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Laurea Specialistica in Ingegneria Elettronica
Analisi di Superfici Selettive
in Frequenza (FSS)
di geometria cilindrica per
radome d’antenna
Laureando: Elia Di Salvo
Relatore
Fabrizio Frezza
Correlatore
Ing. Stefano Mosca
Sommario
1
Generalità FSS
- Tipologie
- Applicazioni
2
Teorema di Floquet per strutture periodiche cilindriche
- Periodicità
- Modi di Floquet cilindrici
3
Analisi delle Superfici Selettive in Frequenza Cilindriche(CFSS)
- Patch metallici free-standing
- Slot free-standing
- Accelerazione convergenza
4
Risultati numerici (Matlab)
- Radiazione da CFSS patch
- Coupling in CFSS slot
- Funzioni approssimanti
2
Tipologie FSS (1)
3
Tipologie FSS (2)
Limite fisica
realizzabilità
4
Applicazioni (1)
- Polarizzatori
- Realizzazione di cavità laser
- Superfici selettive solari (celle solari)
- Radome (Radar-dome)
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Ground Based Radome
Aircraft Radome
5
Applicazioni (2)
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
6
Periodicità
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
Planar FSS
Superficie conica:
- non periodica
- analisi approssimata tramite CFSS tangente
(approssimazione migliore del piano tangente )
CFSS
7
Modi di Floquet cilindrici
Struttura periodica cilindrica con onda cilindrica incidente
- Onde scatterate periodiche
- Rappresentazione con modi di Floquet cilindrici
Onda piana incidente
-Rappresentazione tramite onde cilindriche
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Patch metallici free-standing (1)
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
Cella unitaria
CFSS
9
Patch metallici free-standing (2)
Si trascura
poiché w<<l
equazione integrale che si
risolve col MoM
con approccio alla Galerkin
10
Slot free-standing
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
Cella unitaria
CFSS
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Accelerazione convergenza
Patch
Slot
Trasformazione di Kummer
La 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
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Radiazione da CFSS-patch (1)
Misure di potenza irradiata a grande distanza da una
Electric Line Current assiale.
Si normalizza rispetto al caso di assenza della CFSS
Eccitazione
Struttura reciproca
Si riportano gli andamenti Prad / Pinc
13
Radiazione da CFSS-patch (2)
Tz=100mm, l=90mm, b=50mm, w=4mm, N=16
Risonanza ≈ 1.75 GHz, ovvero l ≈ 0.5λ0
Effetto Fabry Pérot
14
Radiazione da CFSS-patch (3)
Tz=100mm, l=90mm, b=50mm, w=4mm, N=32
Risonanza ≈ 1.75 GHz ovvero l ≈ 0.5λ0
Effetto Fabry Pérot
15
Radiazione da CFSS-patch (4)
Tz=100mm, l=90mm, b=50mm, w=4mm, N=64
Risonanza ≈ 1.75 GHz ovvero l ≈ 0.5λ0
Effetto Fabry Pérot
16
Radiazione da CFSS-patch (5)
Tz=100mm, l=90mm
b=50mm, w=4mm
Alì Uzer and Tuncay Ege
Radiation from a Current Filament Located inside a
Cylindrical Frequency Selective Surface
ETRI Journal, Volume 26, Number 5, October 2004
17
Radiazione da CFSS-patch (6)
Tz=100mm, b=50mm, w=4mm, N=64
Risonanze a 1.72GHz, 1.83GHz , 1.94 GHz ovvero l ≈ 0.5λ0
18
Radiazione da CFSS-patch (7)
Tz=100mm b=50mm
w=4mm
N=64
Alì Uzer and Tuncay Ege
Radiation from a Current Filament Located inside a
Cylindrical Frequency Selective Surface
ETRI Journal, Volume 26, Number 5, October 2004
19
Radiazione da CFSS-patch (8)
Tz=80mm, l=75mm, b=50mm, w=4mm
Raggio di curvatura ≈ 3.2 m
Risonanza a 2.1GHz ovvero l ≈ 0.5λ0
Effetto Fabry Pérot
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Radiazione da CFSS-patch (9)
Tz=55mm, b=50mm, w=4mm, l=50mm, N=250
Raggio di curvatura ≈ 2 m
Risonanza ≈ 2.8GHz ovvero l ≈ 0.5λ0
Effetto Fabry Pérot
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Incidenza su CFSS-patch
-Si considera l’incidenza di un’onda cilindrica dall’esterno
-Si misurano i campi sull’asse del cilindro
Tz=100mm, l=90mm, b=50mm, w=4mm, N=64
Deterioramento risonanza dovuto a correnti indotte minori
22
Coupling in CFSS-slot (1)
Vengono riportati gli andamenti della funzione Coupling
per un’onda cilindrica incidente dall’esterno
Text 1
Text 3
Text 4
Si sfrutta la reciprocità della struttura, quindi si considera
una Magnetic Line Current disposta sull’asse del cilindro
Eccitazione
- Calcolo dei soli modi in propagazione
- Uso delle forme approssimate per
grande ordine per le funzioni di Bessel
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Coupling in CFSS-slot (2)
Tz=100mm, b=50mm, w=4mm, l=90mm
Trasparenza per f≈1,9 GHz ovvero l≈0.6λ
Effetto Fabry Pérot
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Coupling in CFSS-slot (3)
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Funzioni approssimanti (1)
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
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Funzioni approssimanti (2)
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Conclusioni e sviluppi futuri
- 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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LOGO
Grazie per l’attenzione
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