pace, until the Second 
World War boosted the development of both microwave devices and missiles, which became an 
urgent matter, thus posing the basis for space communications.  Both sides developed advanced 
and powerful radar systems, and a photograph of a unit of the Würzburg‐Riese radar system near 
Frankfurt, the backbone of the German air‐support radar system on the ground, providing data for 
height, range, and bearing of Allied airplanes is shown as an example in Figure 1.2. 

Figure 1.2:  Würzburg‐Riese radar system. 
In 1942, in the middle of the war, Dr. Wernher Von Braun and the Peenemünde rocket 
group succeeded launching the first prototype of the massive “Weapon of Vengeance” rocket, also 
known as Vergeltungswaffe 2 or simply V‐2 (Figure 1.3).  After the war, Von Braun surrendered to 
the Americans and was given the opportunity of continuing his rocket experiments under the 
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