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Antenne a Riflettore - Appunti e tesina

Appunti con Tesina svolta durante l'esame di Antenne con il Ricercatore del CNR Ing. Francesco Soldovieri nell'anno accademico 2002/2003.
La tesina espone la teoria delle antenne a riflettore parabolico e propone delle Campagne di Simulazione effettuate con il programma SABOR basate sulla defocalizzazione rispetto agli x,y,z

Esame di Antenne docente Prof. F. Soldovieri

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Antenne a Riflettore

Elaborato di Antenne: “Antenne a Riflettore” 21

Docente: Ing. F. Soldovieri Studente: Michele Nava

Antenne a Riflettore

Sistemi di Antenne a doppio riflettore

Fra il riflettore principale ed il feed di un antenna a singolo riflettore può essere

inserito un sub riflettore per formare un’antenna a doppio riflettore.

L’antenna a doppio riflettore più popolare è l’antenna a riflettore asimmetrica

Cassegrain, mostrata in fig.10 (in questa configurazione il sub riflettore è quello con

tratto continuo, ovvero quello iperbolico).

Figura 10. Antenna a doppio riflettore, nelle due configurazioni Cassegrain e Gregorian.

Questa geometria produce un sistema di messa a fuoco cha fa si che i raggi emessi

dal feed posto nel vertice del riflettore principale siano riflessi da entrambi i

riflettori, ed il punto F (in fig.10), punto di fuoco virtuale, è il punto dal quale i raggi

trasmessi sembrano propagarsi con un fronte d’onda sferico dopo la riflessione sul

sub riflettore.

Un secondo tipo di antenna a doppio riflettore che offre una perfetta messa a fuoco è

il riflettore Gregorian, caratterizzato dal fatto che il sub riflettore ha forma ellittica

(in questa configurazione il sub riflettore è quello tratteggiato in figura 10).

Entrambi sistemi Cassegrain e Gregorian sono usati nei telescopi ottici e prendono il

loro nome dai loro inventori.

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Antenne a Riflettore

Tali sistemi a doppio riflettore offrono il notevole vantaggio di avere il feed

convenientemente posizionato vicino al vertice del riflettore principale, ciò permette

un facile accesso alla regione di feed e riduce il problema delle strutture di supporto

che ostacolando in parte il campo riflesso, provocano delle perdite.

Altro vantaggio notevole, che favorisce il loro uso in campo astronomico, è la

minore presenza del rumore termico da terra, infatti la radiazione che non è

intercettata dal doppio riflettore (perdita di spillover) è diretta verso il cielo dove vi

è meno interferenza dovuta al rumore termico, rispetto alla zona a terra.

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Antenne a Riflettore

Campagne di Simulazione

Dopo aver dato alcuni cenni dal punto di vista teorico sulle antenne a riflettore, è

opportuno metterne in evidenza alcuni aspetti caratteristici, mediante alcune

simulazioni al calcolatore, usando il programma Sabor.

Prima campagna di Simulazione

In questa prima serie di simulazioni al calcolatore si vuole mettere in evidenza la

differenza che si ha nel considerare antenne a riflettore caratterizzate da un

differente rapporto f/D, ovvero fuoco su diametro di apertura del riflettore.

E’ bene sottolineare che in questa fase si è usato un feed ideale, ovvero che non

effettua un blocco sul campo riflesso dal riflettore parabolico, mentre per quanto

riguarda la frequenza di lavoro di questa simulazione e delle successive è sempre di

10 GHz (si lavora pertanto al frequenze che caratterizzano le microonde, ed in

particolare a 10 GHz, siamo in corrispondenza di una lunghezza d’onda di 3 cm).

Come si può vedere dalle seguenti figure, prima si considera un rapporto f/D=1, con

il diagramma che riguarda il pattern di radiazione, il campo di apertura e la

geometria corrispondente, dopo si esaminano i diagrammi riguardanti f/D=2, f/D=3

ed f/D=0.45.

Infine si ha una tabella riassuntiva delle differenze che caratterizzano queste quattro

configurazioni.

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Antenne a Riflettore

Figura 11. Pattern di radiazione dell'antenna a riflettore caratterizzata da un rapporto f/D=1.

Figura 12. Campo d'apertura dell'antenna a riflettore caratterizzata da un rapporto f/D=1.

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Antenne a Riflettore

Figura 13. Geometria dell'antenna a riflettore caratterizzata da un rapporto f/D=1.

Figura 14. Pattern di radiazione dell'antenna a riflettore caratterizzata da un rapporto f/D=2.

Figura 15. Campo d’apertura dell'antenna a riflettore caratterizzata da un rapporto f/D=2.

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Antenne a Riflettore

Figura 16. Geometria dell'antenna a riflettore caratterizzata da un rapporto f/D=2.

Figura 17. Pattern di radiazione dell'antenna a riflettore caratterizzata da un rapporto f/D=3.

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Antenne a Riflettore

Figura 18. Campo d'apertura dell'antenna a riflettore caratterizzata da un rapporto f/D=3.

Figura 19. Geometria dell'antenna a riflettore caratterizzata da un rapporto f/D=3.

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Antenne a Riflettore

Figura 20. Pattern di radiazione dell'antenna a riflettore caratterizzata da un rapporto f/D=0.45.

Figura 21. Campo d'apertura dell'antenna a riflettore caratterizzata da un rapporto f/D=0.45.

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Figura 22. Geometria dell'antenna a riflettore caratterizzata da un rapporto f/D=0.45.

f/D=0,45 F/D=1 F/D=2 F/D=3

Gain 39.52 dB 39.51 dB 39.5 dB 39.5 dB

Larghezza 1.994 1.96 1.96 1.96

di Banda

Eff. di blocco 0 dB 0 dB 0 dB 0 dB

Eff. di Spillover -0.236 dB -0.401 dB -0.443 dB -0.451 dB

Eff. di Apertura -0.648 dB -0.49 dB -0.456 dB -0.45 dB

Coeff. di riflessione -26.2 dB -20.7 dB -15 dB -11.5 dB

dell’horn

Analizzando i precedenti diagrammi e la tabella riassuntiva, è possibile trarre alcune

interessanti conclusioni. Innanzitutto si ha che il guadagno non varia molto al

variare del rapporto f/D, anche se in corrispondenza di f/D=0.45 si ha il guadagno

più alto, ciò è dovuto al fatto che il feed risulta più vicino al riflettore e pertanto

diminuisce notevolmente la perdita dovuta al fattore di spillover (come detto

precedentemente), di contro al diminuire del rapporto f/D si ha un aumento delle

perdite dovute al fattore di apertura, infatti qui si ha il campo di apertura più

taperato, tuttavia avere un rapporto f/D=0.45 rappresenta il migliore compromesso

per avere il più alto guadagno.

Per quanto riguarda il fattore di efficienza di blocco dovuto al feed che in parte

ostacola il campo retrodiffuso dal riflettore, si può notare che è nullo, perché si è

usato un horn ideale.

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Antenne a Riflettore

Si tiene invece conto del coefficiente di riflessione dell’horn che come si poteva

prevedere diminuisce allontanando il feed dal riflettore, e perciò aumentando il

rapporto f/D.

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Antenne a Riflettore

Seconda campagna di Simulazione

In questa seconda campagna di simulazione si vuole mettere in evidenza la

differenza che si ha quando, invece di usare un horn ideale, si usa un horn reale (di

raggio 12.54 cm), con il conseguente “blocco” sul campo retrodiffuso dal riflettore

che ne viene.

Figura 23. Pattern di radiazione dell'antenna a riflettore caratterizzata da un rapporto f/D=1.

Figura 24. Campo d'apertura dell'antenna a riflettore caratterizzata da un rapporto f/D=1.

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Antenne a Riflettore

Figura 25. Geometria dell'antenna a riflettore caratterizzata da un rapporto f/D=1.

Figura 26. Pattern di radiazione dell'antenna a riflettore caratterizzata da un rapporto f/D=2.

Figura 27. Campo d'apertura dell'antenna a riflettore caratterizzata da un rapporto f/D=2.

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Antenne a Riflettore

Figura 28. Geometria dell'antenna a riflettore caratterizzata da un rapporto f/D=2.

Figura 29. Pattern di radiazione dell'antenna a riflettore caratterizzata da un rapporto f/D=3.

Figura 30. Campo d'apertura dell'antenna a riflettore caratterizzata da un rapporto f/D=3.

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Antenne a Riflettore

Figura 31. Geometria dell'antenna a riflettore caratterizzata da un rapporto f/D=3.

Figura 32. Pattern di radiazione dell'antenna a riflettore caratterizzata da un rapporto f/D=0.45.

Figura 33. Campo d'apertura dell'antenna a riflettore caratterizzata da un rapporto f/D=0.45.

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Antenne a Riflettore

Figura 34. Geometria dell'antenna a riflettore caratterizzata da un rapporto f/D=0.45.

f/D=0,45 F/D=1 F/D=2 F/D=3

Gain 28.37 dB 37 dB 37.89 dB 37.06 dB

Larghezza 3.438 2.269 1.891 1.788

di Banda

Eff. di blocco -3.9dB -0.769 dB -0.366 dB -0.27 dB

Eff. di Spillover 0.029dB -0.358 dB -1.57 dB -2.93 dB

(trascurabile)

Eff. di Apertura -8.16 dB -2.28 dB -0.574 dB -0.135 dB

Coeff. di riflessione -3.42 dB -10.4 dB -16.4 dB -19.9 dB

dell’horn

Come si può notare dalla tabella riassuntiva il guadagno diminuisce rispetto a

quando si era usato un horn ideale, ed a far diminuire il guadagno interviene il

fattore di efficienza di blocco, che è più elevato quanto più il feed è vicino al

riflettore parabolico.

I risultati riguardanti il fattori di efficienza di spillover e di apertura hanno un

andamento simile a quello visto nella prima campagna di simulazione, ovvero al

crescere del rapporto f/D diminuisce il fattore di efficienza di spillover ed aumenta il

fattore di efficienza di apertura.

E’ importante soffermarsi invece sui campi di apertura nelle quattro configurazioni

viste, infatti si può notare nelle fig. 24, 27, 30, 33 che il modulo del campo di

apertura (calcolato in corrispondenza della linea rossa nelle fig. 25, 28, 31, 34

riguardanti la geometria), presenta un azzeramento nella regione centrale (dove vi è

il blocco dell’horn reale).

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Per quel che riguarda la fase si può notare che più l’horn è vicino e più si ha uno

sfasamento rispetto al comportamento ideale.

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Terza campagna di Simulazione

In questa campagna si simulazione è messa in evidenza la defocalizzazione del feed

e gli effetti che essa comporta, ovvero cosa avviene nel momento in cui il feed viene

spostato dal fuoco, rispetto ad uno degli assi, secondo il sistema di riferimento

raffigurato in figura.

Figura 35. Sistema di riferimento con l'origine sul fuoco della parabola.

Prima di passare alla descrizione dettagliata delle simulazioni, è bene puntualizzare

che si fatto riferimento ad un rapporto f/D sempre uguale a 1, ad un horn ideale ed

una frequenza di lavoro sempre di 10 GHz.

Defocalizzazione rispetto all’asse z

Nella prima simulazione si sposta in avanti il feed lungo z di 3 volte la lunghezza

d’onda (ovvero 9 cm), e si ottiene la seguente geometria.

Elaborato di Antenne: “Antenne a Riflettore” 38

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Antenne a Riflettore

Figura 36. Gemetria del sistema con il feed spostato in avanti

lungo l'asse z di 3 lunghezze d'onda.

Questo avvicinamento del feed alla superficie riflettente provoca un certo

sfasamento nel campo d’apertura, come si può vedere nella seguente figura, nella

quale in rosso è rappresentato il modulo del campo di apertura ed in blu la fase.

Figura 37. Campo di apertura del sistema con il feed spostato in avanti

lungo l'asse z di 3 lunghezze d'onda.

Per quanto riguarda il pattern di radiazione questa defocalizzazione del feed porta ad

un allargamento del lobo principale, che porta ad “inglobare” i primi lobi laterali,

come si può vedere nella seguente figura, oltre a portare una diminuzione del

guadagno, come si vedrà meglio nella tabella riassuntiva.

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Antenne a Riflettore

Figura 38. Pattern di radiazione del sistema con il feed spostato in avanti

lungo l'asse z di 3 lunghezze d'onda.

E’ possibile anche osservare il pattern di radiazioni in coordinate polari, che nel caso

della defocalizzazione lungo z, eccetto un certo allargamento del fascio, non dà

informazioni rilevanti.

Figura 39. Pattern di radiazione in coordinate polari del sistema con il feed

spostato in avanti lungo l'asse z di 3 lunghezze d'onda.

Nella successiva simulazione si è spostato il feed di 3 lunghezze d’onda indietro,

ottenendo al seguente geometria.

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Antenne a Riflettore

Figura 40. Geometria del sistema con il feed spostato indietro

lungo l'asse z di 3 lunghezze d'onda.

Per quanto riguarda il campo di apertura c’è sempre una sfasamento dovuto alla

defocalizzazione, ma tale sfasamento ha un andamento opposto rispetto al caso

precedente, come si può vedere nella seguente figura.

Figura 41. Campo d'apertura del sistema con il feed spostato indietroi

lungo l'asse z di 3 lunghezze d'onda.

Per quanto riguarda il pattern di radiazione di ha un diagramma abbastanza simile al

caso precedente. Di seguito è riportato il pattern di radiazione sia rispetto alle

coordinate polari.

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Antenne a Riflettore

Figura42. Pattern di radiazione in coordinate polari del sistema con il feed spostato in avanti

lungo l'asse z di 3 lunghezze d'onda.

Defocalizzazione rispetto all’asse x

Nella terza simulazione si è spostato il feed lungo l’asse x di 3 lunghezze d’onda nel

verso positivo, ottenendo la seguente geometria.

Figura43. Geometria del sistema con il feed spostato

lungo l'asse x nel verso positivo di 3 volte la lunghezza d'onda.

Per quanto riguarda il campo di apertura è possibile notare nella figura sottostante

un andamento decrescente della fase.

Elaborato di Antenne: “Antenne a Riflettore” 42

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Antenne a Riflettore

Figura44. Campo d'apertura del sistema con il feed spostato

lungo l'asse x nel verso positivo di 3 volte la lunghezza d'onda.

Per quanto riguarda il pattern di radiazione si può notare che il massimo è spostato

ϕ ) di 270 gradi rispetto a quando il feed era lungo l’asse z o al

di un angolo phi (

centro del sistema di riferimento visto in fig. 35.

Figura45. Pattern di radiazione del sistema con il feed spostato

lungo l'asse x nel verso positivo di 3 volte la lunghezza d'onda

Ciò si può evidenziare ulteriormente visualizzando il pattern di radiazione in

coordinate polari.

Elaborato di Antenne: “Antenne a Riflettore” 43

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Antenne a Riflettore

Figura46. Pattern di radiazione in coordinate polari del sistema con il feed spostato

lungo l'asse x nel verso positivo di 3 volte la lunghezza d'onda

Spostando il feed di 3 lunghezze d’onda lungo l’asse negativo delle x, si ha una

situazione analoga, ma ora il massimo per il pattern di radiazione è spostato di un

ϕ ) di 180 gradi, come si può vedere nella seguente figura in alto a

angolo phi (

destra. Figura47. Pattern di radiazione del sistema con il feed spostato

lungo l'asse x nel verso negativo di 3 volte la lunghezza d'onda.

Analogamente in coordinate polari.

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Antenne a Riflettore

Figura 48. Pattern di radiazione in coordinate polari del sistema con il feed spostato

lungo l'asse x nel verso negativo di 3 volte la lunghezza d'onda.

Defocalizzazione rispetto all’asse y

In questa quinta simulazione si è spostato il feed dall’origine del sistema di

riferimento (in fig. 35) di 3 lunghezze d’onda nel verso positivo dell’asse y, come

raffigurato nella seguente figura.

Figura 42. Geometria del sistema con il feed spostato

lungo l'asse y nel verso positivo di 3 volte la lunghezza d'onda.

Questo spostamento provoca un disallineamento del pattern di radiazione, tanto che

è spostato di un angolo phi di 270 gradi.

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DETTAGLI
Esame: Antenne
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in ingegneria delle telecomunicazioni
SSD:
Università: Calabria - Unical
A.A.: 2003-2004

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Michele510 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Antenne e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Calabria - Unical o del prof Soldovieri Francesco.

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