Design of feed systems for hologram-based compact antenna test ranges

Abstract

A designing method for feed systems for hologram-based compact antenna test ranges (CATR) is developed. A hologram-based CATR can be used to test large antennas at millimetre and submillimetre wavelengths. Feed systems are used to provide a modified illumination for the hologram. Using the modified illumination from a feed system, narrow slots can be avoided in the hologram pattern. Narrow slots are difficult to manufacture accurately and limit the polarisation properties of the hologram.Feed systems use two shaped reflector or lens surfaces to shape the radiation pattern of a feed horn. The shaped surfaces are calculated with a ray-tracing based synthesis method and iteratively optimised based on simulation results. This synthesis method was previously used to design a 310 GHz dual reflector feed system (DRFS). In this work a 650 GHz DRFS is designed as part of large antenna measurement campaign in which a large antenna was tested in a hologram-based compact antenna test range. The DRFS is measured by near-field scanning with a planar scanner at 650 GHz. The measured amplitude ripple is about 0.8 dB peak-to-peak and the phase ripple is about 15° peak-to-peak. These measurements prove that no significant design or manufacturing errors were made.The feed system design and synthesis method has been extended also for feed systems based on shaped dielectric lenses. A dual lens feed system design example is designed, with same design goals as those with the 650 GHz DRFS. The design example proves that the synthesis method can be used also for feed systems based on shaped lenses.In this thesis, the designing method for feed systems based on either shaped reflector or lenses is presented. A 650 GHz DRFS is designed, tested, and used in a hologram-based CATR.

Tässä työssä kehitetään syöttöjärjestelmien suunnittelumenetelmä hologrammiin perustuviin kompakteihin antennimittauspaikkoihin. Hologrammiin perustuvaa antennimittauspaikkaa voidaan käyttää suurten antennien testaamiseen millimetri- ja alimillimetriaaltoalueella. Syöttöjärjestelmiä käytetään muotoillun valaisun aikaan saamiseksi hologrammille. Kun käytetään muotoiltua valaisua voidaan välttää kapeat raot hologrammissa. Kapeat raot ovat vaikeita valmistaa tarkasti ja rajoittavat hologrammin polarisaatio-ominaisuuksia.Syöttöjärjestelmässä käytetään kahta muotoiltua heijastin- tai linssipintaa syöttötorven säteilykuvion muokkaamiseen. Muotollut pinnat lasketaan säteenseurantaan perustuvalla synteesimenetelmällä ja optimoidaan iteratiivisesti simulaatiotulosten perusteella. Tätä synteesimenetelmää on aiemmin käytetty kaksiheijastimisen syöttöjärjestelmän suunnitteluun 310 GHz:lle. Tässä työssä kaksiheijastiminen syöttöjärjestelmä suunnitellaan 650 GHz:lle osana isoa antennimittaus kampanjaa, jossa mitataan suurikokoinen antenni hologrammiin perustuvassa anitennimittauspaikassa. Suunniteltu syöttöjärjestelmä mitataan planaarisella lähikenttämittauksella 650 GHz:n taajuudella. Mitattu amplitudivaihtelu on 0,8 dB huipusta huippuun ja vaihevaihtelu on noin 15° huipusta huippuun. Mittaukset osoittavat, että merkittäviä suunnittelu- tai valmistusvirheitä ei ole tehty.Syöttöjärjestelmäsuunnittelu ja synteesimenetelmä yleistetään myös dielektrisiin linsseihin perustuville syöttöjärjestelmille. Kaksilinssinen syöttöjärjestelmä suunnitellaan samoilla suunnittelutavoitteilla kuin 650 GHz:n kaksiheijastiminen syöttöjärjestelmä. Tämä suunnitelu esimerkki todistaa, että kyseistä suunnittelu- menetelmää voi käyttää myös linsseihin perustuvien syöttöjärjestelmien suunnitteluun.Tässä työssä esitetään suunnittelumenetelmä muotoiltuihin linsseihin tai heijastimiin perustuville syöttöjärjestelmille. Kaksiheijastiminen syöttöjärjestelmä suunnitellaan, testataan ja sitä käytetään antennimittauksissa hologrammiin perustuvassa antenni-mittauspaikassa.