Sistemi ricetrasmettitori ad alta frequenza per piccoli satelliti, dalla banda Ka alla banda Q/V

This thesis addresses the design, prototyping, and evaluation of a Q/V–band satellite front–end for small spacecraft that supports two operating modes: a transparent (bent–pipe) frequency conversion payload and a regenerative transceiver when attached to commercial modems or software–defined radios (SDRs). Motivated by the migration of feeder links toward Q/V band for capacity scaling, this thesis addresses a lack of publicly documented regenerative prototypes at these frequencies, proposing a device–first, modular methodology intended to maximize reproducibility in academia and early–stage industry. A superheterodyne architecture with a common intermediate frequency (IF) of 5.7 GHz is developed to cover Q band downlink (37.5–42.5 GHz) and V–band uplink (47.2–52.4 GHz). Breadboarding and measurements validate the main subsections; behavioural models (AM/AM, AM/PM, phase noise) and waveform–level simulations quantify constellation impairment and symbol error rates versus SNR, determining output–back–off choices. A link–budget study with the synthesized front-end (FE) parameters illustrates clear–sky margins and the sensitivity to propagation fades showing how multi-Gigabit links can be achieved with considerable margin. The activities were partially founded by PICOSATS S.r.l. (Trieste, Italy) and all measurements took place in their laboratories. The results demonstrate that Q/V–band front–ends for small satellites can be reliably realized with commercial off–the–shelf components at low cost and short lead time while enabling regenerative experiments with SDRs/modems that remain under–represented in the open literature. The thesis contributes a practical hardware platform and a repeatable methodology for research at millimetre–wave.

Questa tesi affronta la progettazione, la prototipazione e la valutazione di un front–end satellitare in banda Q/V per piccoli satelliti, capace di operare in due modalità: come payload trasparente (bent–pipe) a sola conversione di frequenza e come ricetrasmettitore rigenerativo da collegare a modem commerciali o a software defined radio (SDR). Spinta dalla migrazione dei feeder link verso la banda Q/V per aumentare la capacità, questa tesi colma la scarsità di prototipi rigenerativi documentati in pubblicazioni scientifiche a tali frequenze, proponendo una metodologia modulare basta interamente su componenti commerical off-the-shelf (COTS) pensata per massimizzare la riproducibilità in ambito accademico e nelle fasi iniziali dell’industrializzazione. È stata sviluppata un’architettura supereterodina con una frequenza intermedia (IF) comune di 5.7 GHz che copre downlink in banda Q (37.5 – 42.5 GHz) e uplink in banda V (47.2–52.4 GHz). Vengono presentate prove su breadboard e misure che validano le principali sottosezioni; attraverso modelli comportamentali (AM/AM, AM/PM, rumore di fase) e simulazioni a livello di forma d’onda viene valutato il degrado delle costellazioni e il tasso di errore di simbolo in funzione del rapporto segnale–rumore, determinando le scelte di output back–off. Viene presentato inoltre uno studio di link budget, basato sui parametri del FE progettato, che mette in evidenza i margini in cielo sereno e la sensibilità alle attenuazioni di propagazione, mostrando come collegamenti multi–gigabit siano ottenibili con margini considerevoli. Le attività sono state parzialmente finanziate da PICOSATS S.r.l. (Trieste, Italia) e si sono interamente svolte presso i loro laboratori. I risultati dimostrano che front–end in banda Q/V per piccoli satelliti possono essere realizzati in modo credibile con componenti commerciali off–the–shelf, a basso costo e con tempi ridotti, abilitando al contempo esperimenti rigenerativi con SDR/modem ancora poco rappresentati nella letteratura accademica. La tesi fornisce una piattaforma hardware pratica e una metodologia ripetibile per la ricerca alle onde millimetriche.