Feed coassiale a doppia frequenza banda P/L

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Samuele Pellegrino
7 anni fa
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1 Nota Tecnica Feed coassiale a doppia frequenza banda P/L Autore: Renzo Nesti Introduzione Il presente documento illustra uno studio preliminare di fattibilità per un dual-feed coassiale a doppia frequenza per coprire le bande P (3-42MHz) e L ( GHz). La presente nota tecnica segue un precedente studio introduttivo di cui al documento srt_l_1.doc del 1/24. Tale dispositivo composito prevede un feed circolare operante in banda L, utilizzato anche come anima per un feed coassiale posizionato esternamente ad esso ed operante in banda P. Sulla base di alcuni studi effettuati nell ambito di una tesi di Laurea in Ingegneria Elettronica ( Progetto di un feed circolare per il Sardinia Radio Telescope SRT, Nicola Palazzi, Gennaio 25), a cui rimandiamo per ulteriori dettagli, si è assunto un raggio interno per il feed in banda L di 95mm. Nel presente lavoro gli sforzi maggiori sono stati fatti per ottimizzare le prestazioni del feed coassiale in banda P, avendo questo effetti secondari sulle prestazioni del feed circolare in banda L. Il fatto di dover ridurre gli ingombri della struttura entro 1 metro cubo di spazio ha implicato una procedura di progetto non standard che non separasse l aspetto radiativo da quello di adattamento e di alimentazione-prelievo, assunta in coassiale. Questo perché lo spazio ridotto fra regione di prelievo e l apertura radiante aumenta l influenza della prima sulla distribuzione del campo di apertura. Modello elettromagnetico Il modello elettromagnetico del feed, mostrato in Fig. 1, è stato sviluppato nell ambente software HFSS della Ansoft, basato sul metodo degli elementi finiti ed utilizzato poi nelle simulazioni.

2 Ragionando in termini di trasmissione si possono notare due probes coassiali (out of phase coaxial probes) che hanno il compito di eccitare nel feed vero e proprio in banda P il modo fondamentale d antenna, che in questo caso è il TE 11. Fig. 1: Modello elettromagnetico del feed a doppia frequenza nelle bande P e L Le dimensioni del feed coassiale sono state scelte sulla base di: a) vincoli meccanici di spazio; b) dimensione del feed circolare in banda L di 95mm; c) banda di interesse unimodale (TE 11 ) a parte il TEM non eccitato. Sulla base dei precedenti vincoli è stata scelta una luce coassiale che prevede un raggio interno di 115mm ed un raggio esterno di 323mm che fornisce lo spettro modale seguente: Ordine Modo Frequenza di Cut-off (MHz) 1 TEM 2 TE TE TE TM TE 1 e TM

3 Nel modello è evidenziato l ingombro (L=6mm, D84mm), l apertura circolare e coassiale. La parte indicata con radiation boundary è necessaria solo nel modello elettromagnetico e non ha nessuna corrispondenza meccanica. Per ottimizzare le prestazioni sono presenti una slot sulla apertura nella parete metallica di separazione fra le guide in banda P e L e tre slot sulla flangia del feed. Tale modello elettromagnetico fornisce buona accuratezza in termini di return loss e diagramma di radiazione. Return loss, e diagramma di radiazione La struttura coassiale è stata ottimizzata in termini di return loss per la frequenza centrale di 35MHz. In Fig. 2 è riportato il grafico del return loss a ciascuno dei due ingressi coassiale di alimentazione (supposti alimentati in controfase). -5 S 11 [db] Frequency [GHz] Fig. 2: Coefficiente di riflessione a ciascuna delle due porte coassiali (supposte alimentate in controfase). Il return loss in banda P si può probabilmente ottimizzare ulteriormente complicando leggermente la struttura coassiale senza aumentare sensibilmente l occupazione di spazio. Le prestazioni in banda L sono riportate in Fig. 3. Nella curva blue (circoletti) è riportato il coefficiente di riflessione mentre nella curva rossa (crocette) è riportato l accoppiamento porta circolare porta coassiale (out of phase). Il return loss del banda L può essere migliorato in bassa frequenza allargando la struttura, quindi pagando in termini di occupazione di spazio e di sottoilluminazione del primario. In Fig. 4 è riportato il diagramma di illuminazione del feed in banda P alla frequenza di 35MHz (eccitazione coassiale) che mostra una discreta simmetria. In Fig. 5 è riportato il diagramma di radiazione del feed in banda L alla frequenza di 1.4GHz (eccitazione circolare).

4 -5-1 Reflection Coupling Ref:srt_P-L_1_5.doc -2 S[dB] Frequency [GHz] Fig. 3: Coefficiente di riflessione alla porta circolare e coefficiente di accoppiamento porta circolare - porta coassiali (out of phase). -5 Gain=8.79dBi H-plane 45 -plane E-plane Gain [db] Fig. 4: Diagramma di illuminazione del feed in banda P a 35MHz

5 Gain [db] Gain=1.75dBi H-plane 45 -plane E-plane Ref:srt_P-L_1_5.doc Fig. 5: Diagramma di illuminazione del feed in banda L a 1.4GHz Accoppiamento feed primario I dati del feed ottenuti con le simulazioni basate su HFSS della Ansoft sono state utilizzate per valutare le prestazioni in termini di beam in cielo mediante il software Grasp di Ticra, basato sul metodo di Ottica Fisica, sulla base del modello in Fig. 6. Fig. 6: Modello elettromagnetico dell accoppiamento dual-frequency feed primario SRT.

6 In Fig. 7 si riporta il grafico del diagramma di radiazione del primario illuminato dal feed con alimentazione in banda P a 365MHz. Si evidenzia un guadagno di 45.52dBi (efficienza di 59.2%) ed un livello di cross-polare di dB. 5 Gain=45.52dBi H-plane Cp 45 E-plane Cp plane Xp 35 Gain [dbi] Fig. 7: Pattern del primario di SRT illuminato dal dual-frequency feed alla frequenza di 365MHz. In Fig. 8 si riporta il grafico del diagramma di radiazione del primario illuminato dal feed con alimentazione in banda L a 1.4GHz. Si evidenzia un guadagno di 58.36dBi (efficienza di 77.86%) ed un livello di cross-polare di dB. Gain [dbi] Gain=58.36dBi H-plane Cp E-plane Cp 45 -plane Xp Fig. 8: Pattern del primario di SRT illuminato dal dual-frequency feed alla frequenza di 1.4GHz.

7 Di seguito si riporta una tabella con i dati riassuntivi delle simulazioni Freq. Feed Gain Cross feed Primary Gain Illumination Efficiency Cross beam in cielo (MHz) (dbi) (db) (dbi) % (db)

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