Analysis and optimization of ESA deep-space antennas optics

In modern day space applications a highly reliable and consolidated communication link between satellites, probes and deep space spacecrafts is attainable thanks to a series of ground station antennas. Such ground stations are based on the concept of beam-waveguide (BWG) systems, capable of exchanging information utilizing a multitude of frequency bands. These antennas rely on a double reflector system arrangement, in which, in order to obtain proper performances, a shaped geometry of the surfaces is implemented. In this thesis is proposed a way to improve such performances, mainly in terms of better antenna efficiency, by acting on the shape of main and sub reflectors of ESA deep-space antennas DSA3 and DSA4 and by varying, only on the latter antenna system, the focal length of the large M5 elliptical mirror, although maintaining the collimated foci. Indeed, specifically for DSA4, a more refined solution will be implemented, with respect to the one already considered for the project future implementation that presents optical misalignments. On this subject Ticra's GRASP is the software implemented to carry out all the physical optics (PO) analysis along with a Matlab script used to generate the new shape of the reflectors. Additionally a study on the impact of supporting struts of deep-space antennas is carried out, considering different geometries and diameter dimensions, by showing how bounces of the EM wave on this elements can impact on the achieved results.

Nelle moderne applicazioni spaziali, un collegamento altamente affidabile tra satelliti, sonde e navicelle spaziali profonde è ottenibile grazie a una serie di antenne di stazione a terra. Tali stazioni di terra si basano sul concetto di sistemi beam-waveguide (BWG), in grado di scambiare informazioni utilizzando una moltitudine di bande di frequenza. Queste antenne si basano su un sistema a doppio riflettore, in cui, per ottenere prestazioni adeguate, viene implementata una geometria sagomata delle superfici. In questa tesi viene proposto un modo per migliorare tali prestazioni, soprattutto in termini di migliore efficienza dell'antenna, agendo sulla forma dei riflettori principali e secondari delle antenne deep-space DSA3 e DSA4 dell'ESA e variando, solo per quest'ultimo sistema di antenne, la lunghezza focale del grande specchio ellittico M5, pur mantenendo i fuochi collimati. Infatti, proprio per DSA4, verrà implementata una soluzione più raffinata rispetto a quella già considerata per la futura implementazione del progetto che presenta disallineamenti ottici. A questo proposito GRASP di Ticra è il software implementato per effettuare tutte le analisi di ottica fisica (PO) insieme a uno script Matlab utilizzato per generare un nuovo shaping. Inoltre, viene effettuato uno studio sull'impatto degli stralli di supporto delle antenne deep-space, considerando diverse geometrie e dimensioni del diametro, mostrando come i rimbalzi dell'onda EM su questi elementi possano influire sui risultati ottenuti.