Applications of hologram-based compact range : antenna radiation pattern, radar cross section, and absorber reflectivity measurements

Abstract

This thesis focuses on applications of the hologram-based compact range at submillimeter wavelengths. The work is divided into two parts: compact range for antenna radiation pattern measurements, which can be used for testing satellite antennas and compact range for radar cross section (RCS) measurements, which can be used for radar system development, getting data needed for target recognition and target RCS reduction. The RCS range has also been used for measuring the reflectivity level of radar absorbing materials.

Compact antenna test range (CATR) has been developed and used for antenna measurements at 322 GHz and also successfully demonstrated at 650 GHz. A large-sized CATR was built for measuring a 1.5-meter reflector antenna ADMIRALS RTO at 322 GHz. Assembly of the CATR, testing of the antenna and the disassembly were all done within two months. The 3-meter hologram was constructed from three pieces of patterned copper-plated Mylar, which were joined together by soldering. The quiet zone had a 1.2 dB amplitude dip and a saddle-shaped equiphase surface (p-p deviation 250°). The co-polar radiation pattern of the RTO was measured at vertical polarization. The measured radiation pattern agrees reasonably well with the simulated one. The measured 3 dB beam width is 0.086° (E-plane) and 0.050° (H-plane) as the simulated widths are 0.053° and 0.045°. Differences between the simulated and measured patterns are partly caused by the antenna structure itself and partly by the measurement range.

A compact range based on a phase hologram was developed for RCS measurements. The hologram structure used in these measurements was fabricated on a 5 mm thick, 28 cm × 24 cm Teflon plate. In the horizontal and vertical directions the quiet-zone field amplitude and phase ripples are 3.3 dB and 23°, peak-to-peak, and 0.9 dB and 23°, peak-to-peak, respectively. The quiet-zone diameter is 12 cm. Radar cross sections of a cylinder and a "missile like" target were both simulated and measured. All the main features of the RCS could be seen from the results. The results are very promising. The range was also used for measuring reflectivity of absorbing materials. RCS method was used and the backscattered reflection was measured with horizontal and vertical polarizations in plane-wave conditions. The results agree well with those obtained in the previous studies and complement them with new materials, frequency, and angle information. The result can also be used in CATR development.

Tässä väitöskirjassa on tutkittu hologrammiin perustuvan kompaktin mittauspaikan sovelluksia alimillimetriaaltoalueella. Työssä kaksi osa-aluetta: amplitudihologrammiin perustuva kompakti antennimittauspaikka, jota voidaan käyttää satelliittiantennien testaukseen sekä vaihehologrammiin perustuva kompakti tutkapoikkipinnanmittauspaikka, jota voidaan käyttää tutkajärjestelmien kehittämiseen, kohteiden tunnistamisen tarvittavan tiedon keräämiseen sekä apuna kohteiden tutkapoikkipinnan minimoinnissa. Mittauspaikkaa on käytetty myös radioaaltoja absorboivien materiaalien heijastuvuuden tutkimiseen.

Kompaktia antennimittauspaikkaa on kehitetty ja käytetty antennimittauksiin taajuudella 322 GHz sekä se on osoitettu toimivaksi taajuudella 650 GHz. Mittauspaikassa on testattu 1,5 m heijastinantenni ADMIRALS RTO 322 GHz:n taajuudella. Koko mittauskampanja, paikan kokoaminen ja purkaminen mukaan luettuna, kesti noin kaksi kuukautta. Hologrammikuvio etsattiin kolmelle palalle metalloitua Mylar-kalvoa ja osat liitettiin juottamalla. Hologrammin tuottamassa hiljaisen alueen kentässä havaittiin 1,2 dB amplitudikuoppa ja satulanmallinen vakiovaihepinta (huipusta huippuun 250°). Antennin suuntakuvio mitattiin pystypolarisaatiolla. 3 dB:n keilanleveyksiksi mitattiin 0,086° E-tasossa ja 0,050° H-tasossa ja simuloidut keilanleveydet olivat 0,053° ja 0,045°. Erot mitatun ja simuloidun suuntakuvion välillä aiheutuvat antennin rakenteen epätarkkuudesta ja antennimittauspaikan hiljaisen alueen epäideaalisuudesta.

Vaihehologrammiin perustuvassa kompaktissa mittauspaikkassa voidaan mitata pienoismallien tutkapoikkipintoja. Mittauksissa käytetty, urakuviosta koostuva hologrammi valmistettiin 5 mm paksulle, 28 cm x 24 cm kokoiselle Teflon-levylle. Hiljaisen alueen amplitudi- ja vaihevaihtelut olivat vaakatason leikkauksessa 3,3 dB ja 23° huipusta huippuun ja pystytason leikkauksessa 0,9 dB ja 23° huipusta huippuun. Hiljaisen alueen halkaisija oli 12 cm. Sylinterin sekä yksinkertaistetun, ohjusta muistuttavan, kohteen tutkapoikkipinnat mitattiin ja simuloitiin. Kaikki kohteiden tutkapoikkipoikkipinnan pääpiirteet näkyivät mittaustuloksissa ja mittauspaikan kehitysmahdollisuudet näyttävät hyviltä. Mittauspaikkaa käytettiin myös radioaaltoja absorboivien materiaalien heijastavuuksien tutkimiseen tutkapoikkipinnan mittaukseen perustuvalla menetelmällä. Heijastavuus mitattiin sekä vaaka- että pystypolarisaatiolla. Tutkimustulokset täydentävät aiempia materiaalien heijastavuustutkimuksia sekä antavat lisätietoa eri materiaalien ominaisuuksista alimillimetrialueella. Tuloksia voidaan hyödyntää myös antennimittauspaikan kehitystyössä.