New Methods and Solutions for SATCOM Electromagnetic Devices

Satellite communication (SATCOM) systems represent one of the most advanced, innovative, and widely used wireless communication systems. These systems find applications across a wide range of sectors, from military and civil protection, as they have the ability to communicate in complex environments without network infras- tructures (such as war zones or disaster-affected areas), to common applications like mobile communications. Due to these characteristics, there is a strong interest within the scientific and industrial communities in developing innovative technologies aimed at improving the functionality and performance of devices used in this framework. This thesis addresses the development of new methods and architectures for the design of electromagnetic devices for SATCOM applications, with particular focus on antennas and filters, two of the most critical devices from an electromagnetic engineering perspective. In line with the industrial nature of this PhD, the target of the proposed work is to develop solutions that ensure high performance, as well as agile and innovative designs, while also reducing the complexity associated with design and fabrication phases. The work on antennas starts with the development of a versatile and effective method for the design and optimization of slot arrays in standard waveguides and Substrate Integrated Waveguides (SIW). The proposed method combines the use of an optimal synthesis technique for the synthesis of narrow beams subject to arbitrary upper bound constraints with an optimization algorithm that interacts cyclically with full-wave simulators to achieve internal synthesis. Subsequently, focusing on the development of antenna architectures for SATCOM-on-the-move (SOTM) applications, the design of linear cavity-backed slot antenna arrays with vertical stack-up, corporate feeding networks, and a wideband stacked-patch array with electronically reconfigurable polarization are developed. The linear cavity-backed slot antenna arrays, implemented in both hollow waveguides and SIW technology, are designed to maintain the benefits of standard slot arrays while overcoming their characteristic frequency limitations. The vertical feeding network also allows these arrays to be used as radiating rows in planar array designs, which, when appropriately phased, enables electronic beam scanning in the transversal plane. The stacked-patch array, on the other hand, is designed to offer a flexible and robust device capable of operating both in transmission and reception, with the capability to electronically reconfigure polarization. The antenna is optimized to cover the entire Ku-band frequency range for SOTM (Rx and Tx) and demonstrates superior performance compared to some notable reference examples with similar architectures. The proposed array design is validated by experimental characterization of a first realized prototype. A key topic of interest in the design and application of SATCOM devices is the study of how thermal deformation affects the frequency response of electromagnetic devices. The analysis is carried out using multiphysics simulations, focusing on a narrowband waveguide filter, which, due to its resonant nature, serves as an excellent testbed for such studies. In addition to antennas, passband filters are fundamental electromagnetic devices in SATCOM applications. There is significant interest in designing passband filters that enable a controlled frequency shift of the passband. Therefore, the design of tunable passband filters in waveguides, operating in the C-band, is addressed in this thesis. The design approach adopted involves inserting dielectric elements within the cavities and between the iris slots of a preexisting filter to modify the electrical length and maintain coupling. The validity of the approach is confirmed by prototype measurements, which, compared with other solutions in the literature, exhibit good performance and simplicity. All the design examples presented in this thesis have been derived from in-depth analyses of the underlying physics and validated using industry-standard full-wave simulators. Additionally, the tunable filter and stacked patch array have been experi- mentally characterized through prototype measurements.

I sistemi di comunicazione satellitare (SATCOM) rappresentano uno dei sistemi di comunicazione wireless più avanzati, innovativi e diffusi. Questi sistemi trovano applicazione in una vasta gamma di settori, dal militare alla protezione civile, offrendo la possibilità di comunicare in ambienti complessi privi di infrastrutture, come aree colpite da guerre o disastri, fino ad applicazioni comuni come le comunicazioni mobili. Grazie a queste caratteristiche, esiste un grande interesse sia nella comunità scientifica che in quella industriale per lo sviluppo di tecnologie innovative mirate a migliorare la funzionalità e le prestazioni dei dispositivi utilizzati in questo ambito. Questa tesi affronta lo sviluppo di nuovi metodi e architetture per la progettazione di dispositivi elettromagnetici destinati alle applicazioni SATCOM, con particolare attenzione alle antenne e ai filtri, due dei dispositivi più critici dal punto di vista elettromagnetico. In linea con la natura industriale di questo dottorato, l'obiettivo del lavoro proposto è sviluppare soluzioni che garantiscano alte prestazioni e progetti agili e innovativi, riducendo al contempo la complessità associata alle fasi di progettazione e fabbricazione. Il lavoro sulle antenne inizia con lo sviluppo di un metodo versatile ed efficace per la progettazione e l'ottimizzazione di array di slot in guide d'onda standard e in Guide d’Onda Integrate su Substrato (SIW). Il metodo proposto combina l'uso di una tecnica di sintesi ottimale per la sintesi di fasci stretti soggetti a vincoli arbitrari sul livello superiore, con un algoritmo di ottimizzazione che interagisce ciclicamente con simulatori full-wave per raggiungere la sintesi interna. Successivamente, per lo sviluppo di architetture di antenne destinate alle applicazioni SATCOM-on-the-move (SOTM), vengono progettati array lineari di slot supportati da cavità con alimentazione verticale, reti di alimentazione aziendali e un array wideband a patch impilate con polarizzazione riconfigurabile elettronicamente. Gli array lineari di slot supportati da cavità, implementati sia in tecnologia a guide d'onda cave che SIW, sono progettati per mantenere i vantaggi degli array di slot standard superando al contempo le limitazioni frequenziali caratteristiche. La rete di alimentazione verticale consente inoltre a questi array di essere utilizzati come righe in progetti di array planari che, opportunamente fasati, consentono lo scanning elettronico del fascio nel piano trasversale. L'array a patch impilate, invece, è progettato per offrire un dispositivo flessibile e robusto, capace di operare sia in trasmissione che in ricezione, con la possibilità di riconfigurare elettronicamente la polarizzazione. L'antenna è ottimizzata per coprire l'intero intervallo di frequenze della banda Ku per SOTM (Rx e Tx) e dimostra prestazioni superiori rispetto ad alcuni esempi di riferimento con architetture simili. Un argomento di interesse generale nella progettazione e applicazione di dispositivi SATCOM è l'analisi degli effetti delle deformazioni termiche sulla risposta in frequenza dei dispositivi elettromagnetici. Tale analisi viene condotta mediante simulazioni multi-fisiche, focalizzandosi su un filtro a guida d'onda a banda stretta che, grazie alla sua natura risonante, rappresenta un eccellente banco di prova per tali studi. Oltre alle antenne, i filtri passa-banda sono dispositivi elettromagnetici fondamentali per le applicazioni SATCOM. Esiste un notevole interesse nello sviluppo di progetti di filtri passa-banda che consentano una traslazione controllata della banda passante in frequenza. Pertanto, in questa tesi si affronta la progettazione di filtri passa-banda sintonizzabili in guide d'onda, operanti nella banda C. Il principio progettuale adottato prevede l'inserimento di elementi dielettrici all'interno delle cavità e tra le fessure degli iris di un filtro pre-progettato per modificare la lunghezza elettrica e mantenere l'accoppiamento. La correttezza dell'approccio è validata mediante misurazioni del prototipo, che, confrontato con altre soluzioni presenti in letteratura, mostra buone caratteristiche in termini di prestazioni e semplicità. Tutti gli esempi di progettazione presentati in questa tesi sono validati utilizzando simulatori full-wave riconosciuti come standard industriali e, nel caso del filtro sintonizzabile, mediante la caratterizzazione sperimentale del primo prototipo.