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Maximum Efficiency Arrays for WPT

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Academic year: 2021

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(1)

UNIVERSITY

OF TRENTO

DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA E SCIENZA DELL’INFORMAZIONE

38123 Povo – Trento (Italy), Via Sommarive 14

http://www.disi.unitn.it

MAXIMUM EFFICIENCY ARRAYS FOR WPT

L. Poli, G. Oliveri, and A. Massa

June 2013

(2)
(3)

Goal: Cal olo dei pesi ottimi di un array planaread apertura quadrata per la sintesi di un pattern onmassima'beameffi ien y' datol'intervalloangolaredidefinizionedellobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:10

NumeroElementi AsseY:10

NumeroTotaleElementi: 100

NumeroTotaleElementiAttivi: 100

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Quadrata

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.1

(4)

BCE:61,73%

PSL:14.64dB

FNBWu0: 0.22045

FNBWv0: 0.22045 (a) (b) ( )

Figure 1(a)(b)RadiationPattern-PlanarSlepianArray(10x10).

(5)

Questaprimasimulazionefornis edeirisultatiabbastanzas arsiinquantoabbiamoottenutounaBeam Colle tionE ien ymoltobassaeunvalorediPeakSidelobeLevelabbastanzaalto. Infattian hedalle guresipuònotare omelapotenza nonsiasolamente on entratanelloboprin ipale,masidisperda pare hioan he neilobi se ondari. Dal gra orelativoalla distribuzione deipesisi puònotare ome essisiano posizionatibene all'interno dell'arraye i pesi onvalore maggiore sono sistemati al entro perottenereunamaggiorpotenza inquellazona ome onfermatoan hedaigra irelativialpattern.

(6)

Goal: Cal olo dei pesi ottimi di un array planaread apertura quadrata per la sintesi di un pattern onmassima'beameffi ien y' datol'intervalloangolaredidefinizionedellobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:10

NumeroElementi AsseY:10

NumeroTotaleElementi: 100

NumeroTotaleElementiAttivi: 100

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Quadrata

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.2

(7)

BCE:96,45%

PSL:10.75dB

FNBWu0: 0.2695

FNBWv0: 0.2695 (a) (b) ( )

Figure2(a)(b) RadiationPattern- PlanarSlepianArray(10x10).

(8)

Andandoavariaredipo ol'intervalloanolaresipuònotareunde isoin rementodelleprestazioni. La BCEsuperaabbondantemente il 90%equesto èunfattore più he positivo. An heil livello dei lobi se ondaridiminuis e,an heseèan oraabbastanzaelevato. I pesisono distribuitibene,sipuònotare ome la on entrazione nella zona entrale sia meglio delimitato rispetto al aso pre edente. Tutto questo ipermettediottenere unaBCEeunPSLde isamente migliori.

(9)

Goal: Cal olo dei pesi ottimi di un array planaread apertura quadrata per la sintesi di un pattern onmassima'beameffi ien y' datol'intervalloangolaredidefinizionedellobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:10

NumeroElementi AsseY:10

NumeroTotaleElementi: 100

NumeroTotaleElementiAttivi: 100

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Quadrata

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.4

(10)

BCE:99,90%

PSL:8.14dB

FNBWu0: 0.3359

FNBWv0: 0.3359 (a) (b) ( )

Figure 3(a)(b)RadiationPattern-PlanarSlepianArray(10x10).

(11)

Avendo raddoppiado l'intervallo angolare rispetto al aso pre edente i si aspettava un netto in re-mentodelleprestazioni,soprattuttointermini diPSLinquantolaBeamColle tionE ien yeragià de isamente molto elevata. Infatti, si può notare ome il livello dei lobi se ondari sia ulteriormente diminuito,elaBCEharaggiunto presso hèil massimo. Comenei asipre edentiil valoredeiFNBW sonoidenti i. Distribuzionedeipesimoltobuona.

(12)

Goal: Cal olo dei pesi ottimi di un array planaread apertura quadrata per la sintesi di un pattern onmassima'beameffi ien y' datol'intervalloangolaredidefinizionedellobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:15

NumeroElementi AsseY:15

NumeroTotaleElementi: 225

NumeroTotaleElementiAttivi: 225

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Quadrata

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.0.75

(13)

BCE:68,85%

PSL:23.00dB

FNBWu0: 0.1494

FNBWv0: 0.1494 (a) (b) ( )

Figure 4(a)(b)RadiationPattern-PlanarSlepianArray(15x15).

(14)

Inquestasimulazionesonostatis eltimoltipiùelementi(piùdeldoppio)edèstatoristrettol'intervallo angolarerispettoai asipre edenti. Irisultatiottenutidaunpuntodivista onfermanoleaspettative, ioèavereunloboprin ipaledi formapiùristretta onuna BCEnonelevatissima,daunaltropunto di vista però, abbiamo ottenuto dei risultati quasi inaspettati, infatti il livello dei lobi se ondari è de isamentepiùelevatorispettoaqualsiasialtrasimulazione. Inquestotest aseilgra orelativoalla distribuzionedeipesimetteinlu eunadistribuzionenonmoltobuona,questoè onfermatoan hedai risultatinumeri iri avati.

(15)

Goal: Cal olo dei pesi ottimi di un array planaread apertura quadrata per la sintesi di un pattern onmassima'beameffi ien y' datol'intervalloangolaredidefinizionedellobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:15

NumeroElementi AsseY:15

NumeroTotaleElementi: 225

NumeroTotaleElementiAttivi: 225

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Quadrata

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.15

(16)

BCE:98.10%

PSL:9.88dB

FNBWu0: 0.1911

FNBWv0: 0.1911 (a) (b) ( )

Figure 5(a)(b)RadiationPattern-PlanarSlepianArray(15x15).

(17)

Questo asetesthafornitoun'interessantein rementodelleprestazioniinquantolaBCEèaumentata di20dBeillivellodeilobise ondarièquasilametàrispettoallasimulazionepre edente onlostesso numerodielementima onunintervalloangolaresuperiore. An heinquestaprovailvaloredeiFNBW èuguale. Ladistribuzionedei pesièsi uramentemiglioratarispettoall'ultima simulazione,in quanto sipuò notare omala zona entraledel gra osiadelimitata abbastanza bene epro edentdoversoi latidell'arrayipesiabbianovaloriviaviaminori.

(18)

Goal: Cal olo dei pesi ottimi di un array planaread apertura quadrata per la sintesi di un pattern onmassima'beameffi ien y' datol'intervalloangolaredidefinizionedellobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:15

NumeroElementi AsseY:15

NumeroTotaleElementi: 225

NumeroTotaleElementiAttivi: 225

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Quadrata

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.3

(19)

BCE:99.94%

PSL:7.75dB

FNBWu0: 0.2275

FNBWv0: 0.2275 (a) (b) ( )

Figure 6(a)(b)RadiationPattern-PlanarSlepianArray(15x15).

(20)

L'ultimaprova onunarray15x15 i onsente di studiaredeirisultatimolto buoni. LaBCEèmolto prossimaal100%eillivellodeilobise ondarisièulteriormenteridotto. An he onfrontandoleimmagini si può fa ilmente osservare ome i lobi se ondari siano de isamente diminutiti e la loro intensità sia molto inferiore. Osservando ladistribuzione dei pesi si possono onfermare tutti i risultati numeri i ottenuti.

(21)

Goal: Cal olo dei pesi ottimi di un array planaread apertura quadrata per la sintesi di un pattern onmassima'beameffi ien y' datol'intervalloangolaredidefinizionedellobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:20

NumeroElementi AsseY:20

NumeroTotaleElementi: 400

NumeroTotaleElementiAttivi: 400

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Quadrata

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.05

(22)

BCE:61,00%

PSL:14.95dB

FNBWu0: 0.1093

FNBWv0: 0.1093 (a) (b) ( )

Figure 7(a)(b)RadiationPattern-PlanarSlepianArray(20x20).

(23)

Comenei asi pre edentidovel'intervalloangolareutilizzatoeramolto pi olo,an hein questo asoi risultatinonsonomoltobuoni. LaBeamColle tionE ien yèappenasuperioreal60%eillivellodei lobise ondarisiavvi inamoltoai15dB.Questi risultatifannointendere hequestotipodi geometria onqueste determinate aratteristi he non sia molto adatta. Questa simulazione non ha fornito un gra o relativo alla distribuzione dei pesi a ettabile. Ci si aspettava una distribuzione simile alle pre edenti, ioè onunaformaa ampana,inve eipesisonodistribuitiin manierasparsaall'interno dell'array. Irisultati omedettoinpre edenzanonsonomoltobuoni,manonostante iòleaspettative sullaformadel gra odeipesieranosi uramente diverse.

(24)

Goal: Cal olo dei pesi ottimi di un array planaread apertura quadrata per la sintesi di un pattern onmassima'beameffi ien y' datol'intervalloangolaredidefinizionedellobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:20

NumeroElementi AsseY:20

NumeroTotaleElementi: 400

NumeroTotaleElementiAttivi: 400

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Quadrata

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.1

(25)

BCE:96.39%

PSL:10.77dB

FNBWu0: 0.1350

FNBWv0: 0.1350 (a) (b) ( )

Figure 8(a)(b)RadiationPattern-PlanarSlepianArray(20x20).

(26)

Comeprevistoandandoadaumentareledimensionidell'intervalloangolareleprestazioniin rementano notevolmente. La BCEha raggiunto livellipiù he positivie il livello di PSL è diminuitodi quasi4 dB. An he osservandole rappresentazionigra he si può notare ome la potenza dispersa nei lobi se ondarisisiaridottadimolto. Inquestasimulazioneilgra odeipesi idainformazionia ettabili. Ipesisonodistribuitibenee onfermanoi risultatirelativiallaBCEealPSLottenuti.

(27)

Goal: Cal olo dei pesi ottimi di un array planaread apertura quadrata per la sintesi di un pattern onmassima'beameffi ien y' datol'intervalloangolaredidefinizionedellobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:20

NumeroElementi AsseY:20

NumeroTotaleElementi: 400

NumeroTotaleElementiAttivi: 400

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Quadrata

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.2

(28)

BCE:99.97%

PSL:6.80dB

FNBWu0: 0.2006

FNBWv0: 0.2006 (a) (b) ( )

Figure 9(a)(b)RadiationPattern-PlanarSlepianArray(20x20).

(29)

Quest'ultima simulazione i ha permesso di ottenere i risultati migliori, infatti il valore di BCE è elevatissimoean heilvalorediPSLèbuono. An heguardandodirettamenteleimmaginiprodottedalle simulazionisi dedurredelle on lusionimoltopositive. Lapotenza èquasies lusivamente on entrata nel lobo prin ipale, mentre il ontributo dei lobi se ondari è molto basso. An he aldistibuzione dei pesi ipermettedi on ludere hequestasimulazionehafornutoirisultatimigliori.

(30)

Goal: Cal olodei pesiottimidiun arrayplanareadapertura rettangolareperlasintesi di un pattern on massima 'beam effi ien y' dato l'intervallo angolare di definizione del lobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:5

NumeroElementi AsseY:10

NumeroTotaleElementi: 50

NumeroTotaleElementiAttivi: 50

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Rettangolare

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.1

(31)

BCE:36.62%

PSL:12.76dB

FNBWu0: 0.4272

FNBWv0: 0.2202 (a) (b) ( )

Figure10(a)(b)RadiationPattern-PlanarSlepianArray(5x10).

(32)

Questasimulzionehafornitorisultatimoltos arsi, probabilmentedovutiall'utilizzodi po hielementi ediunintervallo angolarepi olo. Come sipuònotaredairisultatilaBCEèabbondantementesotto il50%eillivellodi PSLèmolto alto.

(33)

Goal: Cal olodei pesiottimidiun arrayplanareadapertura rettangolareperlasintesi di un pattern on massima 'beam effi ien y' dato l'intervallo angolare di definizione del lobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:5

NumeroElementi AsseY:10

NumeroTotaleElementi: 50

NumeroTotaleElementiAttivi: 50

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Rettangolare

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.2

(34)

BCE:76.91%

PSL:11.69dB

FNBWu0: 0.4487

FNBWv0: 0.2692 (a) (b) ( )

Figure11(a)(b)RadiationPattern-PlanarSlepianArray(5x10).

(35)

Inquesta simulazione le prestazioni sono quasi raddoppiate rispetto al aso pre edente. Nonostante iò,irisultatinonsono omunquea ettabili. Ladistribuzionedeipesièsi uramentemigliorata, ome sivedean heingura11 .

(36)

Goal: Cal olodei pesiottimidiun arrayplanareadapertura rettangolareperlasintesi di un pattern on massima 'beam effi ien y' dato l'intervallo angolare di definizione del lobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:5

NumeroElementi AsseY:10

NumeroTotaleElementi: 50

NumeroTotaleElementiAttivi: 50

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Rettangolare

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.4

(37)

BCE:98.46%

PSL:8.64dB

FNBWu0: 0.5317

FNBWv0: 0.3361 (a) (b) ( )

Figure12(a)(b)RadiationPattern-PlanarSlepianArray(5x10).

(38)

Quest'ultimo asorelativoall'apertura5x10haprodottodeirisultatiottimi. Osservandoi asi pre e-denti onlastessaaperturanon isiaspettavaun osì nettomiglioramento. LaBCEraggiungequasi il 99% mentre il PSL si assesta attorno agli 8dB. An he dai gra i sviluppati si intuis e fa ilmente ome questo tipo di apertura siamolto favorevole,si possononotare unlobo entraleben denito e lobise ondarimolto ridotti.

(39)

Goal: Cal olodei pesiottimidiun arrayplanareadapertura rettangolareperlasintesi di un pattern on massima 'beam effi ien y' dato l'intervallo angolare di definizione del lobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:10

NumeroElementi AsseY:15

NumeroTotaleElementi: 150

NumeroTotaleElementiAttivi: 150

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Rettangolare

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.075

(40)

BCE:54.16%

PSL:14.44dB

FNBWu0: 0.2131

FNBWv0: 0.1494 (a) (b) ( )

Figure13(a)(b)RadiationPattern-PlanarSlepian Array(10x15).

(41)

In questo test ase è stato utilizzato un intervallo angolare molto pi olo e sono stati tripli ati gli elementirispettoai asipre edenti ongeometriarettangolare. Irisultatinonsonomoltobuoni,infatti, sialaBCE heil PSL sono molto s arsi. Si uramente andandoadaumentare l'intervallo angolare le prestazioniaumenteranno.

(42)

Goal: Cal olodei pesiottimidiun arrayplanareadapertura rettangolareperlasintesi di un pattern on massima 'beam effi ien y' dato l'intervallo angolare di definizione del lobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:10

NumeroElementi AsseY:15

NumeroTotaleElementi: 150

NumeroTotaleElementiAttivi: 150

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Rettangolare

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.15

(43)

BCE:92.13%

PSL:10.70dB

FNBWu0: 0.2412

FNBWv0: 0.1911 (a) (b) ( )

Figure14(a)(b)RadiationPattern-PlanarSlepian Array(10x15).

(44)

Imiglioramentiottenutiinquestasimulazionesononotevoli;osservandoilgra isipuònotareunlobo prin ipale ben denito e i lobi se ondariabbastanza ridotti. Il gra orelativoalla distribuzione dei pesièmoltobuono. An heirisultatinumeri isonobuonian hesenone ellenti.

(45)

Goal: Cal olodei pesiottimidiun arrayplanareadapertura rettangolareperlasintesi di un pattern on massima 'beam effi ien y' dato l'intervallo angolare di definizione del lobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:10

NumeroElementi AsseY:15

NumeroTotaleElementi: 150

NumeroTotaleElementiAttivi: 150

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Rettangolare

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.3

(46)

BCE:99.88%

PSL:7.97dB

FNBWu0: 0.3349

FNBWv0: 0.2272 (a) (b) ( )

Figure15(a)(b)RadiationPattern-PlanarSlepian Array(10x15).

(47)

Simulazionequasiottimasiadalpunto divista deirisultatinumeri isiadaquellodeigra iottenuti. L'aspetto dei gra i è molto buono: lobo prin ipale ben denito, lobi se ondari molto ridottie dis-trubuzionedeipesimoltobuona.

(48)

Goal: Cal olodei pesiottimidiun arrayplanareadapertura rettangolareperlasintesi di un pattern on massima 'beam effi ien y' dato l'intervallo angolare di definizione del lobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:10

NumeroElementi AsseY:20

NumeroTotaleElementi: 200

NumeroTotaleElementiAttivi: 200

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Rettangolare

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.05

(49)

BCE:36.32%

PSL:13.72dB

FNBWu0: 0.2082

FNBWv0: 0.1093 (a) (b) ( )

Figure16(a)(b)RadiationPattern-PlanarSlepian Array(10x20).

(50)

Questotest asehafornito deirisultati molto s arsi. Come si può osservarenei primi2gra i i lobi se ondarisonopare hioelevatieinuenzanomoltoleprestazioni,questofattoè onfermatoan hedal PSL heèsoprai13dB.An heilvalorediBCE nonèbuono: appena36%.

(51)

Goal: Cal olodei pesiottimidiun arrayplanareadapertura rettangolareperlasintesi di un pattern on massima 'beam effi ien y' dato l'intervallo angolare di definizione del lobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:10

NumeroElementi AsseY:20

NumeroTotaleElementi: 200

NumeroTotaleElementiAttivi: 200

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Rettangolare

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.1

(52)

BCE:77.13%

PSL:11.86dB

FNBWu0: 0.2204

FNBWv0: 0.1350 (a) (b) ( )

Figure17(a)(b)RadiationPattern-PlanarSlepian Array(10x20).

(53)

Come isiaspettava,aumentandoledimensionidell'intervalloangolareleprestazionisonoraddoppiate. Lobi se ondaripiùridotti edistribuzionedei peside isamente migliorean he sei risultati omunque non sonosoddisfa enti. Illivellodi PSL èan oratroppoelevato( ome onfermatoan he dalgra o B).

(54)

Goal: Cal olodei pesiottimidiun arrayplanareadapertura rettangolareperlasintesi di un pattern on massima 'beam effi ien y' dato l'intervallo angolare di definizione del lobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:10

NumeroElementi AsseY:20

NumeroTotaleElementi: 200

NumeroTotaleElementiAttivi: 200

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Rettangolare

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.2

(55)

BCE:98.20%

PSL:7.08dB

FNBWu0: 0.2695

FNBWv0: 0.2004 (a) (b) ( )

Figure18(a)(b)RadiationPattern-PlanarSlepian Array(10x20).

(56)

Risultatiquasiottimi. Osservandoin parti olarmodoil gra obsi puònotare ome ilobi se ondari sianode isamenteridottisoprattuttoinunadirezioneeilmainbeamsiamoltobenedenito. An heil gra oCfornis edellebuoneindi azioniriguardantiladistribuzionedeipesi. Tuttequesteosservazioni sonoampiamente onfermatedairisultatinumeri i.

(57)

Goal: Cal olo dei pesi ottimi di un array planare ad apertura ir olareper la sintesi di un pattern onmassima'beameffi ien y' datol'intervalloangolaredidefinizionedellobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:10

NumeroElementi AsseY:10

NumeroTotaleElementi: 100

NumeroTotaleElementiAttivi: 76

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Cir olare

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.1

(58)

BCE:54.69%

PSL:12.53dB

FNBWu0: 0.2636

FNBWv0: 0.2636 (a) (b) ( )

Figure19(a)(b)RadiationPattern-PlanarSlepian Array(10x10).

(59)

I risultati ottenuti on questaprima simulazione onapertura ir olare non sono e ezionali, infatti, ome si può vedere siadai risultatinumeri i sia dai gra i il livello dei lobi se ondari è abbastanza elevatoequestogeneraunadiminuzionedelleprestazioni. An heil livello diBCEèmolto s arso.

(60)

Goal: Cal olo dei pesi ottimi di un array planare ad apertura ir olareper la sintesi di un pattern onmassima'beameffi ien y' datol'intervalloangolaredidefinizionedellobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:10

NumeroElementi AsseY:10

NumeroTotaleElementi: 100

NumeroTotaleElementiAttivi: 76

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Cir olare

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.2

(61)

BCE:94.21%

PSL:9.56dB

FNBWu0: 0.3073

FNBWv0: 0.3073 (a) (b) ( )

Figure20(a)(b)RadiationPattern-PlanarSlepian Array(10x10).

(62)

Questose ondotestsuun'apertura ir olarehapermessodiin rementareinmanierapositivairisultati. LaBCEequasiraddoppiataeinquestasimulazioneraggiungequasiil95%eillivellodeilobise ondari èdiminuitodiquasi3dB. Ladistribuzionedeipesièbuona.

(63)

Goal: Cal olo dei pesi ottimi di un array planare ad apertura ir olareper la sintesi di un pattern onmassima'beameffi ien y' datol'intervalloangolaredidefinizionedellobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:10

NumeroElementi AsseY:10

NumeroTotaleElementi: 100

NumeroTotaleElementiAttivi: 76

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Cir olare

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.4

(64)

BCE:99.20%

PSL:7.02dB

FNBWu0: 0.4047

FNBWv0: 0.4047 (a) (b) ( )

Figure21(a)(b)RadiationPattern-PlanarSlepian Array(10x10).

(65)

Come nelle simulazione onapertura geometri adi tipodierente an he in questo aso andando ad aumentare le dimensioni dell'intervallo angolre onsente di ottenere unin remento delle prestazioni. Come isi potevaaspettare, laforma del loboprin ipale emolto bendenita ed inoltre il livellodei lobise ondariès esoulteriormente.

(66)

Goal: Cal olo dei pesi ottimi di un array planare ad apertura ir olareper la sintesi di un pattern onmassima'beameffi ien y' datol'intervalloangolaredidefinizionedellobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:15

NumeroElementi AsseY:15

NumeroTotaleElementi: 225

NumeroTotaleElementiAttivi: 177

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Cir olare

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.075

(67)

BCE:63.73%

PSL:17.01dB

FNBWu0: 0.1721

FNBWv0: 0.1721 (a) (b) ( )

Figure22(a)(b)RadiationPattern-PlanarSlepian Array(15x15).

(68)

Nonostante il numero di elementi sia prati amente raddoppiato, l'utilizzo di un intervallo angolare pi olosfavoris eleprestazioni. IllivellodiPSLèmoltoelevatoean helaBCEès arsa. Comesipuò notareneiprimi2grai il'inuenza deilobise ondarièmolto elevata.

(69)

Goal: Cal olo dei pesi ottimi di un array planare ad apertura ir olareper la sintesi di un pattern onmassima'beameffi ien y' datol'intervalloangolaredidefinizionedellobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:15

NumeroElementi AsseY:15

NumeroTotaleElementi: 225

NumeroTotaleElementiAttivi: 177

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Cir olare

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.15

(70)

BCE:97.08%

PSL:6.82dB

FNBWu0: 0.2084

FNBWv0: 0.2084 (a) (b) ( )

Figure23(a)(b)RadiationPattern-PlanarSlepian Array(15x15).

(71)

Ilraddoppiodelledimensionidell'intervalloangolarehaprodottodeirisultatiquasiinsperati: illivello di PSLès esodi oltre 10dBelaBCEsupera il 97%. An hesolo osservandoi gra iprodotti onle simulazionisipotevadedurre heimiglioramentisononotevoli.

(72)

Goal: Cal olo dei pesi ottimi di un array planare ad apertura ir olareper la sintesi di un pattern onmassima'beameffi ien y' datol'intervalloangolaredidefinizionedellobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:15

NumeroElementi AsseY:15

NumeroTotaleElementi: 225

NumeroTotaleElementiAttivi: 177

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Cir olare

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.3

(73)

BCE:99.95%

PSL:5.95dB

FNBWu0: 0.2690

FNBWv0: 0.2690

(a) (b) ( )

(74)

Observations:

Forseunadellemigliorisimulazionieettuate. L'inuenzadeilobise ondarièmoltoridotta(èlaprima volta hesis endesottoi6dB)elaBeamColle tionE ien yèdi po osottoil100%. Di parti olare interesse è il gra o B, in quanto si può notare un lobo entrale molto ben denito, mentre i lobi se ondarisono moltopi oli.

(75)

Goal: Cal olo dei pesi ottimi di un array planare ad apertura ir olareper la sintesi di un pattern onmassima'beameffi ien y' datol'intervalloangolaredidefinizionedellobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:20

NumeroElementi AsseY:20

NumeroTotaleElementi: 400

NumeroTotaleElementiAttivi: 316

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Cir olare

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.05

(76)

BCE:54.12%

PSL:23.13dB

FNBWu0: 0.1284

FNBWv0: 0.1284 (a) (b) ( )

Figure25(a)(b)RadiationPattern-PlanarSlepian Array(20x20).

(77)

Avendo preso in onsiderazione una dimensione dell'intervallo angolare pi ola, i risultati non sono soddisfa enti. Illivellodi BCEè bassoe il PSLèmolto elevato. Questi dati andandoamodi arei parametridell'intervallo angolare possonosi uramente esseremigliorati. Ilgra odella distribuzione dei pesi ha una forma parti olare, infatti non assume ome nei asi pre edenti la lassi a forma a  ampana.An hequestogra osisperapossaesseremigliorato ambiandoiparamentri.

(78)

Goal: Cal olo dei pesi ottimi di un array planare ad apertura ir olareper la sintesi di un pattern onmassima'beameffi ien y' datol'intervalloangolaredidefinizionedellobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:20

NumeroElementi AsseY:20

NumeroTotaleElementi: 400

NumeroTotaleElementiAttivi: 316

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Cir olare

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.1

(79)

BCE:94.37%

PSL:15.03dB

FNBWu0: 0.1791

FNBWv0: 0.1293 (a) (b) ( )

Figure26(a)(b)RadiationPattern-PlanarSlepian Array(20x20).

(80)

Comeda aspettative,il raddoppiodell'intervallo angolarehaportatoadunnotevole in remento delle prestazioniedei risultati,BCEsoprail 90%euna riduzionedelPSLdi 7dB.An heigra i ri avati dallesimulazionidimostrano hei risultatiottenutosono de isamente migliorati. L'uni o gra o he nonpresentasostanzialimiglioramentièquellorelativoalladistribuzionedeipesi.

(81)

Goal: Cal olo dei pesi ottimi di un array planare ad apertura ir olareper la sintesi di un pattern onmassima'beameffi ien y' datol'intervalloangolaredidefinizionedellobo prin ipale

NumeroElementi AsseX:20

NumeroElementi AsseY:20

NumeroTotaleElementi: 400

NumeroTotaleElementiAttivi: 316

Des rizione Test Case

Geometria:

TipoApertura: Cir olare

DistanzaElementiAsseX: 0.5

DistanzaElementiAsseY: 0.5

Intervallo AngolareU:0.2

(82)

BCE:99.96%

PSL:6.17dB

FNBWu0: 0.5129

FNBWv0: 0.1296 (a) (b) ( )

Figure27(a)(b)RadiationPattern-PlanarSlepian Array(20x20).

(83)

Irisultatiottenuti onquestasimulazionesonoottimi. BCEmoltoprossimaallaperfezioneePSLpari a6db. An heil gra orelativoalladistribuzione deipesiède isamentemigliorato. Laforma heha assunto è quella he i si aspettava gia inizialmente. Di parti olare interesseè il gra o B, il quale mostra ome il lobo entrale siadenito molto bene e le interferenze dei lobi se ondari siano molto s arse.

(84)

Theproblemofinterestisto developaweightingthatwillmaximizetheper entageofthetotalpowerthat is on entratedin agivenangularregiondened bytheboundaries

(u

0

, v

0

)

. Consideringaplanararray,we wanttomaximizetheratio

α =

R

u

0

−u

0

R

v

0

−v

0

|AF (u, v)|

2

dudv

R

π

0

sin θdθ

R

0

|AF (θ, φ)|

2

(1)

where

u = sin θ cos φ

and

v = sin θ sin φ

. Arrayfa tortermisdened

AF (u, v) =

N

X

n=1

w

n

e

jk(ux

n

+vy

n

)

(2)

where

w

n

istheex itationofthe

n

-tharrayelement,

x

n

isthe

x

-axis oordinateofthe

n

-tharrayelement,

y

n

isthe

y

-axis oordinateofthe

n

-tharrayelementand

k =

λ

. Arrayfa torterm anberewritedas

AF (u, v) = w

H

v(u, v)

(3)

Thenumeratorof(12) anbewrittenas

α

N

=

Z

u

0

−u

0

Z

v

0

−v

0

|AF (u, v)|

2

dudv = w

H

Aw

(4) where

A =

Z

u

0

−u

0

Z

v

0

−v

0

v(u, v)v

H

(u, v)

(5) The

(m, n)

elementof

A

is

Z

u

0

−u

0

Z

v

0

−v

0

e

jk(ux

m

+vy

m

)

e

−jk(ux

n

+vy

n

)

dudv =

(6)

Thesolution(seeAppendixA)oftheintegral(6)is

4u

0

v

0

sin

[ku

0

(x

m

− x

n

)]

sin

[kv

0

(y

m

− y

n

)]

(7) Similarly,thedenominatoris

α

D

= w

H

Bw

(8) where

B =

Z

π

0

sin θdθ

Z

0

v(θ, φ)v

H

(θ, φ)dφ

(9) The

(m, n)

elementof

B

is

Z

0

Z

π

0

e

jk sin θ(x

m

cos φ+y

m

sin φ)

e

−jk sin θ(x

n

cos φ+y

n

sin φ)

sin

θdθdφ

(10)

Thesolution(seeAppendixB) oftheintegral(10)is

sin



kp(x

m

− x

n

)

2

+ (y

m

− y

n

)

2



(11) Thus

α =

w

H

Aw

w

H

Bw

(12)

(85)

Themaximumvalueforsu haratioofHermitianquadrati formsisequaltothelargesteigenvalue

λ

max

ofthe hara teristi equation

(86)

(b)

Figure 2-Numeri al validation [SquareArray,

P = Q = 10

,SquareColle tion Area,

u

M

= v

M

= 0.2

℄-(a) Optimum

DP SS

planararrayand(b)asso iatedradiation pattern.

(87)

(b)

( )

Figure 3-Numeri al validation [SquareArray,

P = Q = 20

,SquareColle tion Area,

u

M

= v

M

= 0.2

℄-(a) Optimum

DP SS

planararrayand(b)( )asso iatedradiationpattern.

(88)

(b)

Figure 4-Numeri al validation [Re tangular Array,

P = 10

,

Q = 20

,SquareColle tion Area,

(89)

(b)

( )

Figure 5-Numeri al validation [Cir ular Array,

P = Q = 10

,

K = 76

,SquareColle tion Area,

(90)

0

20

40

60

80

100

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

-50

-40

-30

-20

-10

BCE [%]

PSL [dB]

Array Aperture [

λ

]

u

M

=v

M

=0.025

u

M

=v

M

=0.025

u

M

=v

M

=0.05

u

M

=v

M

=0.05

u

M

=v

M

=0.1

u

M

=v

M

=0.1

u

M

=v

M

=0.2

u

M

=v

M

=0.2

Figure 6 -Numeri al validation [ Squar e Col le tion A r e a ℄ -Beha viour of the

B

C

E

and of

P

S

L

arra y ap erture

P

×

Q

. 89

(91)

(b)

(92)

Figure7-Numeri al validation [

P = Q = 10

,Cir ularColle tion Area,

rM

= 0.2

℄-Optimum

DP SS

planararrayfor(a)squareand(b) ir ularapertureand ( )(d)respe tiveradiationpatterns.

(93)

0

20

40

60

80

100

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-50

-40

-30

-20

-10

BCE [%]

PSL [dB]

Array Aperture [

λ

]

BCE:

PSL:

u

M

=v

M

=0.025

u

M

=v

M

=0.025

u

M

=v

M

=0.05

u

M

=v

M

=0.05

u

M

=v

M

=0.1

u

M

=v

M

=0.1

u

M

=v

M

=0.2

u

M

=v

M

=0.2

Figure 8 -Numeri al validation [ Cir ular Col le tion A r e a ℄ -Beha viour of the

B

C

E

and of

P

S

L

arra y ap erture

P

×

Q

. 92

(94)

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

u

M

= v

M

[arbitrary unit]

r

0

[arbitrary unit]

Circular Layouts

P = Q = 20

P = Q = 10

Figure9-Numeri al validation [

P = Q = 20, 10

,Cir ularColle tion Area℄-Behaviourofthe

u0

and

v0

against

rM

.

(95)

10

0

10

1

10

2

10

3

10

4

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Synthesis Time

t [s]

P=Q

Square Array, Square

Ψ

[u

0

=v

0

=0.2]

Square Array, Circular

Ψ

[r

0

=0.2]

Circular Array, Square

Ψ

[u

0

=v

0

=0.2]

Circular Array, Circular

Ψ

[r

0

=0.2]

Figure10 -Numeri al validation [Square (

uM

= vM

= 0.2

)andCir ularArrays (

rM

= 0.2

)℄-Behaviour ofthedesigntime

∆t

againstthearrayaperture

P × Q

, for ir ularorplanar olle tionarea.

(96)

(b)

( )

Figure 11 -Numeri al validation [

P = Q = 10

, BoredCir ular Colle tion Area,

r

M

= 0.3, r

′′

M

= 0.6,

BCE = 95, 03

%℄-Optimum

DP SS

planararrayelement's(a)amplitudesand(b)phasesand( )asso iated

(97)

P = Q

u

M

= v

M

BCE

[%℄

P SL

[dB℄

F N BW u

0

= v

0

0.1

61.73

−15.49

2.20 × 10

−1

10

0.2

96.45

−22.46

2.69 × 10

−1

0.4

99.90

−31.56

3.36 × 10

−1

0.075

68.85

−16.20

1.49 × 10

−1

15

0.15

98.10

−24.90

1.91 × 10

−1

0.3

99.94

−30.14

2.27 × 10

−1

0.05

61.00

−15.61

1.09 × 10

−1

20

0.1

96.39

−22.66

1.35 × 10

−1

0.2

99.97

−42.24

2.01 × 10

−1

TableI -Numeri al validation [Square Array,SquareColle tionArea℄-Figuresofmeritobtainedby

(98)

P

Q

u

M

= v

M

BCE

[%℄

P SL

[dB℄

F N BW u

0

F N BW v

0

0.1

36.62

−13.36

4.27 × 10

−1

2.20 × 10

−1

5

10

0.2

76.91

−15.05

4.48 × 10

−1

2.69 × 10

−1

0.4

98.46

−21.90

5.37 × 10

−1

3.36 × 10

−1

0.075

54.16

−14.45

2.13 × 10

−1

1.49 × 10

−1

10

15

0.15

92.13

−18.43

2.41 × 10

−1

1.91 × 10

−1

0.3

99.88

−30.08

3.34 × 10

−1

2.27 × 10

−1

0.05

36.32

−13.73

2.08 × 10

−1

1.09 × 10

−1

10

20

0.1

77.13

−15.48

2.20 × 10

−1

1.35 × 10

−1

0.2

98.20

−22.45

2.69 × 10

−1

2.00 × 10

−1

TableII -Numeri alvalidation [Re tangularArray,SquareColle tion Area℄-Figuresofmeritobtainedby

(99)

P = Q

K

u

M

= v

M

BCE

[%℄

P SL

[dB℄

F N BW u

0

= v

0

0.1

54.69

−18.42

2.63 × 10

−1

10

76

0.2

94.21

−24.66

3.07 × 10

−1

0.4

99.20

−29.78

4.05 × 10

−1

0.075

63.73

−19.37

1.72 × 10

−1

15

177

0.15

97.08

−26.07

2.08 × 10

−1

0.3

99.95

−30.24

2.69 × 10

−1

0.05

54.12

−19.16

1.28 × 10

−1

20

316

0.1

94.37

−24.47

2.50 × 10

−1

0.2

99.96

−41.74

2.18 × 10

−1

Table III -Numeri al validation [Cir ularArray,SquareColle tion Area℄-Figuresofmeritobtainedby

(100)

P = Q

r

M

BCE

[%℄

P SL

[dB℄

F N BW u0

= v0

BCE

[%℄

P SL

[dB℄

F N BW u0

= v0

0.1

48.83

−21.12

2.60 × 10

−1

43.61

−22.50

2.97 × 10

−1

10

0.2

86.48

−34.94

3.54 × 10

−1

81.54

−37.50

4.17 × 10

−1

0.4

99.60

−23.11

2.90 × 10

−1

99.44

−25.97

3.53 × 10

−1

0.075

55.02

−23.50

1.84 × 10

−1

51.00

−25.31

2.02 × 10

−1

15

0.15

91.16

−34.32

2.43 × 10

−1

87.49

−42.75

2.84 × 10

−1

0.3

99.76

−23.07

1.98 × 10

−1

99.68

−27.59

2.31 × 10

−1

0.05

48.93

−21.33

1.30 × 10

−1

43.89

−23.69

1.46 × 10

−1

20

0.1

81.99

−42.50

2.03 × 10

−1

79.13

−42.94

2.16 × 10

−1

0.2

99.40

−23.07

1.54 × 10

−1

99.30

−27.63

1.80 × 10

−1

TableIV -Numeri al validation [Square andCir ularArray, Cir ularColle tion Area℄- Figuresofmerit obtainedby

DP SS

planararrays.

(101)

Risoluzione integrale:

I =

Z

u

0

−u

0

Z

v

0

−v

0

e

jk(ux

m

+vy

m

)

e

−jk(ux

n

+vy

n

)

dudv

(14)

=

Z

u

0

−u

0

e

jku(x

m

−x

n

)

du

Z

v

0

−v

0

e

jkv(y

m

−y

n

)

dv

=

 e

jku

0

(x

m

−x

n

)

− e

−jku

0

(x

m

−x

n

)

jku

0

(x

m

− x

n

)

  e

jkv

0

(y

m

−y

n

)

− e

−jkv

0

(y

m

−y

n

)

jkv

0

(y

m

− y

n

)



=

 2 sin(ku

0

(x

m

− x

n

)

ku

0

(x

m

− x

n

)

  2 sin(kv

0

(y

m

− y

n

)

kv

0

(y

m

− y

n

)



(102)

Risoluzione integrale:

I =

Z

0

Z

π

0

e

jk sin θ((x

m

−x

r

) cos φ+(y

n

−y

s

) sin φ)

sin

θdθdφ

(15)

Consideriamoseparatamenteidueintegrali he ompongonola(15)

I =

Z

π

0

sin

θ

Z

0

e

jk sin θ((x

m

−x

r

) cos φ+(y

n

−y

s

) sin φ)



(16)

Ilprimointegrale(all'internodelleparentesi tonde)sipuòris rivere ome:

I

=

Z

π

−π

e

j(a cos φ+b sin φ)

(17)

dove

a = k sin θ(x

m

− x

r

)

e

b = k sin θ(y

n

− y

s

)

. Consideriamol'argomentodell'esponenziale:

a cos φ + b sin φ = a

(e

+ e

−jφ

)

2

+ b

(e

− e

−jφ

)

2j

=

ae

2

+

ae

−jφ

2

− j

be

2

+ j

be

−jφ

2

=

e

2

(a − jb) +

e

−jφ

2

(a + jb)

=

e

2j

(b + ja) −

e

−jφ

2j

(b − ja)

=

e

2j

p

a

2

+ b

2

e

j arctan(a/b)

e

−jφ

2j

p

a

2

+ b

2

e

−j arctan(a/b)

=

p

a

2

+ b

2

 e

j(φ+arctan(a/b))

− e

−j(φ+arctan(a/b))

2j



=

p

a

2

+ b

2

sin(φ + arctan(a/b))

(18)

La(17)puòesserequindiris rittanellaforma:

I

=

Z

π

−π

e

j

a

2

+b

2

sin(φ+arctan(a/b))

dφ =

Z

π

−π

e

jk sin(φ+k

)

(19)

L'integraleèquindiri ondu ibileadunafunzionedi Bessel;perdenizione

J

0

(x)

,

1

Z

π

−π

e

jx sin φ

(20)

Sipuòosservare heleformule(19)e(20)sonoequivalenti,dato hela ostante

k

= arctan(a/b)

nonha nessunainuenzasul risultatodell'integrazioneeettuatasuuninteroperiododiunafunzioneperiodi a. Di onseguenza

I

=

Z

π

−π

e

j(a cos φ+b sin φ)

dφ = 2πJ

0

(

p

a

2

+ b

2

)

(103)

I = 2π

Z

π

0

J

0

(

p

a

2

+ b

2

)

sin

θdθ

(22) dove

a

2

+ b

2

=

q

k

2

sin

2

θ(x

m

− x

r

)

2

+ k

2

sin

2

θ(y

n

− y

s

)

2

= kp(x

m

− x

r

)

2

+ (y

n

− y

s

)

2

sin

θ = C

sin

θ

Lasoluzione dell'integraleèpropostain[2℄(Formula10.35)

Z

π

0

J

0

(

p

a

2

+ b

2

)

sin

θdθ = 4π

sin

C

(23) In on lusione

I = 4π

sin



kp(x

m

− x

r

)

2

+ (y

n

− y

s

)

2



(24)

(104)

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Figura

Figure 2 - Numeri
al validation [Square Array, P = Q = 10 , Square Colle
tion Area, u M = v M = 0.2 ℄ - (a ) Optimum DP SS planar array and (b) asso
iated radiation pattern.
Figure 3 - Numeri
al validation [Square Array, P = Q = 20 , Square Colle
tion Area, u M = v M = 0.2 ℄ - (a ) Optimum DP SS planar array and (b)(
) asso
iated radiation pattern.
Figure 4 - Numeri
al validation [Re
tangular Array, P = 10 , Q = 20 , Square Colle 
tion Area,
Figure 5 - Numeri
al validation [Cir 
ular Array, P = Q = 10 , K = 76 , Square Colle 
tion Area,
+7

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