SOLANT: STUDY AND DEVELOPMENT OF PLANAR ANTENNAS INTEGRATING SOLAR CELLS

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1 SOLANT: STUDY AND DEVELOPMENT OF PLANAR ANTENNAS INTEGRATING SOLAR CELLS PRÉSENTÉE À LA FACULTÉ SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR SECTION DIÉLECRTICITÉ ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES TECHNIQUES PAR Stefano VACCARO ingénieur électricien diplômé EPF de nationalité suisse et originaire d'lntragna (TI) acceptée sur proposition du jury: Prof. J. R. Mosig, directeur de thèse Prof. J.-J. Laurin, rapporteur Dr C. Mangenot, rapporteur Prof. R. Siegwart, rapporteur Lausanne, EPFL 2003

2 III Riassunto Da sempre, il costo del lancio e della messa in orbita di un satellite rappresenta un aspetto importante delle applicazioni satellitari: cib spiega come mai vengano compiuti innumerevoli sforzi per ridurre al minimo il peso e il volume dei satelliti lanciati in orbita. 11 lavoro di questa tesi presenta l'integrazione di pannelli solari e di antenne in un unico elemento, proponendosi di ridurre il peso e le dimensioni dei satelliti. Questo tipo d'integrazione è stato introdotto ne1 mondo scientifico e tecnologico ne grazie ad alcune prospezioni avveniristiche. Le prime pubblicazioni al riguardo presentavano la combinazione di antenne con pannelli solari commerciali interpretandoli perb come due elementi distinti le cui interazioni dovevano essere limitate al minimo. Invece, l'aspetto più innovativo della presente ricerca sta ne1 considerare le celle solari parte integrante dell'antenna e ne1 valorizzarne il suo design. Cio è possibile perché si è cercato un mode110 elettromagnetico di celle solari con il quale trattarle nei simulatori di antenne. In questo modo per la prima volta si sono potute realizzare antenne effettivamente integrate a pannelli solari. Inoltre, le ricerche sulle qualità elettromagnetiche delle celle solari ci hanno permesso di scoprire in esse caratteristiche inaspettate, suggerendoci il loro utilizzo come radiatore RF. Le ricerche presentate in questo lavoro sono corninciate con la realizzazione di una struttura semplicissima dove delle strisce di celle solari in silicio amorfo sono state direttamente incollate sulla superficie di un'antenna stampata. Infatti, le celle solari in silicio amorfo hanno il grande vantaggio di essere molto leggere e di poter essere realizzate in qualsiasi forma. Tuttavia, offrono un rendimento elettrico limitato. Questo primo esperimento ci ha poi suggerito la creazione di una schiera di antenne "patch" integrate con nove strisce di celle solari. Questa schiera raggiunge le sue massime prestazioni solo se combinata con le celle solari. L'integrazione tra i due elementi, antenna e celle solari, ci ha spinti a progettare un'altra antenna "patch nella quale le celle solari sono state usate direttamente come radiatori, i "patch" appunto. In questo modo, risulta impossibile separare la funzione di antenna e di cella solare dato che entrambe vengono realizzate da110 stesso elemento. In questa nuova fase sono state usate celle solari all'arsenuro di gallio, normalmente usate a bordo di satelliti. Tali celle offrono un maggiore rendimento elettrico rispetto alle celle al silicio amorfo. Visti i risultati positivi ottenuti con le antenne "patch", la ricerca si è spostata verso un'altra tecnologia di antenne: le antenne a fessura. Uno dei motivi per cui è stato scelto questo tipo di antenne, è che esso presenta una grande superficie metallica sulla quale le celle solari possono venire incollate O addirittura direttamente depositate. In questo modo è possibile ottenere un maggiore rendimento dalle celle solari. Il primo prototipo frutto di questa nuova tecnologia è un'antenna a fessura a polarizzazione lineare. La fessura necessaria alla radiazione dell'antenna è stata

3 aperta direttamente in una cella solare depositata su un substrat0 d'acciaio inox. Anche quest'integrazione tra antenna e celle solari pub essere considerata cornpleta, dato che il radiatore è cella stessa. Data la flessibilità del design delle antenne a fessura e delle celle solari usate, si è potuta realizza anche una schiera di antenne a fessura a polarizzazione circolare. Questa schiera di antenna è stata realizzata usando delle fessure a forma di Croce, eccitate da una linea "microstrip". Grazie all'utilizzazione di celle al silicio amorfo è stato possibile creare celle adattate esattamente alla forma delle fessure, coprendo cosi la maggior parte dell'antenna. L'ultima serie di antenne solari è stata sviluppata per essere applicata a un satellite esistente. Concretamente è stato scelto il satellite italiano MITA da cui sono state derivate le caratteristiche dell'antenna. Per dimostrare la flessibilità della tecnologia SOLANT, sono stati realizzati due prototipi, uno basato sulla tecnologia di celle al silicio amorfo, uno basato sulla tecnologia di celle all'arsenuro di gallio. Entrambi i prototipi sono composti da due diverse antenne a polarizzazione circolare, una con un fascio aperto, l'altra con un fascio più direzionale. Lo scopo di questa struttura a due antenne è di migliorare le capacità di trasmissione del satellite dandogli la possibilità di usufruire di un'antenna O dell'altra a seconda della situazione. Tutti e due questi prototipi hanno dimostrato la possibilità di realizzare antenne SOLANT che possano essere utilizzate in condizioni reali a bordo di un satellite.

4 Abstract The costs of a satellite launch have always represented an important part of a satellite budget. Therefore, many efforts are done to reduce the mass and the volume of satellite spacecrafts in order to reduce the satellite costs. This thesis presents the work realized to combine antennas and solar cells into a unique elements intended to the reduction of volume and mass satellites. The devices thus realized can be considered to be "solar antennas" or SOLANT. This type of integration has been firstly introduced in 1992 as prospect of new satellite technologies. Other publications have followed presenting the combination of commercial solar cells and antennas. Nevertheless, al1 these combinations were cantered on the same restrictive idea: to minimize the effects of the solar cells on the antenna. At the contrary, the main innovative aspect of this thesis is the fact of having considered the solar ce11 as a radiating part of the antenna and thus having included them into the antenna design. This has been essentially possible because, it has been found an electromagnetic mode1 for the solar cells. The development of SOLANT antennas has been started with the realization of a very simple structure where solar cells strips have been glued on printed patch antennas. This has represented the first and "safe" approach to the integration between antennas and solar cells. Basing on this approach an array of patch elements has been integrated with nine solar cells strips. The solar cells technology used has been the amorphous silicon one. Although showing a limited power efficiency, this type of solar cells can be manufactured in any shape and thus represent the best candidate for an integration with solar cells. Moreover, they are very light and flexible. The integration between antennas and solar cells has been carried a step further by the realization of a new patch antenna using solar cells directly as RF radiators. For this configuration, high efficiency Gallium Arsenide solar cells have been used. To our knowledge, this represents the maximum level of integration achievable, where the two functions, antenna and solar cells, are completely merged. After the positive results obtained with patch antennas, Our research has been oriented to another technology: slot antennas. This type of antenna offers a larger metallic surface where the solar cells can be glued or even directly deposed. The first prototype based on the slot technology has been a linearly polarized antenna. In this case, the radiating slot has been cut directly into a solar ce11 deposed on a stainless steel substrate. Here too, the integration between antenna and solar cells is total. Thanks to the design flexibility of the Amorphous Silicon solar cells and of the slot antennas, it has been possible to realize also a circularly polarized antenna array. The radiating elements of the array were crossed slots excited with a microstrip line. In this case, the solar cells have been manufactured to fit exactly the slot shape, covering thus most of the antenna surface.

5 The last series of antenna developed has been applied to an existing satellite mission. Practically, the Italian satellite MITA has been chosen. In order to demonstrate the flexibility of the SOLANT technology, two different prototypes have been manufactured, one based on the Amorphous Silicon and one based on the Gallium Arsenide solar cells technology. Two antennas with different beams, a wide beam and a directive beam, compose both the prototypes. The goal of this structure is to improve the transmission capabilities of the satellite by choosing the type of antenna depending on the situation. Both the realized prototypes have demonstrated the applicability of the SOLANT technology to a real satellite mission.

6 Contents CHAPTER 1 INTRODUCTION GENERALITIES AND OBJECTIVES SOLANT IN SATELLITE APPLICATIONS APPLICATION OF SOLANT SATELLITE MISSIONS DESCRIPTION AND ORGANIZATION OF THE WORK ORIGINAL CONTR~BUTIONS REFERENCES CHAPTER 2 SATELLITE ANTENNAS BANDS ORBITS GE0 orbits Non GE0 orbits COVERAGE INTRODUCTION 2.2 F~EQUENCY 2.3 SATELLITE 2.4 EARTH Analytical approximation of Earth coverage ANTENNA SIZE ANTENNA SIZE AND SOLANT SIZE CONCLUSION REFERENCES CHAPTER 3 CIRCULAR POLARIZATION INTRODUCTION 3.2 CIRCULAR POLARIZATION IN SPACE TELECOMMUNICATIONS LINEAR. CIRCULAR AND ELLIPTICAL POLARIZATION (LP. CP. EP) [3]. [4] POLARIZED ANTENNAS Helical antennas Circularly polarized Patch ROTATION CIRCULARLY 3.5 SEQUENTIAL Sequential rotation of linearly polarized elements Sequential rotation of circularly polarized elements POLARIZED ARRAYS Circularly polarized crossed slot CIRCULARLY 3.7 CONCLUSIONS 3.8 REFERENCES 56 CHAPTER 4 SOLAR CELLS TECHNOLOGIES INTRODUCTION 4.2 AMORPHOUS SILICON SOLAR CELLS GALLIUM ARSENIDE SOLAR CELLS SOLAR CELLS MODELLISATION Introduction Global mode Transmission measurements Results for the Arnorphous Silicon Solar cells... 65

7 Results for the GaAs Solar cells COMPARISON OF PATCHES Measurements of the Amorphous silicon solar cells solar cells Measurements of the Gallium Arsenide solar cells ELECTROMAGNETIC MODEL OF AMORPHOUS SILICON AND GALLIUM ARSENIDE SOLAR CELLS INCLUDING SOLAR CELLS IN ELECTROMAGNETIC ANTENNA MODELLING TOOLS REFERENCES 77 CHAPTER 5 ANTENNAS FOR INTEGRATION WITH SOLAR CELLS INTRODUCTION 5.2 PATCH ANTENNAS Introduction SSFIP antenna for integration with solar cells SSFIP based subarray Conclusions about patch based antennas for integration with solar cells ANTENNAS FOR INTEGRATION WITH SOLAR CELLS Introduction SLOT Introduction Slot antennas excitation Linearly polarized slot antenna Circularly polarized slot antenna Multi slot circularly polarized antenna Multi slot circularly polarized antenna with external Wilkinson divider Final Multi slot circularly polarized antenna Multi dot circularly polarized antenna with Q-hybrid divider Sequential rotation of rnulti slot circularly polarized antennas Conclusions about slot antennas COPLANAR WAVEGUIDE FED SLOT ANTENNAS CPW inductively coupled slot antenna Modified design WIRE GRID ANTENNA Introduction Wire grid antennas Honeycomb wire antenna CONCLUSIONS REFERENCES CHAPTER 6 SOLAR ANTENNAS SOLANTS INTRODUCTION PATCH BASED SOLANT: SOLAR CELLS AS PARASïTIC RESONATORS [l][2] [3] Introduction Elementary building block (SOLANT 1x2) SOLANT2x4array BASED SOLANT: SOLAR PATCH CELLS USED AS RADIATOR [8] [9] 132

8 6.3.1 The solar ce11 technology Antenna realzzatlon Measurements of the antenna SLOT BASED SOLAR ANTENNAS: LLNEARLY POLARIZED SOLAR ANTENNA WITH INTEGRATED SOLAR CELLS [Il] Antenna description SLOT BASED SOLANT: CIRCULARLY POLARIZED CROSSED SLOT SOLANT [12][13] Up Down-link low gain antenna Down link high gain antenna GaAs based SOLANT antenna for MITA platfom x4 elernents array with conical beam and single CP antenna integrating solar cells for MITA platform Circularly polarized crossed slot SOLANT element SOLANT 6x1 beam tilted slot array SOLANT ANTENNAS APPLIED TO A SATELLITE MISSION [ Introduction Antenna structure Amorphous siiicon (a-si:h) thin film solar ce11 technology Antenna structure CONCLUSION CHAPTER 7 GENERAL CONCLUSIONS CURRICULUM VITAE PUBLICATIONS