X-band antenna for CubeSat satellite

Abstract

This project describes the process of design and manufacturing of an X-Band (7.1-8.5 GHz) antenna for a CubeSat satellite, facing many of the design criteria and challenges of pico-satellites. A CubeSat is a type of miniaturized satellite for space research that is made up of multiples of 10×10×10 cm cubic units and has a mass of no more than 1.33 kilograms per unit. It can be manufactured using commercial off-the-shelf (COTS) components for its electronics and structure. Limited size, low mass, circular polarization, high gain and wide bandwidth are the main challenges of the antenna design. A design of an aperture-coupled patch antenna has been performed to overcome the difficulties and fulfill all the requirements for CubeSats antennas. The antenna consists of one or two rectangular patches, fed by a microstrip line through a crossed slot in the ground plane. The two patches are separated from the ground plane using a layer of hard, low-permittivity foam. After the study of several antenna models, a stacked patch antenna (two patches) accomplished most of the requirements. The antenna models have been simulated using a 3-D electromagnetic simulation software, HFSS. Simulation and measured results show a gain within 6-10dB, very good circular polarization, a good matching in the whole frequency band and accomplish dimension criterias for CubeSat antennas.

Este proyecto describe el proceso de diseño y fabricación de una antena X-Band (7.1-8.5 GHz) para un satélite CubeSat, frente a muchos de los criterios de diseño y desafíos de los picosatélites. CubeSat se trata de un satélite miniaturizado, dedicado a la investigación espacial que está compuesto por múltiples unidades cúbicas de dimensiones 10 × 10 × 10 $\mathrm{cm}^3$ y con una masa no superior a 1.33 kilogramos la unidad. Este puede ser fabricado usando componentes comerciales (COTS) para su composición electrónica y estructural. En el tamaño reducido, su baja masa, su polarización circular, la alta ganancia del dispositivo y en el amplio ancho de banda se encuentran los principales desafíos del diseño de la antena. Se ha realizado un diseño de una \textit{patch} antena para superar las dificultades y satisfacer todos los requisitos del diseño. La antena consta de dos \textit{patch} rectangulares, alimentadas por una línea microstrip a través de una ranura cruzada en el respectivo plano de masa. Ambas \textit{patch} están separadas de la alimentación y el plano de masa mediante una capa de espuma dura de baja permitividad dieléctrica. Después del estudio de varios modelos de antena la compuesta por dos \textit{patch} ha satisfecho los requisitos necesarios. Los modelos de antena han sido diseñados utilizando un software de simulación electromagnético 3-D, HFSS. Los resultados tanto simulados como medidos muestran una ganancia entre 6-10 dB, una muy buena polarización circular, y buena adaptación en todo el rango de frecuencias, todo ello cumpliendo con las dimensiones limitadas de una antena para un CubeSat.

Aquest projecte descriu el procés de disseny i fabricació d'una antena X-Band (7.1-8.5 GHz) per un satèl·lit CubeSat, davant molts dels criteris de disseny i desafiaments dels picosatèl·lits. CubeSat es tracta d'un satèl·lit miniaturitzat dedicat principalment a la investigació espacial que està compost per múltiples unitats cúbiques de dimensions 10 × 10 × 10 $\mathrm{cm}^3$ i amb una massa no superior a 1,33 quilograms la unitat. Aquest pot ser fabricat utilitzant components comercials (COTS) per a la seva composició electrònica i estructural. La mida reduïda, la seva baixa massa, la seva polarització circular, l'alt guany del dispositiu i l'ampli ample de banda composen els principals reptes del disseny de l'antena. S'ha realitzat un disseny d'una \textit{patch} antena per superar les dificultats i complir tots els requisits del disseny. L'antena consta de dues \textit{patch} rectangulars, alimentades per una línia microstrip a través d'una ranura creuada en el respectiu pla de massa. Les dues \textit{patch} estan separades de l'alimentació i el pla de massa mitjançant una capa d'espuma dura de baixa permitivitat dielèctrica. Després de l'estudi de diversos models d'antena la composta per dos \textit{patch} ha proporcionat els millors resultats tenint en compte els requisits de l'antena. Els models d'antena han estat dissenyats utilitzant un programa de simulació electromagnètica en 3-D, HFSS. Els resultats tant de simulació com mesurats, mostren un guany entre 6-10 dB, una molt bona polarització circular i una bona adaptació en tot el rang de freqüències cumplint amb els criteris de tamany limitat per antenes CubeSat.