Electromagnetics for Space Antennas. Johan Wettergren Manager Antenna Electrical Design

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Electromagnetics for Space Antennas. Johan Wettergren Manager Antenna Electrical Design"

Nils Johansson
för 5 år sedan
Visningar:

1 Electromagnetics for Space Antennas Johan Wettergren Manager Antenna Electrical Design

RUAG Space at a Glance Leading European space product supplier to the industry Acquisition of Saab Space and Austrian Aerospace (2008), Oerlikon Space (2009), Patria Space (2015) Eight sites

2 RUAG Space at a Glance Leading European space product supplier to the industry Acquisition of Saab Space and Austrian Aerospace (2008), Oerlikon Space (2009), Patria Space (2015) Eight sites in four countries (Switzerland, Sweden, Finland and Austria) US office in Denver, Colorado 1160 employees Total revenues (2014): 265 M Headquarters: Zurich (CH) RUAG Space, Johan Wettergren 2

3 RUAG Space AB Sales: 2014: 785 MSEK, 86 MEuro, 115 MUSD No of employees: 374 RUAG Space, Johan Wettergren 3

4 Product Areas Computer Systems Frequency Converters & Receivers Adapters and separation systems Antennas Guidance Systems Satellite Structures RUAG Space AB 4

5 Antennas Wide Coverage Antennas Complete family of antennas for TT&C, data links, GPS receivers and beacons. More than 540 delivered for satellites and launchers. Array Antennas Feed arrays and direct radiating arrays for mobile communications and RF instruments. Reflector Antennas High-accuracy antennas for science and communication applications. RUAG Space AB 5

Johan Wettergren civilingenjör från Chalmers i teknisk fysik 30p filosofi, 40p musikvetenskap, 10p högskolepedagogik teknologie doktor i elektroteknik (vågledarslitsantenner) 3 år på

6 Johan Wettergren civilingenjör från Chalmers i teknisk fysik 30p filosofi, 40p musikvetenskap, 10p högskolepedagogik teknologie doktor i elektroteknik (vågledarslitsantenner) 3 år på antennavdelningen 1 år forskarassistent på Chalmers 8 år på mikrovågselektronik 2 år till på antennavdelningen 5 år som chef över elektrisk antenndesign vågledarslitsantenner, elektromagnetiska beräkningar, mikrovågsmätteknik, tekniska kundkontakter, offertarbete, verksamhetsuppföljning, ledning RUAG Space, Johan Wettergren 6

7 Antennkonstruktion är multifysik image from Joakim Johansson, RUAG Space RUAG Space, Johan Wettergren 7

8 Maxwells ekvationer E i H H i E J E / H 0 RUAG Space, Johan Wettergren 8

9 Vad man vill räkna ut för antenner hur de strålar deras förluster deras anpassning när frekvensen varierar när omgivningen stör RUAG Space, Johan Wettergren 9

10 James Webb Space Telescope image from NASA artists impression RUAG Space, Johan Wettergren 10

11 Hur räknar man? i huvudet papper & penna enkla MATLAB-hack större företagsegna beräkningsrutiner inköpta specialiserade program inköpta generella program RUAG Space, Johan Wettergren 11

12 METOP-satelliten image from ESA artists impression RUAG Space, Johan Wettergren 12

13 ASCAT scatterometerantenn radarmätning mot havsvågor ger vindinformation vågledare med slitsar mätsträcka med absorbenter RUAG Space, Johan Wettergren 13

14 Azimuthdiagram för nästa ASCAT % the MID antenna azimuth pattern for elements f=5.3e9; % frequency lambda= /f; % wavelength, 57 mm Nslot=64; dlslot=43.1e-3; % slot spacing (m) SLL=20; % sidelobe level n=2; % Taylor parameter z=((1:nslot/2)-0.5)*dlslot/lambda; L=Nslot*dLslot/lambda; LL=L*lambda I=taylor(SLL,n,L,z); x=[-z(end:-1:1) z].'; a=[i(end:-1:1);i]; Theta=-180:0.1:180; theta=theta*pi/180; SF = array(x,zeros(size(x)),a,0,theta,0,0,0,0); EF=halfwave(theta+pi/2); e=sf.*ef; E=20*log10(abs(e)/max(abs(e))); Nth=0.5*(length(Theta)-1); BW=2*interp1(E(Nth+[1:10]),Theta(Nth+[1:10]),-3) figure(1) clf plot(theta,e) axis([ ]) title('sca MID azimuth pattern') xlabel('azimuth angle (degrees)') ylabel('relative directivity (db)') grid on hold on RUAG Space, Johan Wettergren 14

15 Elevationsdiagram för nästa ASCAT egenutvecklad genetisk optimering tusentals testfall kostnadsfunktion & mimimering RUAG Space, Johan Wettergren 15

16 METOP-satelliten image from ESA artists impression RUAG Space, Johan Wettergren 16

17 1.0 *M e tre s METOP och HRPT-antennen Z M e to P H R P T A n te n n a 2 1 Y X Z 0 TX -1 Y -2 X -3-4 = A n te n n a *M e tre s RUAG Space, Johan Wettergren 17

18 ALDAS Diffraktionsteori (GTD och UTD) Geometrin byggs upp med plan, lådor och cylindrar Strukturen som modelleras har god ledningsförmåga Modellens dimensioner bör vara större än en våglängd All struktur antas vara i antennens fjärrfält Indata i form av mätta diagram eller fördefinerade antenntyper RUAG Space, Johan Wettergren 18

ALDAS Direktstrålning Första ordningens strålning med enkel påverkan Reflekterad strålning från plana och krökta ytor Krypande strålning runt krökta ytor Diffraktion runt raka kanter Blockering

19 ALDAS Direktstrålning Första ordningens strålning med enkel påverkan Reflekterad strålning från plana och krökta ytor Krypande strålning runt krökta ytor Diffraktion runt raka kanter Blockering Andra ordningens strålning med dubbel påverkan Reflektion plan yta / Reflektion plan yta Kantdiffraktion / Reflektion plan yta Reflektion plan yta / Kantdiffraktion RUAG Space, Johan Wettergren 19

20 Strålningsdiagram i närvaro av satellitkroppen RUAG Space, Johan Wettergren 20

$occultations Analysis of phase refractive index electron density Meteorological quantities Temperature Pressure Water vapour RUAG Space, Johan$

21 GRAS instrument GRAS instrument on the MetOp satellite Two antennas on the MetOp satellite rising GPS satellite occultations setting GPS satellite occultations Analysis of phase refractive index electron density Meteorological quantities Temperature Pressure Water vapour RUAG Space, Johan Wettergren 21

22 GRAS instrument Approximately 500 GPS occultations per day 90 o N 60 o N 30 o N 0 o 30 o S 60 o S 90 o S 180 o W 120 o W 60 o W 0 o 60 o E 120 o E 180 o W RUAG Space, Johan Wettergren 22

23 Antenna electrical design Array antenna Beam steered 27º toward earth Small element spacing of 135 mm 6 x 3 (elevation x azimuth) array Gain > 10 dbi within ± 50º azimuth RUAG Space, Johan Wettergren 23

24 GRAS antenna Dual concentric rings Rings mounted in cups Feeding from microstrip lines via slots Separate feed networks for the two bands RUAG Space, Johan Wettergren 24

25 Next generation GRAS antenna HFSS model note similarity to JWST antenna 6 element array very similar radiation pattern! RUAG Space, Johan Wettergren 25

26 HFSS-simuleringar Ansoft HFSS Full wave Finite Element (FEM) electromagnetic simulator Simulations are made in the frequency domain Adaptive meshing convergence Optimization using the field for gradient needed RUAG Space, Johan Wettergren 26

27 Multipaction elektron slås loss av joniserande strålning accelereras till motsatt sida, slår ut fler om fältet just bytt polarisation, fås resonans maximala fältet och minsta avståndet måste begränsas starka E-fält i förträngningen RUAG Space, Johan Wettergren 27

28 Electromagnetic Compatibility (EMC) små slitsar släpper in och ut fält EMC-konstruktion går ut på att skapa riktigt dålig antennfunktion vid alla frekvenser samtidigt tätning ofta nödvändig RUAG Space, Johan Wettergren 28

29 Tack! Johans råd: läs intressanta kurser satsa tid och engagemang RUAG Space, Johan Wettergren 29

Relevanta dokument

Satellit-navigering. GPS-tillämpningar

Satellit-navigering. GPS-tillämpningar Satellit-navigering Magnus Bonnedal bidrag från Christer Berner Rymdstyrelsen RUAG Space 1 GPS-tillämpningar Navigering: Bil, båt, flyg, handburen Prospektering: vägar, stadsplanering, byggen Kartering