Design of GNSS Antennas for Underwater ROVs

Abstract

Utviklingen av fjernstyrte undervannsfartøy har revolusjonert mange bransjer ved å muliggjøre utforskning, inspeksjon og datainnsamling i miljøer som tidligere var utilgjengelige. For å ytterligere forbedre deres kapasiteter er presis posisjonering og navigasjon avgjørende.

For å møte dette behovet utforsker denne oppgaven utviklingen og optimaliseringen av vanntette antenner for globale navigasjonssatellitt-systemer, designet for bruk på fjernstyrte undervannsfartøy ved vannoverflaten. To ulike patch-antenner med ulike fordeler og ulemper er designet, bygget og testet. For å muliggjøre presise simuleringer ble det utført nøyaktige målinger av permittivitet og dielektrisk tap av diverse materialer.

Det første antennedesignet, referert til som FR4-antennen, er designet på et klassisk kretskort med FR-4 som substrat. Dens ytelse samsvarer godt med simuleringene og tester viser utmerket ytelse i felt. FR4-antennen er relativt enkel å konstruere, men den har lav effektivitet på rundt 31%. Antennens totale diameter er 98,00 mm og høyden er 10,60 mm.

Det andre designet, referert til som den keramiske antennen, har en 5 mm tykk keramisk plate som substrat, noe som tillater en mindre patch-størrelse og en effektivitet på opp mot 86%. Selv om den keramiske antennen presterte litt bedre i felt sammenlignet med FR4-antennen, var konstruksjonen mer utfordrende og utsatt for flere feilkilder. Dette førte til en utilsiktet forskyvning i resonansfrekvensen. Den keramiske antennen har en total diameter på 90,00 mm og en høyde på 14,15 mm.

Disse designene ble sammenlignet med en kommersiell <<dual feed>>-antenne fra Taoglas, som originalt sett er designet og optimalisert for bruk i luft, men som ble innkapslet for å gjøres vanntett. Denne antennen er mindre på grunn av et mindre jordplan. Antennens dimensjoner er 36,00 mm i lengde og bredde, og 16,00 mm i høyde. Det mindre jordplanet gjør antennen mer utsatt for flerveisinterferens, noe som resulterte i et posisjonsavvik på over 10 meter i havnetester, sammenlignet med omtrent 50 cm for FR4-antennen og den keramiske antennen. Vedrørende bærer-til-støy-forhold, som måler mottatt signalstyrke, overgikk FR4-antennen og den keramiske antennen klart den kommersielle antennen i felttestene.

The development of underwater remotely operated vehicles has revolutionized numerous industries by enabling exploration, inspection, and data collection in environments that were previously inaccessible. To further enhance their capabilities, precise positioning and navigation are essential.

To address this need, this thesis explores the development and optimization of waterproof antennas for global navigation satellite systems, specifically designed for use on remotely operated vehicles at the water surface. Two different microstrip patch antenna designs having different advantages and disadvantages are designed, constructed and tested. To enable precise simulations, accurate measurements of permittivity and dielectric loss of various materials were taken.

The first antenna design, referred to as the FR4 antenna, is designed on a typical printed circuit board with FR-4 as substrate. Its performance closely matches simulations and tests showed excellent field performance. The FR4 antenna is relatively simple to construct, but has an efficiency of about 31%. The total diameter of the antenna is 98.00 mm and the height is 10.60 mm.

The second design, referred to as the ceramic antenna, has a 5 mm thick ceramic plate as substrate, allowing a smaller patch size and an efficiency of up to 86%. Although the ceramic antenna performed slightly better in the field compared to the FR4 antenna, its construction was more challenging and susceptible to several sources of error. This led to an unintended shift in the resonance frequency. The ceramic antenna has a total diameter of 90.00 mm and a height of 14.15 mm.

These designs were compared with a commercially available dual feed antenna from Taoglas, which is originally designed and tuned for use in air, but was encapsulated for waterproofing. This antenna is smaller due to having a smaller ground plane. The total dimensions of the antenna are 36.00 mm in length and width, and 16.00 mm in height. The smaller ground plane makes the antenna more susceptible to multipath interference, resulting in a positional deviation of over 10 meters in harbor tests, compared to about 50 cm for the FR4 and ceramic antennas. In terms of carrier-to-noise ratio, measuring received signal power, the FR4 and ceramic antenna outperformed the commercial antenna in the field tests.