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Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica
Analisi di Superfici Selettivein Frequenza (FSS) di geometria cilindrica per radome d’antenna
Laureando: Elia Di Salvo
Relatore Correlatore Fabrizio Frezza Ing. Stefano Mosca
Sommario
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Teorema di Floquet per strutture periodiche cilindriche- Periodicità- Modi di Floquet cilindrici
Generalità FSS- Tipologie- Applicazioni
Analisi delle Superfici Selettive in Frequenza Cilindriche(CFSS)- Patch metallici free-standing- Slot free-standing - Accelerazione convergenza
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Risultati numerici (Matlab)- Radiazione da CFSS patch - Coupling in CFSS slot- Funzioni approssimanti 2
Tipologie FSS (1)
3
Tipologie FSS (2)
4
Limite fisicarealizzabilità
Applicazioni (1)
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5
- Polarizzatori- Realizzazione di cavità laser- Superfici selettive solari (celle solari)- Radome (Radar-dome)
Ground Based RadomeAircraft Radome
Applicazioni (2)
6
Il radome serve per proteggere l’antenna dalle condizioni ambientali circostanti (condizioni meteorologiche o forze esterne)
Deve avere le seguenti proprietà:
- Trasparente alla frequenza di trasmissione/ricezione- Opaco ai segnali di disturbo- Risposta indipendente dalla polarizzazione incidente- Risposta indipendente dalla direzione di incidenza
Radome dielettrici: non hanno selettività in frequenza
Radome FSS: elevata selettività in frequenza
Periodicità
7CFSS
Planar FSS
Strutture periodiche:- l’analisi è ridotta ad una singola cella (cella elementare o unitaria )
Strutture non periodiche: - la formulazione coinvolge tutti gli elementi della superficie- time consuming- memory consuming
Superficie conica:- non periodica- analisi approssimata tramite CFSS tangente
(approssimazione migliore del piano tangente )
Modi di Floquet cilindrici
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Struttura periodica cilindrica con onda cilindrica incidente- Onde scatterate periodiche- Rappresentazione con modi di Floquet cilindrici
Onda piana incidente -Rappresentazione tramite onde cilindriche
Patch metallici free-standing (1)
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Cella unitaria
Scattering da dipoli metallici free-standing- Si considera l’incidenza di onde cilindriche TM- Si assume w < 0.1 l e w < 0.05λ- Dipolo sottile
Soluzione al problema di scattering- Espressione dei campi scatterati tramite modi di Floquet - Condizioni al contorno - Equazione integrale per le correnti di patch e soluzione con il Metodo dei Momenti (MoM) con approccio alla Galerkin- Funzioni di espansione a dominio intero CFSS
Patch metallici free-standing (2)
10
equazione integrale che si risolve col MoM
con approccio alla GalerkinSi trascura poiché w<<l
Slot free-standing
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Cella unitaria
CFSS
Scattering da slot su schermo metallico-Si considera l’incidenza di onde cilindriche TE-Si assume w < 0.1 l e w < 0.05λ-Apertura sottile
Soluzione al problema di scattering- Espressione dei campi scatterati tramite modi di Floquet - Principio di equivalenza- Equazione integrale per i campi di slot e soluzione MoM con approccio alla Galerkin- Funzioni di espansione a dominio intero
Accelerazione convergenza
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Trasformazione di KummerLa somma infinita è decomposta in due parti di cui la prima velocemente convergente e la seconda lentamente convergente.-Espressione tramite polinomi con coefficienti dati dalle funzioni Zeta
m=n=4; p=q=7 con accelerazione m=n=8; p=q=7 senza accelerazione
Patch
Slot
Radiazione da CFSS-patch (1)
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Misure di potenza irradiata a grande distanza da una Electric Line Current assiale.Si normalizza rispetto al caso di assenza della CFSS
Si riportano gli andamenti Prad / Pinc
Eccitazione
Struttura reciproca
Radiazione da CFSS-patch (2)
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Tz=100mm, l=90mm, b=50mm, w=4mm, N=16
Risonanza ≈ 1.75 GHz, ovvero l ≈ 0.5λ0 Effetto Fabry Pérot
Radiazione da CFSS-patch (3)
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Tz=100mm, l=90mm, b=50mm, w=4mm, N=32
Risonanza ≈ 1.75 GHz ovvero l ≈ 0.5λ0 Effetto Fabry Pérot
Radiazione da CFSS-patch (4)
16
Tz=100mm, l=90mm, b=50mm, w=4mm, N=64Risonanza ≈ 1.75 GHz ovvero l ≈ 0.5λ0 Effetto Fabry Pérot
Radiazione da CFSS-patch (5)
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Tz=100mm, l=90mm b=50mm, w=4mm
Alì Uzer and Tuncay EgeRadiation from a Current Filament Located inside a Cylindrical Frequency Selective Surface ETRI Journal, Volume 26, Number 5, October 2004
Radiazione da CFSS-patch (6)
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Tz=100mm, b=50mm, w=4mm, N=64
Risonanze a 1.72GHz, 1.83GHz , 1.94 GHz ovvero l ≈ 0.5λ0
Radiazione da CFSS-patch (7)
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Tz=100mm b=50mm w=4mm N=64
Alì Uzer and Tuncay EgeRadiation from a Current Filament Located inside a Cylindrical Frequency Selective Surface ETRI Journal, Volume 26, Number 5, October 2004
Radiazione da CFSS-patch (8)
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Tz=80mm, l=75mm, b=50mm, w=4mm
Risonanza a 2.1GHz ovvero l ≈ 0.5λ0Effetto Fabry Pérot
Raggio di curvatura ≈ 3.2 m
Radiazione da CFSS-patch (9)
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Tz=55mm, b=50mm, w=4mm, l=50mm, N=250
Risonanza ≈ 2.8GHz ovvero l ≈ 0.5λ0 Effetto Fabry PérotRaggio di curvatura ≈ 2 m
Incidenza su CFSS-patch
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-Si considera l’incidenza di un’onda cilindrica dall’esterno-Si misurano i campi sull’asse del cilindro
Deterioramento risonanza dovuto a correnti indotte minoriTz=100mm, l=90mm, b=50mm, w=4mm, N=64
Coupling in CFSS-slot (1)
Text 1 Text 3 Text 4
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Vengono riportati gli andamenti della funzione Coupling per un’onda cilindrica incidente dall’esterno
Si sfrutta la reciprocità della struttura, quindi si considera una Magnetic Line Current disposta sull’asse del cilindro
- Calcolo dei soli modi in propagazione- Uso delle forme approssimate per grande ordine per le funzioni di Bessel
Eccitazione
Coupling in CFSS-slot (2)
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Tz=100mm, b=50mm, w=4mm, l=90mm
Effetto Fabry PérotTrasparenza per f≈1,9 GHz ovvero l≈0.6λ
Coupling in CFSS-slot (3)
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Funzioni approssimanti (1)
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Al crescere del numero di elementi N si hanno prodotti Jv Hv di ordine elevato.
Quando non si possono usare le forme approssimate per grande ordine, oppure per grande argomento il calcolo dei singoli fattori con Matlab può dare overflow oppure underflow.
1° Uso del calcolo simbolico - time consuming
2° Forme approssimanti ricavate in maniera empirica - estensione dell’approssimazione valida per grande argomento
Funzioni approssimanti (2)
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Conclusioni e sviluppi futuri
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- Sono state esaminate strutture cilindriche doppiamente periodiche,
che sono dal punto di vista dell’analisi, “semplici” quanto le superfici planari ma approssimano meglio del piano tangente superfici di curvatura costante
- Sono particolarmente interessanti per studiare in maniera approssimata le strutture coniche (approssimazione cilindro tangente)
Possibili sviluppi futuri possono essere:
- caratterizzazione in termini di potenza interna e potenza all’esterno della CFSS
- caratterizzazione in presenza di substrato e con geometrie patch/slot più complesse
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Grazie per l’attenzione
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