Date of Award

6-2025

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Space Science (MSSS)

Department

Physics

First Advisor

Dr. AbdulHalim Jallad

Second Advisor

Prof. Adriano Camps

Abstract

This project presents the development of a deployable Synthetic Aperture Radar (SAR) antenna designed for a 16U CubeSat platform. The primary challenge in SAR satellite design lies in the need for large antennas to achieve high-resolution imaging, which traditionally results in increased satellite size and cost. To address this, the proposed solution employs a scalable 4 × 21 patch antenna array operating at 1.275 GHz, fabricated on a flexible Polyimide-based Printed Circuit Board (PCB). This flexible PCB allows the antenna to safely roll during deployment, avoiding damage and facilitating compact storage. However, Polyimide poses challenges due to higher losses and suboptimal performance as compared to rigid microwave substrates such as Rogers [1]. The design incorporates a quarter-wave impedance transformer for effective matching and carefully calculated element spacing to preserve radiation pattern integrity.

The mechanical design ensures that the rolled antenna fits within half of the 16U CubeSat volume (a 16-unit CubeSat, approximately 40 × 20 × 20 cm³), which was done considering the bending properties of the PCB. Prior research of DERAC-SAR has proven that the bending of the patch array will maintain the integrity of the rolled sheet, and it will not have any impact in terms of the torque produced during the satellite flight [2]. With all these considerations, the final design was completed for the rolled patch antenna array and the deployed antenna array with a final length of 4 m.

Initial CST simulations of 4 × 4 antenna configurations demonstrated promising electromagnetic performance, achieving a bandwidth of 18 MHz, a return loss (S11) of -22 dB, and a gain of 13 dBi at 1.275 GHz. A prototype has been successfully fabricated, validating the feasibility of the design. However, the validation results were not as expected, and challenges were faced with the fabricated antenna. Hence, future work will focus on addressing these fabrication issues and on scaling up the antenna array to meet the demanding performance requirements. The flexible and scalable architecture of the antenna system allows for increased array size without compromising the compact form factor of the CubeSat.

This innovative approach has the potential to reduce satellite size and cost while maintaining or improving SAR imaging performance, offering a viable and cost-effective solution for various spaceborne radar applications. The integration of flexible materials and advanced impedance matching techniques underscores the project's contribution to the evolving field of small satellite SAR systems, offering a practical and scalable solution for enhanced Earth Observation capabilities.

Arabic Abstract

تصميم أنظمة هوائي قابلة للالتفاف لتطبيقات الأقمار الصناعية

يركز هذا المشروع على تطوير هوائي (SAR) القابل للانتشار، والمصمم خصيصًا لمنصة مكعب سات بحجم 16 وحدة. يتمثل التحدي الرئيسي في تصميم الأقمار الصناعية للرادار في الحاجة إلى هوائيات كبيرة لتحقيق تصوير عالي الجودة وبدقة عالية، مما يؤدي تقليديًا إلى زيادة حجم القمر الصناعي وتكلفته. للتغلب على هذا التحدي، يعتمد الحل المقترح على مصفوفة هوائيات قابلة للتوسيع بمقاس 4 × 21 تعمل بتردد 1.275 جيجاهرتز. الابتكار الرئيسي في هذا المشروع يتمثل في دمج الهوائي داخل لوحة دوائر مطبوعة (PCB) مرنة مصنوعة من البولي - إميد. تتيح هذه اللوحة المرنة للهوائي الانطواء بأمان أثناء عملية الفتح، مما يجنب حدوث أي ضرر ويسهل تخزينه بشكل مضغوط. ومع ذلك، يطرح البوليميد تحديات نتيجة لفقدان الإشارة العالي والأداء الأقل مقارنةً بالمواد الصلبة الخاصة بالترددات الدقيقة مثل مادة روجيرز [1] . تضمن التصميم محوّل معاوقة بطول ربع طول الموجة لتحقيق تطابق فعال، بالإضافة إلى توزيع مدروس للعناصر بهدف الحفاظ على نمط الإشعاع .

يضمن التصميم الميكانيكي أن يتم لف الهوائي بحيث يتناسب مع نصف حجم قمر مكعب سات بحجم U16 )تقريبًا 40 × 20 × 20 س م ³(، وذلك بعد أخذ خصائص انحناء اللوح في الاعتبار. وقد أثبتت الأبحاث السابقة حول نظام DERAC-SAR أن انحناء مصفوفة الرقع سيحافظ على سلامة الهوائي الملفوف، ولن يؤثر على العزم الناتج أثناء طيران القمر الصناعي [2] . بناءً على كل هذه الاعتبارات، تم الانتهاء من التصميم النهائي لمصفوفة الهوائي الملفوفة والمصفوفة المنتشرة بطول نهائي يبلغ 4 أمتار.

أظهرت المحاكاة الأولية باستخدام برنامج CST لمصفوفة هوائيات 4 × 4 أداءً كهرومغناطيسيًا واعدًا، حيث تم تحقيق عرض نطاق ترددي يبلغ 18 ميغاهرتز، وخسارة عكسية ( 11(S بمقدار - 22 ديسيبل، وكسب قدره 13 ديسيبل عند تردد 1.275 غيغاهرتز. وقد تم بنجاح تصنيع نموذج أولي، مما يؤكد جدوى التصميم. ومع ذلك، لم تكن نتائج التحقق كما هو متوقع، وواجه المشروع تحديات تتعلق بالهوائي المصنع. لذلك، سيركز العمل المستقبلي على معالجة مشكلات التصنيع هذه وتوسيع نطاق المصفوفة الهوائية لتلبية متطلبات الأداء العالية .

تتيح البنية المرنة والقابلة للتوسع لنظام الهوائي زيادة حجم المصفوفة دون التأثير على الشكل المدمج لقمر مكعب سات. ويُعد هذا النهج المبتكر وسيلة فعالة من حيث التكلفة لتقليل حجم القمر الصناعي وتكلفته، مع الحفاظ على أداء التصوير بالرادار أو تحسينه، مما يوفر حلاً عمليًا ومجديًا لمجموعة متنوعة من تطبيقات الرادار الفضائي. كما تُبرز عملية دمج المواد المرنة وتقنيات مطابقة ال معاوقة المتقدمة إسهام هذا المشروع في تطوير أنظمة رادار SAR للأقمار الصغيرة، وتقديم حل عملي وقابل للتوسع لتعزيز قدرات رصد الأرض.

Download

Included in

Physics Commons

COinS