Studies on an amplitude hologram as the collimator in a submillimeter-wave compact antenna test range

Abstract

This thesis is based on the research work, the objective of which has been to develop a hologram-based compact antenna test range (CATR) for submillimeter wavelengths. Such a measurement facility is needed for testing antennas of, e.g., astronomical and Earth observation satellites. The further objective has been to improve electrical characteristics of the hologram, as well as its manufacturing properties. The hologram studied in this thesis is a slot pattern processed on a thin metal-plated Mylar film and it is used as a transmission-type collimating element.

A hologram-based CATR was designed and constructed for 322 GHz and was used for testing a 1.5 meter reflector antenna (Admirals RTO). A hologram of 3 meters in diameter was soldered together from three pieces, which were manufactured on 50 µm-thick copper-plated Mylar film by using laser-exposure and wet-etching. Partly due to manufacturing errors, the measured quiet-zone amplitude and phase deviations were appr. 1.2 dB and 250° within a region of 1.5 meters in diameter. The effect of these deviations on antenna measurement results was estimated by simulations.

Feasibility of the hologram for 650 GHz has also been studied. Laser-exposure and wet-etching has been found to be a potentially suitable manufacturing method for frequencies up to 1000 GHz. The 50 µm Mylar film is a suitable material for frequencies up to 650 GHz, but at higher frequencies the film has to be thinner to avoid resonances inside the film. The 25 µm Mylar film is estimated to be suitable for frequencies up to 1000 GHz.

According to studies at 310 GHz, the hologram works well also as a reflection-type element. In the reflection-type setup, the power loss of the hologram is appr. 7.4 dB that is 4 dB lower than that in the transmission-type setup.

Using a shaped beam for illumination has been studied at 310 GHz. A hologram pattern designed for such an illumination can be simplified from one designed for a conventional horn illumination. A simplified hologram pattern is easier to manufacture and it is more robust against manufacturing errors. In addition, its polarization properties are significantly improved: operation at the horizontal polarization is possible and cross-polarization is reduced substantially. Earlier, the operation of the hologram has been possible only at the vertical polarization. According to these studies, it appears that by using a shaped illumination the operation can be designed to be almost independent of polarization.

Tämä väitöskirja pohjautuu tutkimustyöhön, jonka tavoitteena on ollut kehittää hologrammiin perustuva kompakti antennimittauspaikka alimillimetriaaltoalueelle. Tällaista mittauspaikkaa tarvitaan mm. astronomisten ja Maan ilmakehää luotaavien satelliittien antennien testauksessa. Lisätavoitteena on ollut parantaa hologrammin ominaisuuksia niin sähköisesti kuin valmistusteknisestikin. Tässä tutkimuksessa käsitelty hologrammi on ohuelle, metalloidulle Mylar-kalvolle valmistettu rakokuvio, joka toimii läpäisytyyppisenä kollimoivana elementtinä.

Hologrammiin perustuva kompakti antennimittauspaikka suunniteltiin ja rakennettiin taajuudelle 322 GHz ja sitä käytettiin 1,5-metrisen heijastinantennin (Admirals RTO:n) testaukseen. Halkaisijaltaan 3-metrinen hologrammi juotettiin yhteen kolmesta palasta, jotka oli valmistettu 50 µm:n paksuiselle kuparoidulle Mylar-kalvolle käyttäen laservalotusta ja märkäetsausta. Johtuen mm. hologrammin valmistusvirheistä mitattu hiljaisen alueen amplitudi- ja vaihevaihtelu oli n. 1,2 dB ja 250° 1,5 metrin kokoisella alueella. Tämän vaikutusta antennimittauksiin arvioitiin simuloinnein.

Myös hologrammin soveltuvuutta 650 GHz:n taajuudelle tutkittiin. Laservalotus ja märkäetsaus on havaittu tarkkuudeltaan sopivaksi valmistusmenetelmäksi mahdollisesti jopa 1000 GHz:n taajuudelle asti. 50 µm:n Mylar-kalvo on sopiva materiaali aina taajuudelle 650 GHz asti, mutta suuremmilla taajuuksilla kalvon on oltava ohuempi, jotta sen sisälle ei syntyisi resonansseja. 25 µm:n Mylar-kalvon on arvioitu olevan sopiva aina 1000 GHz:in asti.

310 GHz:lla tehtyjen tutkimusten mukaan hologrammi toimii hyvin myös heijastustyyppisenä elementtinä. Tällöin hologrammin tehohäviö on noin 7,4 dB, mikä on 4 dB vähemmän kuin häviö läpäisytyyppisessä toiminnassa.

Muotoillun keilan käyttöä hologrammin valaisuun tutkittiin 310 GHz:lla. Muotoillulle valaisulle suunniteltu hologrammikuvio on yksinkertaisempi kuin tavalliselle torviantennin valaisulle suunniteltu kuvio; yksinkertaisempi kuvio on helpompi valmistaa ja se sietää enemmän valmistusvirhettä. Myös sen polarisaatio-ominaisuudet ovat huomattavasti paremmat: toiminta myös vaakapolarisaatiolla on mahdollista ja ristipolarisaatiotaso laskee merkittävästi. Aiemmin hologrammin toiminta on ollut mahdollista vain pystypolarisaatiolla. Tutkimusten mukaan muotoiltua valaisua käyttäen hologrammin toiminta on mahdollista suunnitella lähes riippumattomaksi polarisaatiosta.