ETD

• antenne a patch
• antenne GNSS
• circular polarization
• correnti superficiali
• corrugazioni
• decoupling
• GNSS
• mutual coupling
• mutuo accoppiamento
• polarizzazione circolare
• Salisbury screen
• schermo di Salisbury
• surface currents

The increasing use of Global Navigation Satellite Systems (GNSS) and the continuing development of small satellite platforms require radiating systems capable of providing suitable electromagnetic performance under demanding geometrical and integration constraints. The limited surface available on compact satellites may require several radiating elements to be installed on a common ground plane. Under these conditions, electromagnetic interaction between adjacent antennas can produce mutual coupling, potentially affecting impedance matching, current distribution, radiation patterns, and polarization characteristics. Mitigating these interactions is therefore an important aspect of the design of multi-antenna systems for satellite applications.
This thesis investigates the design of circularly polarized microstrip antennas intended to operate within different frequency ranges of interest for GNSS applications. The first part of the work focuses on the development of a family of patch antennas based on a common topology characterized by four corner truncations. The same design approach is adapted to the E5a, E6, L, and L1 bands. For each frequency range, both a right-hand circularly polarized (RHCP) and a left-hand circularly polarized (LHCP) configuration are developed. The polarization sense is reversed by applying a mirrored modification to the dimensions of the corner truncations, while preserving the general operating principle of the antenna.
The different configurations are designed and numerically characterized through full-wave electromagnetic simulations. The analysis considers impedance matching, axial ratio, realized gain, total efficiency, and radiation patterns, with the aim of assessing whether the same topology can be applied to different operating bands and to both polarization senses. The results show that the proposed structure can be appropriately rescaled for the selected frequency ranges while maintaining consistent behavior between the corresponding RHCP and LHCP versions.
The second part of the thesis addresses the mutual coupling between two identical antennas operating in the E6 band and installed on a shared ground plane. A configuration without any additional decoupling element is first defined and used as a reference to evaluate the energy transfer between the ports through the scattering parameter S21. The analysis of the reference configuration also includes the examination of surface-current and electric-field distributions, providing a qualitative description of the main mechanisms through which energy radiated by the excited antenna can reach the passive element.
Based on this characterization, a passive and symmetric decoupling solution is developed and placed in the central region between the two antennas. The proposed structure combines a corrugated region, consisting of FR4 sections separated by thin copper sheets, with two mirrored Salisbury screens. The corrugations are used to modify the propagation of currents and fields close to the ground plane, whereas the Salisbury screens contribute to attenuating part of the energy propagating through the region above it. Initial dimensions are estimated from the theoretical quarter-wavelength behavior of the resonant structures, while the final geometrical and material parameters are selected through a parametric analysis. The overall height is chosen as a compromise between electromagnetic effectiveness and limited vertical size, which is an important constraint for possible integration into compact satellite platforms.
Since no specific system-level isolation requirement was available, the effectiveness of the proposed solution is assessed by introducing an internal design criterion. This criterion requires a reduction of at least 10 dB in both the mean and the worst in-band values of S21 across the E6 frequency range. After introducing the decoupling structure, the mean value of S21 decreases from −39.04 dB to −53.19 dB, corresponding to an improvement of 14.15 dB. The worst in-band value decreases from −35.95 dB to −48.25 dB, providing an improvement of 12.30 dB. Both results therefore exceed the selected target. The comparison of the S11 parameter also indicates that the improvement in isolation is accompanied by only limited variations in antenna impedance matching.
Overall, the work demonstrates the possibility of combining different electromagnetic principles within a single passive solution that is geometrically compatible with a multi-antenna arrangement. The proposed methodology provides a basis for subsequent experimental investigation and for the possible adaptation of the structure to other operating frequencies, antenna separations, and platform geometries.

La crescente diffusione dei sistemi globali di navigazione satellitare (Global Navigation Satellite Systems, GNSS) e il progressivo sviluppo di piattaforme spaziali di dimensioni contenute richiedono la progettazione di sistemi radianti capaci di garantire prestazioni elettromagnetiche adeguate in presenza di vincoli geometrici e di integrazione particolarmente stringenti. Nei satelliti compatti, la superficie disponibile per l’installazione delle antenne è limitata e può rendersi necessario collocare più elementi radianti sul medesimo piano di massa. In queste condizioni, l’interazione elettromagnetica tra antenne adiacenti può determinare fenomeni di mutuo accoppiamento, alterando l’adattamento d’impedenza, la distribuzione delle correnti, il diagramma di radiazione e le caratteristiche di polarizzazione. La riduzione di tali interazioni costituisce pertanto un aspetto rilevante nella progettazione di sistemi multi-antenna destinati ad applicazioni satellitari.
La presente tesi affronta lo studio e la progettazione di antenne a microstriscia a polarizzazione circolare destinate a operare in differenti intervalli frequenziali di interesse per i sistemi GNSS. La prima parte del lavoro riguarda lo sviluppo di una famiglia di antenne a patch basata su una topologia comune, caratterizzata dalla presenza di quattro intagli angolari. La stessa impostazione progettuale è stata adattata alle bande E5a, E6, L e L1, realizzando per ciascuna di esse una configurazione a polarizzazione circolare destrorsa (Right-Hand Circular Polarization, RHCP) e una a polarizzazione circolare sinistrorsa (Left-Hand Circular Polarization, LHCP). Il passaggio da un verso di polarizzazione all’altro è ottenuto modificando in maniera speculare le dimensioni degli intagli, senza alterare il principio generale di funzionamento dell’antenna.
Le diverse configurazioni sono state progettate e caratterizzate numericamente mediante simulazioni elettromagnetiche full-wave. L’analisi ha considerato l’adattamento d’impedenza, il rapporto assiale, il guadagno realizzato, l’efficienza totale e i diagrammi di radiazione, con l’obiettivo di verificare l’applicabilità della stessa topologia alle diverse bande e a entrambi i versi di polarizzazione. I risultati ottenuti mostrano come la struttura proposta possa essere opportunamente ridimensionata per operare nelle differenti finestre frequenziali considerate, mantenendo un comportamento coerente tra le corrispondenti versioni RHCP e LHCP.
La seconda parte della tesi è dedicata allo studio del mutuo accoppiamento tra due antenne identiche operanti nella banda E6 e installate sul medesimo piano di massa. Inizialmente è stata definita una configurazione priva di elementi disaccoppianti, utilizzata come riferimento per valutare il trasferimento di energia tra le porte attraverso il parametro S21. L’analisi della configurazione di riferimento ha incluso anche l’osservazione delle correnti superficiali e del campo elettrico, al fine di descrivere qualitativamente i principali meccanismi attraverso i quali l’energia irradiata dall’antenna alimentata può raggiungere l’elemento passivo.
Sulla base di tale caratterizzazione è stata sviluppata una soluzione passiva e simmetrica, collocata nella regione centrale compresa tra le due antenne. La struttura combina una regione corrugata, costituita da elementi in FR4 separati da sottili lamine di rame, con due schermi di Salisbury disposti specularmente. Le corrugazioni sono impiegate per modificare la propagazione delle correnti e dei campi prossimi al piano di massa, mentre gli schermi di Salisbury contribuiscono ad attenuare parte dell’energia che si propaga nella regione sovrastante. Il dimensionamento iniziale è stato effettuato sulla base delle relazioni teoriche associate alle strutture risonanti a un quarto della lunghezza d’onda, mentre i valori finali dei parametri geometrici e costitutivi sono stati individuati mediante un’analisi parametrica. L’altezza complessiva è stata scelta come compromesso tra l’efficacia elettromagnetica della soluzione e il contenimento dell’ingombro verticale, rilevante per la possibile integrazione su satelliti compatti.
In assenza di uno specifico requisito di sistema, l’efficacia della soluzione è stata valutata adottando come criterio progettuale interno una riduzione di almeno 10 dB sia del valore medio sia del peggior valore di S21 nella banda E6. L’introduzione della struttura determina una diminuzione del valore medio da -39,04 dB a -53,19 dB, corrispondente a un miglioramento di 14,15 dB. Il peggior valore nella banda passa invece da -35,95 dB a -48,25 dB , con una riduzione pari a 12,30 dB. Entrambi i risultati superano pertanto la soglia stabilita. Il confronto del parametro S11 mostra inoltre che l’incremento dell’isolamento è accompagnato soltanto da variazioni contenute dell’adattamento d’impedenza.
Il lavoro evidenzia quindi la possibilità di integrare principi di funzionamento differenti all’interno di una soluzione unica, passiva e geometricamente compatibile con una configurazione multi-antenna. La metodologia proposta costituisce una base per il successivo approfondimento sperimentale e per l’eventuale adattamento della struttura ad altre frequenze operative, distanze tra gli elementi radianti e geometrie di piattaforma.