Capitolo 1: Configurazione di un Compact Range

Capitolo 1: Configurazione di un Compact Range

1.0 Introduzione

Il progetto che verrà descritto parte dall’esigenza di realizzare delle misure in un test range; in particolare, l’obiettivo di questa tesi è concentrato attorno al progetto dell’illuminatore in polarizzazione circolare per la banda Ka da usare in un’antenna per compact range in configurazione Gregoriana.

Il problema è quello della misura di un sistema di illuminazione di un’antenna Cassegrain di terra Deep Space Antenna-DSA, da utilizzarsi in missioni di radioastronomia come ad esempio “Rosetta” e “Mars Express”.

In Fig. 1.1 si riporta lo schema di principio della DSA, [1-2].

Fig.1.1: Configurazione della Deep Space Antenna-DSA

Questo sistema di illuminazione è costituito da 2 illuminatori corrugati operanti in banda X (7.120 ÷ 8.525 GHz) e in banda Ka (31 ÷ 35 GHz) e da un riflettore dicroico

Fig. 1.3: Struttura del sistema feed

Il sistema si presenta complesso in quanto sia l’illuminatore in banda X che quello in banda Ka lavorano in polarizzazione circolare. Un’ulteriore complicazione nasce dal fatto che si dovrà tenere conto anche della presenza del modo di tracking, il TE21 che ha la particolarità di avere un diagramma che presenta un nullo al centro e i massimi sui piani a 45°.

L’obiettivo principale di questi test è la verifica delle distorsioni introdotte dal riflettore dicroico sui diagrammi di radiazione in polarizzazione circolare degli horn in banda X e Ka.

A titolo di esempio nelle Fig. 1.4 e 1.5, si riportano i diagrammi di radiazione tipici dell’horn in banda Ka e del sistema horn con piastra dicroica.

I diagrammi di radiazione del sistema horn + piastra dicroica sono ottenuti ruotando manualmente il sistema attorno al proprio asse di boresight a piani angolari di 4°, (in Fig. 1.5 sono riportati i diagrammi più significativi tra 24° e 36°), mentre la sorgente viene posta con polarizzazione del campo elettrico rispettivamente verticale, 1.5 a), e orizzontale, 1.5 b).

Fig. 1.5: a ) Diagramma di radiazione del sistema horn + piastra dicroica con campo elettrico della sorgente orientato lungo il piano verticale, calcolati con diversi angoli di rotazione del sistema.

Fig. 1.5: b) Diagramma di radiazione del sistema horn + piastra dicroica con campo elettrico della sorgente orientato lungo il piano orizzontale, calcolati con diversi angoli di rotazione del sistema.

Dalle figure si nota che gli effetti da valutare sono diversi in funzione delle zone angolari definite a partire dalla direzione in cui si trova il picco del diagramma di radiazione del sistema feed + piastra dicroica.

Lungo l’asse, boresight θ = 0°, le differenze tra i diagrammi di radiazione del solo feed e il diagramma di radiazione dell’intero sistema sono molto piccole, mentre possono essere considerevoli nelle zone angolari corrispondenti al bordo del subriflettore.

Pertanto il setup di misura dovrà presentare livelli di accuratezza diversi in funzione della regione angolare considerata; ad esempio, l’errore di misura lungo la direzione di boresight deve essere inferiore a 0.1 dB per quanto riguarda la misura del livello del segnale RF sia in polarizzazione lineare che circolare, mentre può essere accettato un errore equivalente di 1 dB nella zona angolare intorno ai 20° fuori asse.

Sulla base di queste considerazioni sono state elaborate le specifiche della sorgente che verranno illustrate nel capitolo 2.

Il perché si richieda l’impiego di un compact range anziché di una normale camera anecoica è da ricercarsi nelle dimensioni e nell’ingombro della struttura che si aggira intorno ai 2 m: tenendo conto del fatto che le prestazioni degli illuminatori in termini di diagramma di irradiazione si ottengono ruotando l’illuminatore stesso attorno al centro di fase, si intuisce come queste misure necessitino di una zona di quiete molto vasta, molto più grande di quella che servirebbe per un singolo feed, e in particolare molto più grande di quella che si può ottenere in una camera anecoica. Sarebbe quindi necessario un campo prove tipico da outdoor o di un sistema di misura in near field, o per l’appunto, un compact range.

1.1 Compact Range

Un compact range è un particolare campo prove utilizzato per misure di irradiazione di antenne o per misure di radar cross section di oggetti in ambiente interno (indoor). Tali tipi di misure richiedono che l’antenna o l’oggetto da misurare venga illuminato da un fronte d’onda piano; questo implica che nell’area occupata dall’antenna da misurare, (Antenna Under Test–AUT), sia necessario produrre un’onda piana uniforme in ampiezza, fase e con purezza di polarizzazione. La deviazione di questi parametri all’interno del volume detto “ zona di quiete” , che contiene l’antenna o l’oggetto in misura, condiziona l’accuratezza di misura.

Queste deviazioni sono dovute a vari fattori elencati nel seguito: - accuratezza dei profili delle superfici dei riflettori,

- diffrazione dai bordi,

- accuratezza dei meccanismi di puntamento delle antenne e di movimento dell’AUT, - purezza della sorgente.

In Fig. 1.6 è riportata una tipica struttura da compact range.

Fig. 1.6: Configurazione a singolo riflettore con il feed posizionato nel fuoco del riflettore primario

RIFLETTORE

PRIMARIO FRONTE D’ONDA

PIANO

SORGENTE

Generalmente un compact range prevede l’impiego di un’antenna a riflettore in configurazione offset che ha il compito di convertire il fronte d’onda sferico irradiato dalla sorgente situata nel fuoco del riflettore, in un fronte d’onda piano che vada poi ad illuminare la zona in cui è posizionata l’antenna o l’oggetto.

La configurazione offset viene utilizzata per ridurre l’effetto di bloccaggio dell’illuminatore, ma richiede che l’asse dell’illuminatore venga ruotato di un angolo di tilt α rispetto all’asse del riflettore.

L’utilizzo di questa configurazione presenta però diversi svantaggi, ad esempio:

- l’onda sferica irradiata dal punto sorgente subisce una attenuazione dovuta al cammino, e poiché i punti del riflettore sono a distanze diverse dal fuoco, questi danno luogo a una diminuzione disomogenea dell’ampiezza delle componenti dell’onda riflessa: questo fa si che l’onda che investe l’oggetto non sia più uniforme;

- è presente un errore di polarizzazione incrociata che nel caso di sorgente bilanciata (come ad esempio una sorgente di Huygens) nasce dalla presenza dell’angolo α e scompare quando α = 0, [3].

Molti dei problemi incontrati con questa configurazione possono essere risolti utilizzando un doppio riflettore (anche se ovviamente questo introdurrà svantaggi diversi); due sono le configurazioni possibili candidate per un compact range :

1) antenna Cassegrain, che utilizza un subriflettore convesso iperbolico, (Fig.1.7); 2) antenna Gregoriana, che utilizza un subriflettore concavo ellittico, (Fig.1.8).

SORGENTE

Fig.1.7: Configurazione a doppio riflettore con subriflettore di Cassegrain

RIFLETTORE

PRIMARIO FRONTE D’ONDA

PIANO

SUBRIFLETTORE IPERBOLICO

FUOCO DEL RIFLETTORE PRIMARIO

Fig. 1.8: Configurazione a doppio riflettore con subriflettore Gregoriano

RIFLETTORE

PRIMARIO FRONTE D’ONDA

PIANO

SORGENTE α

SUBRIFLETTORE ELLITTICO

FUOCO DEL RIFLETTORE PRINCIPALE

1.2 Configurazioni con doppio riflettore

Nel caso di configurazione a doppio riflettore, si individua una lunghezza focale equivalente fe [4] data da:

f

= m

f

- e è l’eccentricità del subriflettore

- fc è la lunghezza focale reale del riflettore principale

Si noti che l’eq. (1.2) si applica nel caso in cui l’asse del subriflettore sia allineato con l’asse del riflettore principale .

Poichè m > 1, allora

f

> f

può utilizzare un riflettore principale con una lunghezza focale corta e questo ci permette di ridurre le dimensioni della camera anecoica.

Un altro vantaggio che si consegue è che i campi diffratti dal riflettore principale verso la zona di misura vengono ridotti in quanto tale zona può essere avvicinata al riflettore stesso. Dal momento che la configurazione a doppio riflettore ha una lunghezza focale equivalente maggiore rispetto al caso di singolo riflettore, è allora possibile ridurre l’anglo di tilt α tra la sorgente e l’asse del riflettore principale riuscendo in tal modo a ridurre gli errori di cross polarizzazione [5-6]; inoltre, il problema dell’attenuazione viene

ridotto dal fatto che la distanza tra il fuoco virtuale e la superficie riflettente risulta adesso molto più piccola [7-11].

L’attenuazione del campo riflesso e gli errori dovuti alla polarizzazione incrociata, possono essere entrambi ridotti ulteriormente ruotando l’asse del subriflettore di un angolo β rispetto all’asse del riflettore principale e ruotando la sorgente di un angolo α rispetto all’asse del subriflettore, come mostrato in Fig.1.8.

La variazione dell’angolo β ha l’effetto di ruotare il diagramma del subriflettore rispetto al riflettore principale producendo un incremento dell’ampiezza dell’onda piana riflessa; se poi si ruota la sorgente (supposta bilanciata e polarizzata linearmente) di un angolo α rispetto all’asse del subriflettore in modo che:

2 2 β α mtg tg = , (1.3)

allora si riesce ad eliminare anche la componente incrociata [12]. L’effetto dei due angoli di tilt è che le depolarizzazioni scaturite dai due riflettori offset si cancellano vicendevolmente.

Nel caso in cui si decida di effettuare la rotazione di β, la lunghezza focale equivalente del sistema è data da:

_e f_c e e e f β cos 2 1 1 2 2 − + − = . (1.4)

Come precedentemente citato, oltre ai vantaggi che ne derivano, queste strutture presentano anche qualche difetto, ad esempio:

- i campi diffratti dal subriflettore possono illuminare il riflettore principale e interferire nella zona di quiete, provocando una distorsione sia della polarizzazione diretta che di quella incrociata [13];

- l’effetto di spillover è molto alto.

Dallo studio dell’ottica relativa alle due configurazioni risulta che la Gregoriana è la più adatta al sistema compact range [14].

Gli effetti di diffrazione vengono drasticamente ridotti frastagliando i contorni dei due riflettori, come è possibile vedere nella Fig. 1.9.

Il compact range di riferimento per le misure del nostro sistema è quello della Alcatel Space illustrato in Fig. 1.9, qualificato per valori di depolarizzazione dovuto alle riflessioni dalle pareti di -60 dB rispetto alla componente principale, e oscillazioni di ampiezza di ± 0.05 dB nella zona di quiete che ha un diametro di circa 3 m e prevede proprio una configurazione di tipo Gregoriano, Fig. 1.10.

Fig. 1.10: Ottica e geometria del compact range

La sorgente gioca un ruolo molto importante nel raggiungimento di queste prestazioni; bisogna tenere presente che la multiriflessione del campo elettromagnetico irradiato dalla sorgente provoca un effetto di “smoothing” rispetto alla asimmetria assiale del diagramma di radiazione e rispetto al contributo di polarizzazione incrociata.

A supporto di questa tesi e per definire le specifiche della sorgente è stato calcolato il campo elettromagnetico irradiato dal sistema horn + subriflettore + riflettore principale lungo la zona di quiete contenente l’ AUT; questa è rappresentata da un cerchio di diametro d = 2m, visto sotto un angolo δ = 5° a partire dal centro dell’apertura del riflettore principale.

La fig. 1.11, indica la distribuzione di campo elettromagnetico lungo la sezione di intersezione tra piano di azimuth (piano di misura) e l’area circolare individuata dall’AUT, ottenuta considerando il sistema illustrato in Fig. 1.10 (doppio riflettore offset

SORGENTE POSIZIONATORE RIFLETTORE SUBRIFLETTORE θ ANGOLO DI VISTA DEL SUBRIFLETTORE AUT δ

in configurazione gregoriana) e diagrammi di radiazione della sorgente congruenti con le specifiche descritte nel capitolo seguente.

Questi risultati sono stati ottenuti a seguito di un ciclo di analisi con un metodo basato sull’ottica fisica dell’antenna costituita dal sistema subriflettore e riflettore. Il ciclo è stato ottenuto variando in modo parametrico la funzione di radiazione della sorgente assunta come cosn (θ) , funzione che meglio interpola i diagrammi di radiazione di un horn corrugato. -75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 A m p ie zza ( dB )

Angolo di azimuth (deg)

Fig. 1.11: Distribuzione del livello di campo elettrico lungo la sezione individuata dall’AUT .

I valori di ampiezza risultano dal codice di calcolo e non hanno un significato assoluto ma sono indicativi della variazione di livello in funzione dell’angolo δ.

Dalla curva di Fig. 1.11 si evince che il sistema e le specifiche attribuite alla sorgente e descritte nel capitolo seguente, garantiscono una buona uniformità di campo elettromagnetico entro l’area occupata dall’AUT.