Development of Electromagnetic Codes to Analyze and Optimize Satellite Propulsion Systems and Communication Antennas

Satellite communication systems have demonstrated their essential role providing timely services for disaster management in a variety of distress situations. Their effectiveness requires high mapping and pointing accuracy in terms of displacement capability, and high gain, high bandwidth, directional, and reconfigurable antennas in terms of communication capability. A Helicon plasma thruster, and an enhanced communication system meet the aforementioned requirements. The former is an electric plasma-based propulsion system that provides an high accuracy attitude control, while the latter could be either an optimized state-of-the-art antenna or an innovative concept based on plasma antennas. In this research work, several computationally efficient codes have been developed to analyze, design and optimize the helicon plasma thruster, and the antenna for an enhanced communication system. The present work progresses starting from the definition of the requisites, and continues to describe the innovative numerical methods: the SPIREs finite-difference frequency-domain electromagnetic solver for magnetized plasma cylinders; the WAVEQM equilibrium condition solver for radiofrequency heated plasmas; the PARTYWAVE particle in cell code for cylindrical geometries, and the Moment Method for antenna design. Their numerical accuracy has been verified, and they have been validated against physical cases.

Gli apparati di comunicazione satellitare hanno dimostrato un ruolo essenziale nel fornire supporto tempestivo nella gestione di situazioni di emergenza. La loro efficacia richiede elevate precisioni di mappatura e di puntamento riferite al controllo d'assetto, mentre richiedono antenne con elevato guadagno, larghezza di banda e riconfigurabili in riferimento alle comunicazioni. Un propulsore elettrico al plasma di tipo Helicon è in grado di soddisfare i requisiti di mappatura e puntamento garantendo un controllo d'assetto di estrema precisione, mentre i requisiti pertinenti al sistema di comunicazione possono essere soddisfatti da una versione ottimizzata delle attuali antenne, o da una antenna innovativa basata sulle antenne al plasma. In questo lavoro di ricerca sono stati sviluppati diversi codici, computazionalmente efficienti, pensati come strumenti di analisi, progettazione e ottimizzazione per propulsori al plasma Helicon e per sistemi di comunicazione avanzati. Il lavoro presentato in questo documento progredisce dalla definizione dei requisiti fino ad una descrizione dettagliata dei singoli codici: SPIREs un solutore elettromagnetico nel dominio della frequenza per plasmi magnetizzati, WAVEQM un solutore delle condizioni di equilibrio per sorgenti di plasmi in radiofrequenza, il codice particellare PARTYWAVE, e un codice per la progettazione di antenne basato sul Metodo dei Momenti. L'accuratezza numerica dei singoli codici è stata verificata, ed essi sono stati validati con test significativi da un punto di vista fisico.