Capitolo 4:
Antenna Elevazione con riflettore non sagomato
4.1
Generalità
Le specifiche dell’antenna da realizzare sono riportate nel capitolo 3. Visto l’elevato guadagno, la frequenza di funzionamento e la banda richiesta si è pensato di soddisfare le specifiche utilizzando un’antenna a riflettore.
Inoltre, come visto in precedenza,l’andamento del guadagno sul piano di azimuth deve essere di tipo a cosec², questo comporta che sarà necessario sagomare opportunamente la superficie del riflettore.
Quindi inizialmente cercheremo di soddisfare le specifiche per quanto riguarda il guadagno max e l’andamento del lobo principale, utilizzando un riflettore non sagomato.
In seguito sagomando la superficie del riflettore cercheremo di ottenere l’andamento a cosec².
Di conseguenza adesso dobbiamo determinare la configurazione dell’antenna a riflettore che ci permette di soddisfare le specifiche sul guadagno e sul lobo principale.
4.2 Geometria dell’antenna
Vista la simmetria che devono avere i diagrammi di irradiazione dell’antenna, si è pensato di soddisfare le specifiche richieste utilizzando
un’antenna a riflettore in configurazione front-feed avente la geometria illustrata in figura 4.1.
Come possiamo notare abbiamo considerato un riflettore che è un paraboloide con un bordo ellittico.
4.3 Analisi del feed utilizzato
Per massimizzare il rendimento dell’antenna e ridurre lo spillover, il riflettore viene illuminato con un feed il cui guadagno ha un andamento gaussiano con un edge-taper (ET) di -10 dB sul bordo del riflettore.
Data la forma fortemente ellittica del bordo del riflettore, si è dovuto utilizzare un feed avente un andamento del guadagno opportunamente sagomato sul bordo del riflettore in modo da ridurre lo spillover.
E’ stato quindi necessario realizzare un file di nome feed.txt, il quale contiene quei valori del campo che poi danno luogo ad un andamento del guadagno del feed opportunamente sagomato sul bordo del riflettore. Questo è stato possibile in quanto il simulatore utilizzato per la realizzazione dell’antenna permette, tramite appunto un file di ingresso, di poter realizzare un feed avente l’andamento del guadagno desiderato. In particolare il simulatore consente di impostare l’andamento del guadagno del feed su alcuni piani, noti questi attraverso un procedimento di interpolazione genera l’andamento complessivo del guadagno del feed che poi illuminerà il riflettore.
Noi abbiamo impostato l’andamento del guadagno del feed su 6 piani. In particolare abbiamo impostato l’andamento del guadagno sui piani α=0°,30°,60°,90°,120°,150° come illustrato in figura 4.2.
Le figure 4.3, 4.4, 4.5 e 4.6 riportano l’andamento del guadagno del feed sui piani precedenti.
Per quanto riguarda la figura 4.3 è stato evidenziato:
• il guadagno nella direzione di max irradiazione, che è di 15,5 dB • l’ampiezza del fascio del feed sul bordo del riflettore per il taglio
α=0°, che è di 129,4°
• il valore dell’edge-taper (ET) che come detto in precedenza deve valere -10 dB
Stesso discorso vale per le altre figure.
Il file feed.txt viene generato da un codice Fortran che riportiamo di seguito: PROGRAM Feed IMPLICIT NONE ! Dichiaro le variabili________________________________________________ INTEGER,PARAMETER :: n_tagli=6 INTEGER :: flag,i REAL :: F,H,A,B REAL :: ang,OPx,OPy,OP,OP2 REAL :: in_th,p_th,in_phi,p_phi,ET,G0 REAL,DIMENSION(n_tagli) :: th0
! Assegno i parametri per la costuzione del file feed.txt____________________________ F=1500. H=-1900. A=3800. B=330. in_phi=0. p_phi=30. ET=-10. G0=39.811 in_th=-70. p_th=1. flag=1
WRITE(*,*)'Ampiezze fascio del feed sul bordo del riflettore (rif. centro rifl.)' DO i=0,5
ang=i*p_phi OPx=(A/2)*COS(ang*3.141593/180.) OPy=(B/2)*SIN(ang*3.141593/180.) OP2=(OPx**2+OPy**2) OP=SQRT(OP2) th0(i+1)=ASIN(OP/(SQRT(OP2+(F-OP2/(4*F))**2)))*180./3.141593 WRITE(*,2) ang,th0(i+1)
2 FORMAT('Taglio alfa=',F7.3,' deg',' -->','ampiezza fascio=',F7.3,' deg') END DO
! Chiamo la sub. feed_in per calolare e stampare i valori del campo___________________ CALL feed_in(in_th,p_th,in_phi,p_phi,th0,ET,G0,n_tagli,flag)
END PROGRAM
SUBROUTINE feed_in(in_th,p_th,in_phi,p_phi,th0,ET,G0,n_tagli,flag) IMPLICIT NONE
! Dichiaro le variabili della sub. ______________________________________________ INTEGER,PARAMETER :: nth=141
INTEGER :: flag,n_tagli,i,j,errore,X
REAL in_th,p_th,in_phi,p_phi,ET,G0,th,phi,E REAL,DIMENSION(n_tagli) :: th0
REAL,DIMENSION(nth,4) :: E_mat
! Calcolo i valori del campo__________________________________________________ phi=0. DO j=1,n_tagli th=in_th DO i=1,nth IF (th<0.) THEN E=SQRT(G0*10**(ET/10*(th/th0(j))**2)) ELSE E=SQRT(G0*10**(ET/10*(th/th0(j))**2)) END IF E_mat(i,1)=E*COS(phi*3.141593/180) E_mat(i,2)=0 E_mat(i,3)=-E*SIN(phi*3.141593/180) E_mat(i,4)=0 th=th+p_th END DO
! Stampo i valori del campo__________________________________________________ OPEN(UNIT=8,FILE='feed.txt',STATUS='OLD',ACTION='WRITE',IOSTAT=errore)
WRITE(8,*)'dati_campo' WRITE(8,50)in_th,',',p_th,',',nth,',',phi,',',flag,',' 50 FORMAT(1X,F6.1,A1,F4.1,A1,I3,A1,F5.1,A1,I1,A1) DO i=1,nth WRITE(8,60)E_mat(i,1),',',E_mat(i,2),',',E_mat(i,3),',',E_mat(i,4),',' 60 FORMAT(1X,4(F15.6,A1)) END DO phi=phi+p_phi END DO CLOSE(8) END SUBROUTINE
Analizziamo brevemente il codice precedente.
Il codice affinché possa generare il file feed.txt ha bisogno: • della distanza focale, F (F=1500 mm)
• dell’altezza di offset, H (H=-1900 mm)
• dell’asse del bordo ellittico del riflettore lungo l’asse x, A (A=3800 mm)
• dell’asse del bordo ellittico del riflettore lungo l’asse y, B (B=330 mm)
• del numero dei piani su cui vogliamo determinare l’andamento del campo, n_tagli (n_tagli=6)
• del valore iniziale dell’ angolo formato dall’intersezione tra il primo piano su cui voglio determinare l’andamento del campo e il piano xy, in_phi (in_phi=0°)
• del valore del passo degli altri piani su cui voglio determinare l’andamento del campo, p_phi (p_phi=30°); in questo modo avendo fissato n_tagli, in_phi e p_phi si è fissato di conseguenza il valore angolare dei piani su cui voglio determinare il valore del campo, che nel nostro caso sono 0°, 30°, 60°, 90°, 120°, 150°
Andamento Guadagno Feed ,alfa=0° 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 teta(gradi) gu adag no(dB ) copolare 15,5 dB 10 dB 129,4°
Figura 4.3: Andamento Guadagno Feed sul piano α=0°
Andamento Guadagno Feed ,alfa=30°/150°
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 teta(gradi) guadagno(dB) copolare 15,5 dB 10 dB 122,8°
Andamento Guadagno Feed ,alfa=60°/120° 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 teta(gradi) guadagno(dB) copolare 10 dB 15,5 dB 93,8°
Figura 4.5: Andamento Guadagno Feed sul piano α=60°/120°
Andamento Guadagno Feed,alfa=90°
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 -30 -26 -22 -18 -14 -10 -6 -2 2 6 10 14 18 22 26 30 teta(gradi) guadagno(dB) copolare 10 dB 15,5 dB 20,8°
4.4 Risultati
Nelle figure 4.7, 4.8 e 4.9 riportiamo l’andamento del guadagno dell’Antenna Elevazione precedentemente descritta ottenuto senza avere sagomato il riflettore.
Come possiamo notare per quanto riguarda l’andamento del guadagno della componente copolare sul piano di Elevazione (Piano E), abbiamo ottenuto:
• un guadagno nella direzione di max irradiazione di 38,4 dB • una larghezza del fascio a -3 dB di 0,62°
• una larghezza del fascio a -10 dB di 1,2°
quindi abbiamo soddisfatto le richieste sul valore del guadagno e sull’andamento del lobo principale.
L’andamento ottenuto è molto soddisfacente in quanto oltre ad aver soddisfatto le richieste sul lobo principale, abbiamo ottenuto dei lobi secondari che si trovano al di sotto della maschera imposta dalle specifiche.
Per quanto riguarda invece l’andamento del guadagno della componente copolare sul piano di Azimuth, abbiamo ottenuto:
• un guadagno nella direzione di max irradiazione di 38,4 dB • una larghezza del fascio a -3 dB di 5,5°
quindi abbiamo soddisfatto le richieste sul valore del guadagno e sull’andamento del lobo principale.
In questo caso invece, mentre risultano soddisfatte le richieste sul lobo principale, l’andamento del guadagno si discosta sensibilmente dall’avere un andamento a cosec² al di fuori del lobo principale.
Infatti come abbiamo già detto per ottenere l’andamento a cosec² sarà necessario sagomare la forma del riflettore.
Andamento del guadagno sul piano di Elevazione
-35 -25 -15 -5 5 15 25 35 45 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 teta(gradi) gu a d a gno (d B ) copolare maschera -3dB -10dB 38,4dB 35,4dB - -- -- > amp. f ascio 0,62° 28,4dB - -- -- > amp. f ascio 1,2°
Figura 4.7: Andamento del guadagno della componente copolare sul piano di Elevazione per l’antenna con riflettore non sagomato.
Andamento del guadagno sul piano di Azimuth
-25 -15 -5 5 15 25 35 45 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 teta(gradi) g u a d a g no( dB ) copolare maschera -3dB 38,4dB 35,4dB ---> amp. f ascio 5,5°
Figura 4.8: Andamento del guadagno della componente copolare sul piano di Azimuth per l’antenna con riflettore non sagomato.
