Muotoiltujen heijastinantennien suunnittelu ja antennimittaukset alimillimetriaaltoalueella

In this thesis, a ray-tracing based synthesis procedure for shaped dual reflector antennas at the sub-mm wavelengths is developed. A dual reflector feed system (DRFS) consisting of two shaped hyperboloid reflectors for hologram based compact antenna test range (CATR) is designed. The DRFS provides a shaped hologram illumination improving the hologram performance and manufacturability. The DRFS operation is verified with simulations and planar near-field measurements at 310 GHz. The measured and simulated beams are within ±0.3 dB from each other. The applicability of the DRFS for providing a shaped illumination for the holograms in CATRs is verified experimentally with quiet-zone field amplitude and phase measurements of test holograms at 310 GHz. The shaped hologram illumination eliminates narrow slots in the hologram pattern, which simplifies the etching of the pattern. In addition, the shaped illumination allows the holograms to operate also at the linear horizontal polarisation as previously the hologram operation was limited to the vertical polarisation. Cross-polarisation properties of the holograms are investigated using a polarization grid to suppress the cross-polarisation in the hologram illumination by 21 dB. It is concluded that the hologram contributes mostly to the cross-polarisation level of a hologram-based CATR. By the placing the cross-polarisation grid behind the hologram, the cross-polarisation level in the quiet-zone can be reduced to below −33 dB. For improving the measurement accuracy of planar near-field measurements at sub-mm wavelengths, the measurement errors and their contribution to the measurement uncertainty are determined. The measurement system is improved for more accurate near-field measurements. Error correction techniques based on error measurements are used to reduce the phase measurement uncertainty from ±14° to ±8° at 310 GHz in one-dimensional scans of a plane wave corresponding to the quiet-zone of a hologram. A hologram-based CATR is constructed for testing a 1.5 m reflector antenna (ADMIRALS RTO) at 322 GHz. The measured radiation pattern of the RTO corresponds reasonably well to the simulated pattern, but the quiet-zone field non-ideality affects the measurement results. As estimated effect of the quiet-zone does not explain all the discrepancies between the measurements and simulations, it is concluded that the reflector surface differs from the simulated surface.Tässä väitöskirjassa kehittiin säteenseurantaan perustuva kahden muotoillun heijastinantennin synteesimenetelmä alimillimetriaaltoalueelle. Menetelmän avulla suunnitellaan kahteen muotoiltuun hyperboloidiheijastimeen perustuva kvasioptinen syöttö hologrammiin perustuvaan kompaktiiin antennimittauspaikkaan. Kvasioptinen syöttö mahdollistaa hologram muotoillun valaisun avulla merkittäviä parannuksia hologrammin toimintaan: valmistettavuus helpottuu ja hologrammi voi toimia myös vaakapolarisaatiolla. Tähän asti hologrammin toiminta on rajoittunut pystypolarisaatiolle. Kvasioptisen syötön toiminta testataan simuloinnein ja planaarisen lähikenttämittauksin 310 GHz:n taajuudella. Mitattu ja simuloitu keila vastaavat toisiaan ±0.3 dB:n tarkkuudella. Syötön soveltuvuus hologrammien valaisuun varmistetaan koehologrammien mittausten avulla ja parannukset hologrammien toimintaan osoitetaan mittausten avulla. Hologrammien ristipolarisaatio-ominaisuuksia tutkitaan polarisaattorihilan avulla, joka vähentää ristipolarisaatiota 21 dB hologrammin valaisussa. Tämän kokeen perusteella hiljaisen alueen ristipolarisaatio aiheutuu pääasiassa hologrammin itsensä tuottamasta ristipolarisaatiosta. Käyttämällä polarisaattorihilaa hologrammin ja hiljaisen alueen välissä voidaan mittauspaikan ristipolarisaatiotaso laskea alle -33 dB:n. Planaaristen lähikenttämittausten tarkkuuden parantamiseksi alimillimetriaaltoalueella tarkastellaan mittausvirhelähteitä ja niiden vaikutusta mittausepävarmuuteen. Mittausjärjestelmää parannetaan mittausten tarkkuuden ja toistettavuuden parantamiseksi. Erillisiin virheen mittauksiin perustuvia virheenkorjausmenetelmiä käytetään vaiheen mittausepävarmuuden pienentämiseksi. Näiden menetelmien avulla mittausepävarmuus pienenee ±14°:sta ±8°:een 310 GHz:llä tasoaallon vaiheen mittauksessa kentän pysty- ja vaakaleikkauksissa. Hologrammiin perustuva kompakti antennimittauspaikka rakennetaan 1.5-metrin heijastinantennin testaamiseksi taajuudella 322 GHz. Antennin mitattu suuntakuvio vastaa simuloitua suuntakuviota melko hyvin, mutta mittauspaikan epäideaalinen hiljainen alue vaikuttaa mittaustulokseen. Kaikki erot mitatun suuntakuvion ja simulointien välillä, kun otetaan huomioon arvioitu hiljaisen alueen kentän vaikutus, eivät johdu hiljaisen alueen kentästä. Näin ollen voidaan todeta että testattavan antennin peilin pinnan muoto poikkeaa simuloinneissa käytetystä pinnasta.reviewe

Hologrammiin perustuvan kompaktin antennimittaradan syöttö

Tässä diplomityössä on tutkittu hologrammiin perustuvan kompaktin antennimittaradan syötön toteuttamista muotoilluilla heijastimilla. Hologrammi on rakenteensa takia polarisaatio- ja taajuusriippuva fokusoiva elementti kompaktissa antennimittaradassa. Taajuus- ja polarisaatioriippuvuutta pyritään vähentämään ja hologrammin valmistamista pyritään yksinkertaistamaan muokkaamalla hologrammin valaisukenttää hologrammin syötöllä. Hologrammin syötön toteutusmahdollisuuksien selvittäminen aloitettiin perehtymällä geometriseen ja fysikaaliseen optiikkaan sekä erilaisiin kiilan diffraktion teorioihin ja niiden käyttöön heijastinantennien säteilyn laskemiseen. Lisäksi perehdyttiin muotoiltujen heijastinantennien synteesimenetelmiin ja -välineisiin. Hologrammin syötön suunnittelun pohjaksi mitattiin 310 GHz:n korrugoidun torven säteilyn suuntakuvio. Lopuksi tutkittiin hologrammin syötön toteuttamisen edellytyksiä muotoilluilla heijastimilla ja mahdollisia heijastimiin perustuvan syötön rakenteita. Syötön heijastimien kokoon vaikuttavat hologrammille haluttu valaisu, syöttötorven keilan muoto, käytetyn teholähteen koko ja hologrammin polttoväli. Syöttörakenteiden geometriasta laskettiin arvio kahden ellipsin muotoisen muotoillun hyperboloidipinnan puoliakselien minimipituuksille. Pääheijastimen minimihalkaisijaksi saatiin 13-20 cm ja apuheijastimen minimihalkaisijaksi 6-15 cm, kun hologrammin halkaisija on 60 cm. Lopuksi selvitettiin lyhyesti hologrammin syötön toteuttamismahdollisuuksia muotoillulla linssillä ja muokatun läpäisykertoimen omaavalla dielektrisellä kalvolla