Progetto di un Dissipatore Termico Integrato ad un Sistema di Alimentazione d’Antenna VHTS Realizzato Tramite Fabbricazione Additiva = Design of an Heat Sink Integrated in a VHTS Antenna Feed Chain Fabricated through Additive Manufacturing

Le comunicazioni satellitari trovano impiego in un ampio spettro di applicazioni, tra le quali spiccano le comunicazioni civili e militari e la connessione a internet ad alta velocità. L’incremento della capacità di dati (con l’obiettivo di raggiungere i Terabit per secondo) si traduce in sistemi ad antenna singola e multifascio sempre più grandi e con un passo molto stretto, portando a diverse criticità legate alla loro realizzazione tramite processi di fabbricazione ordinaria. In questo ambito le tecniche di fabbricazione additiva o Additive Manufacturing (AM) hanno riscosso un successo straordinario come dimostra l’aumento esponenziale, nell'ultimo decennio, di lavori pubblicati nelle riviste specializzate dove ne sono analizzati e discussi i benefici nel campo dei sistemi a microonde per applicazioni satellitari. Tra questi spicca la maggior libertà di progettazione, stimolo al design e allo sviluppo di geometrie innovative, in grado di ridurne peso e costi, inizialmente di singoli componenti e poi di intere catene di alimentazione. Quando si va poi a considerare schiere di tali sistemi insorgono potenziali ulteriori problematiche quali la dissipazione di calore quando sono in gioco alte potenze. Lo studio in oggetto si colloca in questo contesto dal carattere fortemente multidisciplinare con l’obiettivo di studiare l’integrazione di un sistema di dissipazione di calore integrato ad una catena di alimentazione d’antenna per comunicazioni satellitari. Il sistema completo, che lavora in doppia banda (ovvero sia in ricezione, sia in trasmissione) e in doppia polarizzazione (per raddoppiare la capacità di canale) è progettato in modo da potersi realizzare monoblocco tramite il processo Laser Powder Bed Fusion, una tecnica di fabbricazione additiva basata sulla fusione di polveri metalliche con un laser ad alta potenza. Nella parte preliminare sono analizzati i sistemi di alimentazione d’antenna per comunicazioni satellitari, i loro trend e la progettazione di dissipatori di calore nel suo insieme. Ci si è concentrati, in particolare, sulle strategie di progettazione, e sull'impatto che l’Additive Manufacturing ha su queste tecnologie, analizzandone vantaggi e problematiche. Si procede poi all'analisi multifisica del sistema d’antenna completo, ma senza dissipatore, valutando quali siano le regioni maggiormente soggette a deformazioni meccaniche per riscaldamento elettromagnetico. È quindi mostrato il progetto, tenendo conto di una realizzazione integrata via AM, di tre possibili circuiti di dissipazione del calore e ne è valutato il migliore introducendo un’opportuna tabella di ranking che consideri tutti gli aspetti di interesse. Infine, sono riportate le analisi dettagliate di tale soluzione. Tutti i risultati mostrati sono stati ottenuti impiegando il software COMSOL multiphysics che si è dimostrato particolarmente adatto per modellare sistemi di interazione multifisica, data la necessità, nel presente studio, di simulare l’interazione tra domini elettromagnetici, meccanici, termici e fluidi.