Uporaba Lune kot umerjenega šumnega vira za meritev razmerja G/T satelitske sprejemne postaje v pasu X z veliko anteno premera 200...400 valovnih dolžin

ŠEKULJICA, DARKO (author), Vidmar, Matjaž (mentor)

Namen magistrske naloge je potrditi učinkovitost merilne metode faktorja G/T za kakovost pri paraboličnih antenskih sistemih frekvenčnega pasu X z veliko zaslonko, ki so v stalnemu obratovanju, kot na primer antene, ki sprejemajo signal iz satelitov nizke zemeljske orbite (ang. Low Earth Orbit - LEO) in imajo kratke premore med prehodi satelitov. Za preverjanje, ali zemeljska postaja še vedno ustreza zahtevam storitve, potrebujejo omenjeni antenski sistemi glede na zahteve Evropske vesoljske agencije (ang. European Space Agency - ESA) vsaj eno meritev G/T faktorja letno. Meritev, opisana v tej študiji, je bila izvedena z direktno metodo ocene razmerja G/T. Ta metoda omogoča oceno razmerja G/T s pomočjo dveh meritev, in sicer meritve moči šuma, ko je antena usmerjena v RF vir (P1 [W]) in meritve moči šuma, ko je antena usmerjena v hladno nebo na isti elevaciji (P2 [W]). Analiza obstoječih virov RF in njihove gostote pretokov je pokazala, da je za antene in frekvence, ki zanimajo ESA v okviru aktivnosti opazovanja Zemlje (ang. Earth Observation - EO), Luna najboljši vir RF za direktno metodo merjenja faktorja G/T. Lunino sevanje lahko vzamemo kot stabilno sevanje črnega telesa, ki je predstavljeno kot disk z enakomerno osvetlitvijo in je odvisno od povprečne temperature osvetlitve (ang. brightness temperature) Lunine mene in Luninega kotnega premera glede na lokacijo antene v času izvajanja meritve. Zaradi ožjega glavnega snopa antene od zornega kota Lune je bila izvedena celovita analiza metod približkov korekcijskega faktorja K2 zaradi razširjene velikosti vira (ang. extended source size correction factor) in razvita nova najbolj prilegajoča se metoda za izračun približka korekcijskega faktorja v odvisnosti od robnega slabljenja osvetlitve žarilca Te [dB] (ang. edge taper). Približek korekcijskega faktorja je odvisen tudi od kotnega premera Lune θ_Moon [°] ter kota med točkami, kjer sevalni diagram pade na polovico moči (ang. Half Power Beam Width). Kot θ_HPBW je odvisen od valovne dolžine, premera največjega reflektorja ter faktorja k. Faktor k je faktor širine glavnega snopa antene (ang. beamwidth factor). Formula za izračun faktorja k je produkt najboljšega prileganja krivulje na številne rezultate korekcijskega faktorja K2 različnih anten. Rezultati faktorja K2 so bili izračunani s pomočjo numerične integracije nad sevalnimi diagrami številnih anten simuliranih v programski opremi GRASP. Antene smo načrtovali in simulirali z različnimi premeri reflektorjev in različnimi robnimi slabljenji žarilca. Faktor širine glavnega snopa antene je podan v odvisnosti od robnega slabljenja osvetlitve žarilca. Pri zadnjem preverjanju postopka smo izvedli niz meritev G/T na anteni Cassegrain z veliko zaslonko v frekvenčnemu pasu X, ki se uporablja za sprejemanje LEO satelitskih podatkov. Nastavitve uporabljenih posameznih instrumentov so bile predmet razprave. Na koncu smo izbrali kombinacijo, ki omogoča največjo možno stabilnost meritve ob najmanjši možni merilni napaki. Predlagana nastavitev spektralnega analizatorja je sledeča: Središčna frekvenca: Vmesna frekvenca (običajno 750 MHz) Frekvenčni razpon: 0 Hz dB/razdelek: 1 RBW: 100 kHz VBW: 10 Hz Marker: ON Čas brisanja: 100 ms Povprečenje: 10. Glavni rezultat študije je pokazal, da se meritev faktorja G/T izvedena s predlagano direktno metodo, ki uporablja Luno kot vir RF, zelo dobro ujema z metodo, ki uporablja kot vir zvezdo (Cassiopeia A) in oceno faktorja G/T s pomočjo MATLAB simulacije. Pri merjenju faktorja G/T z uporabo metode K2, opisane v tej magistrski nalogi, in Lune kot vira RF smo dobili rezultat [G/T]dB = 36.49 dB. Z uporabo zvezde kot vira RF in iste direktne metode smo dobili rezultat [G/T]dB = 36.81 dB. Pri oceni faktorja G/T s pomočjo kode MATLAB, podane v dodatkih, pa smo dobili rezultat [G/T]dB = 36.43 dB. Ujemanje [G/T]dB rezultatov različnih metod je bilo znotraj 0.35 dB. Študija je še pokazala, da so vrednosti za korekcijski faktor K2, podane s strani proizvajalcev anten, pogosto preveč optimistične, zato je predlagana uporaba izvedene metode, ki uporablja Gaussov sevalni diagram s faktorjem širine glavnega snopa antene v odvisnosti od robnega slabljenja osvetlitve žarilca. Glede na to, da je merjenje z direktno metodo za parabolične antene z veliko zaslonko manj kompleksnejše od ločenega merjenja dobitka antene in odgovarjajoče šumne temperature sistema, je ESA potrdila metodo opisano v tej študiji kot standardni pristop merjenja faktorja G/T za antene v frekvenčnem pasu X, ki se uporablja za sprejem signala zemeljskih opazovalnih satelitov.

• Language: Slovenian
• Keywords: G/T, faktor kakovosti antene, Luna, antene, frekvenčni pas X, satelitske komunikacije, zemeljski segment, zmogljivost zveze
• Work type: Master's thesis/paper
• Organization: FE - Faculty of Electrical Engineering
• Year: 2017
• PID: 20.500.12556/RUL-88902
• Publication date in RUL: 27.01.2017

Secondary language

• Language: English
• Title: Using the Moon as a calibrated noise source to measure the G/T figure-of-merit of an X-band satellite receiving station with a large antenna 200...400 wavelengths in diameter

Abstract

This Master's thesis describes a study intended to consolidate an efficient G/T antenna quality factor measurement method for X-band, large aperture, parabolic antenna systems, that are in constant operation as it happens for antennas used for the reception of Low Earth Orbiting (LEO) satellites, and have small allotments of available time for performing the measurement. Standing on ESA requirements on acquisition services, these types of antenna systems need at least one G/T quality factor measurement per year in order to check whether the ground station still meets the specifications for the specific service. The measurement procedure described in this thesis uses a direct approach where the G/T ratio is directly measured. Analysis of the available RF sources and their flux densities showed that the most appropriate RF source for direct G/T measurement, for the antennas and frequencies of interest to ESA in the frame of the Earth Observation activities, is the Moon. Moon's radiation can be taken as a stable black-body radiation and may be represented as uniform brightness disk, with dependence of the average brightness temperature, lunar phase, and on the lunar angular diameter as seen from the antenna site at the time of measurement. Because the Moon's angular size is wider than the antenna half power beamwidth, a throughout analysis of extended source size correction factor approximation methods was performed and finally, a novel best-fit correction factor method was calculated in a dependence to feed's edge taper. As final verification of the procedure, a set of G/T measurements were performed on an operational X-band large aperture Cassegrain antenna used for receiving LEO orbit satellite data. The settings of the different instruments used for the measurement were subject of discussion and final selection was done on the basis of ensuring the maximal measurement stability with the minimal measurement error. Major result of the study is that measurements of G/T factor carried out with our direct method using the Moon, well agree with those obtained by using a star (Cassiopeia A) as a source and those obtained with pattern simulation and estimation using MATLAB code, with deviations within 0.35 dB. As additional result of the study, it turned out that vendor provided values for extended source correction factor are often too optimistic while the Gaussian pattern method in dependence of edge taper is proposed. Given that the complexity of the direct method for the large aperture parabolic antenna measurements is much smaller than when measuring separately the gain and system noise temperature, ESA has consolidated the method described in this thesis as the standard approach for the G/T measurement of X-band antennas used for the acquisition of Earth Observation satellites.

• Keywords: G/T, antenna quality factor, antenna figure of merit, Moon, antennas, X-band, satellite communications, ground-segment, link budget