Een onderzoek naar belichters geschikt voor hoge signaal/ruis toepassingen in radiotelescopen

(1)

Een onderzoek naar belichters geschikt voor hoge signaal/ruis

toepassingen in radiotelescopen

Citation for published version (APA):

Worm, S. C. J. (1979). Een onderzoek naar belichters geschikt voor hoge signaal/ruis toepassingen in radiotelescopen. Technische Hogeschool Eindhoven.

Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1979

Document Version:

Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at: openaccess@tue.nl

providing details and we will investigate your claim.

(2)

voor hoge signaal/ruis toepassingen in radiotelescopen.

door

Ir. S.C.J. Worm.

(3)

Hl. H2. H3. 3.1. 3.2. 3.3. H4. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. 4.5. 4.5.1. 4.5.2. 4.5.3. 4.5.4. 4.5.5. 4.5.6. 4.6. 4. 7. 4.8. 4.9. 4 .10. 4 .11. Inhoudsopgave

Doe! van het onderzoek en verantwoording. Lijst van 9*bruikte symbolen en afkortingen. Samenvatting en konklusies.

Inleiding.

Rendementen en kwaliteitsfaktoren.

De gebruikte formules bij de rendementsberekeningen en de testresul-taten van het rekenprogramma.

Belichtertypen uit de literatuur. Belichters met chokes.

Gecorrugeerde coaxiale belichters en de gecorrugeerde bikonische hoorn. Hybride mode cilindrische belichters.

De geteste belichters en de referentiebelichters. Algemeen.

De referentiebelichter bij de Dwingeloo-parabool: A036D. Coaxiale belichters in kombinatie met de Dwingeloo-parabool. Bikonische hoorn in kombinatie met de Dwingeloo-parabool.

Dual hybrid mode belichters in kombinatie met de Dwingeloo-parabool. Belichter A128.

Belichters A129 en A130. Belichter A128/1.

Belichter A128/2.

Belichters A128/3 en A128/4. Belichters A128/2X en A128/5X.

Konklusies met betrekking tot de belichters voor de Dwingeloo-parabool. De referentiebelichters bij de Westerbork-parabolen.

Vervanging van de bestaande 610 MHz coaxiale belichter door een andere single - mode belichter.

Multi-mode coaxiale belichters in kombinatie met de Westerbork-parabolen. Dual hybrid mode belichters in kombinatie met de Westerbork-parabolen. Konklusies met betrekking tot de belichters voor de Westerbork-parabolen.

blz. 3 4 6 8 9 11 16 18 19 23 24 26 27 27 28 29 30 31 32 32 37 39 39 40 40 42

(4)

blz.

Literatuur1ijst. 44

Appendix: Tabe11en 19 t/m 88 en figuren 16 t/m 53 Al t/m A73

Stra1ingsdiagrammen: A036D A74 t/m ABO

Scheffer I I A81 t/m A85

Scheffer IIIb A86

A128 (1

=

57,4 mm) A87 t/m A90

A128/5X A91 t/m A98

A128/5aX A99 t/m A102

A128 (1

=

4 mm) A103 t/m A107

Gemeten vermogensref1ektie en VSWR van A108 A128/2X en A128/5X.

Re1atie vermogensref1ektie en VSWR. A109

(5)

Doel van het onderzoek is advies uitbrengen aan de opdrachtgeefster, de Stichting Radiostraling van Zon en Melkweg, met betrekking tot be-lichtars die geschikt zijn voor hoge signaal/ruis toepassingen in radiotelescopen. Meerin het bijzonder betreft het een belichter voor de radiotelescoop in Dwingeloo voor de frekwentieband 1580 - 1725 MHz.

De uitvoering van het onderzoek gebeurde in samenwerking met de Stich-ting Radiostraling van Zon en Melkweg en de Technische Hogeschool te Eindhoven in de periode 1 Augustus 1978 tot en met 30 November 1978.

Verantwoording : Mijn dank gaat uit naar A. Scholler en ir. A. van Ardenne voor de wijze waarop de contacten en de besprekingen met de Stichting Radiostraling van Zon en Melkweg zijn verlopen.

Verder gaat mijn dank uit naar dr. M. Jeuken, dr. ir. V. Vokurka, ing. M. Knoben en de werkplaats van de afdeling der elektrotechniek van de Technische Hogeschool Eindhoven voor hun bijdragen aan het onderzoek.

(6)

G

e

8o Tl Tla nabl Tlibl ns Tlp Tlx

e

s B w X-band P-band K-band d k

Lijst van gebruikte symbolen en afkortingen.

signaal/ruis verhouding.

antennewinst golflengte hoek

halve openingshoek van een parabool. rendement

apertuurrendement zonder blokkeringsinv~oed.

apertuurrendement met blokkeringsinvloed van ontvan-gerdoos en ontvangersteunen.

belichtingsrendement zonder blokkeringsinvloed. belichtingsrendement met blokkeringsinvloed van ontvangerdoos en ontvan~ersteunen.

spilloverrendement. gaasrendement

fazerendement

kruispolarisatierendement de geblokkeerde azimuth- hoek.

hoek samenhangend met de blokkering door de ont-vangerdoos.

hoek vanuit het brandpunt waaronder de steunaan-hechting op de parabooi optreedt.

hoek tussen voedingssteun en paraboolas steunbreedte

8 - 12,5 GHz 12 - 18 GHz 18 - 26,5 GHz

afstand van het brandpunt tot het fiktieve snijpunt van de voedingssteun en de paraboolas.

(7)

KWBL T

Ts

X-pol VSWR f fh F D 1 TE mode TM mode HE mode EH mode

vermogensstralingsdiagram in het E-vlak amplitudediagram in het E-vlak

vermogensstralingsdiagram in het H-vlak amplitudediagram in het H-vlak

fazekarakteristiek in respektievelijk E- en H-vlak kwaliteitsfaktor zonder blokkeringsinvloed

kwaliteitsfaktor met blokkeringsinvloed van ontvan-gerdoos en ontvangersteunen

ruistemperatuur

antenneruistemperatuur

temperatuur van de koude hemel ontvangerruistemperatuur

temperatuur van de grond

randbelichting in het E-vlak tengevolge van de primaire straler

randbelichting in het H-vlak tengevolge van de pri-maire straler

kruispolarisatie

voltage standing wave ratio frekwentie

laagste frekwentie van een frekwentieband frekwentie om welke een frekwentieband wordt genomen; niet noodzakelijkerwijs het midden van de band

hoogste frekwentie van een frekwentieband brandpunt of brandpuntsafstand

apertuurdiameter van parabool lengte

transversaal elektrische mode transversaal magnetische mode hybride mode

(8)

Samenvatting en konklusies.

In de inleiding wordt globaal aangegeven hoe een verhoging van de signaal/ruis verhouding bereikt kan worden en wat daarvan de konsekwenties zijn voor de afmetingen en de bandbreedte van de belichters.

In de hoofdstukken 1 en 2 worden de formules gegeven die nodig zijn voor de bepaling van de signaal/ruis verhouding. Het zijn formules voor de antennewinst, de systeemruistem-peratuur en de diverse rendementen. Faze-, belichtings-, spillover-, kruispolarisatie- en gaasrendement worden ge-bruikt. De invloed van de totale blokkering is in een aantal formules verwerkt. Verder worden in hoofdstuk 2 de resulta-ten samengevat van enkele tesresulta-ten die uitgevoerd zijn met het rekenprogramma.

In hoofdstuk 3 wordt nader ingegaan op belichters uit de literatuur.

In hoofdstuk 4 worden de experimenten en de resultaten uit het onderzoek besproken. Daarbij worden geteste belichters vergeleken met referentiebelichters, waarbij voor de laatste de bestaande belichters worden genomen. Het blijkt dat als schaalmodel voor bijvoorbeeld een 18 em belichter voor de Dwingeloo-parabool gebruikt kan worden belichter A128/5X. Van de geteste belichters geeft deze ten opzichte van het schaalmodel van de bestaande Dwingeloo-belichter A036' de beste resultaten. Het volgende wordt ermee bereikt.

Verhoging van de signaal/ruis verhouding: indien TR= 20 K en nt= 1 zijn de-verbeteringspercentages, l;>ij

f1 15,4%, bij f₀ 13,2%, en bij fh 6,1%. Verbetering van de symmetrie van de

niT

karakteristieken als funktie van de frekwentie: bij belichter A036' is het verschil in KWBL bij fl en fh (TR= 20 K en nt= 1) 10,8%, bij belichter Al28/5X is dat verschil slechts 1,25%. Zoals zal blijken beinvloedt de keuze van f₀ van belichter A128/5X, de per-centages. Een andere verbetering is de verlaging van de VSWR: het schaalmodel A128/5X heeft om f0 een VSWR ~ 1,06

terwijl voor het schaalmodel A036' om f₀ gemeten wordt VSWR ~ 1 ,22.

Hoewel het kruispolarisatieniveau beslist acceptabel is, heeft in dat opzicht de referentiebelichter A036' betere eigenschappen.

(9)

Uit die berekeningen waarbij aangenomen wordt dat nt= 0,93 blijkt dat de invloed van het effectief dichtmaken van het gaaa tot 8

=

36° voor belichter A128/SX groter is dan voor belichter A036'. Indien het dichtmaken tot 36° ge~

beurt bij toepassing van A036', bij TR

=

20 K, is de ver-betering van de'G/T verhouding 44, 7%. Indien hetzelfde ge-beurt bij toepassing van A128/SX is het percentage 47,6%. De

---

-percentages hangen af van nt, TR'. en de hoek tot waar het effektief dichtmaken gebeurt.

Verder blijkt uit de berekeningen dat de invloed van de blok-kering bij toepassing van A128/SX geringer is dan bij

toe

-passing van A036'. De verhouding ni/ nibl is respektievelijk

1 , 12 8 en 1 , 13 7 •

Wat Westerbork betreft kan het volgende opgemerkt worden. Verhoging van het spilloverrendement van een 610 MHz be-lichter is mogelijk. Daartoe moet de bestaande 610 MHz coaxiale belichter vervangen worden door een ronde gladde golfpijp, met een halve tophoek van 10°, waaromheen een

A/4 choke is aangebracht. Tegenover de verhoging van het spilloverrendement staat een verlaging van het belichtings-rendement. Desondanks treedt er een verhoging op van de signaal/ruis verhouding met ongeveer 10% bij TR= 20 K.

Bet gecombineerde gebruik van de 610 MHz en de 4,995 GHz belichters is dan niet mogelijk. De definitieve gegevens van de mogelijke ver-vanger van de bestaande 610 MHz belichter, komen binnenkort ter be-schikking.

Voor d~-;;~anging van de bestaande 9oo-hoorns komt tot nu toe alleen belichter A128 in aanmerking. Deze kan over een bandbreedte van 9%, gerekend vanaf de laagste frekwentie in een band, een verhoging van de signaal/ruis verhouding op-leveren die ~ 6% is bij TR = 20 K.

Voor meer gedetailleerde konklusies wordt verwezen naar 84.6 en 84.11.

In de appendix worden resultaten van metingen en berekeningen weergegeven in tabellen en grafieken. Verder zijn er tekening-en tekening-en stralingsdiagrammtekening-en van belichters in opgtekening-enomtekening-en.

(10)

·Inleiding.

Bij de vergroting van de signaal/ruis verhouding 5/N van radiotelescopen speelt de belichter, naast de ont-vanger en de reflektor, een belangrijke rol. Naarmate het veld in de apertuur van de belichter beter overeenkomt met het veld in het brandvlak van de antenne, dat ontstaat

in-dien een vlakke golf evenwijdig aan de as van de reflektor invalt, wordt er een groter rendement bereikt. Het veld in het brandvlak bestaat uit een spektrum van hybride modes [7] welke, opgebouwd gedacht kunnen worden als de som van TE en TM modes. Als men er van uitgaat dat de bestaande belichters vrijwel optimaal zijn in hun single - mode kwaliteit, kan een verbetering van s;N tengevolge van de belichter slechts gerea-liseerd worden indien meerdere modes (al dan niet hybride) kun-nen worden opgewekt of ontvangen met de te ontwerpen belichter. Deze zal daarom in het algemeen grotere apertuurafmetingen moe-ten hebben dan de single - mode belichters bij dezelfde frekwen-ties en bij dezelfde openingshoeken [9], [10], [13], [14].

In smalbandige toepassingen kan met behulp van multi - mode be-lichters een hoog rendement worden bereikt. De bandbreedte wordt beperkt doordat de modes met verschillende fazesnelheden als funktie van de frekwentie propageren. Daardoor kan een gewenste fazerelatie tussen de modes in de belichterapertuur slechts in

(11)

Hl. Rendementen en kwaliteitsfaktoren.

De signaal/ruis verhouding van een antennesysteem wordt beschreven door

G/T

Hierin wordt G gegeven door

G=

terwijl T in eerste instantie {antenne in zenith-positie) kan worden benaderd door

De faktor ap is het gedeelte van het totale vermogen, in de ruimtehoek waarover het gaasrendement van de reflektor niet gelijk is aan 1.

Het rendement n wordt in dit rapport geschreven als

n= nabl = ns nibl np nx

indien de blokkering door de ontvangerdoos en de ontvangersteunen in rekening wordt gebracht, en als

n= na = ns ni np nx

indien die blokkering niet in rekening wordt gebracht. Het gaasrendement wordt vanwege een mogelijke 6- afhankelijkheid bij het

belichtings-rendement in de integrand opgenomen. Omdat de integraal in het kwadraat voorkomt moet in de integrand lnt

fe>

staan (zie H2).

Om de eigenschappen van een kombinatie belichter-reflektor te kunnen beoordelen worden de rendementen numeriek bepaald uit de gemeten primaire stralingsdiagrammen. Om belichters te kunnen vergelijken aan de hand van een getal, wordt vervolgens een getal uitgerekend dat een maat is voor

n/T. Deze 'kwaliteitsfaktor' is

KWBL=

indien de blokkeringsinvloed wordt verrekend, en is

2 na KW=

(12)

qua definitie gelijk aan ~p waarbij echter rekening wordt gehouden met de dan optredende blokkering. Het getal KWBL sluit beter aan bij de reali-teit dan KW en wordt daarom gebruikt om het gedrag van de belichters te vergelijken. Als KWBL bij verschillende

e

_{0 wordt vergeleken, moet men} tevens het daarmee samenhangende verschil in oppervlakte van de reflektor erbij betrekken omdat anders niet de verandering in G/T maar in n/T

wordt bepaald. De formules voor de rendementen, de blokkeringsinvloed, ~p en ~pbl worden gegeven in H2.

Drie manieren om tot vergroting van G/T te komen zijn [1]: - verhoging van het belichtings- en/of het spilloverrendement - verhoging van het gaasrendement

- verlaging van de ontvangerruistemperatuur

De eerstgenoemde manier is in dit onderzoek hoofdzakelijk aan de orde. Deze kan worden verwezenlijkt door toepassing van een belichter die meer modes kan opwekken of ontvangen. De bestaande belichters kunnen dit

namelijk niet : zij zijn van het single-mode type. Enkele typen belichters die in aanmerking komen, worden toegelicht in hoofdstuk 3.

De verwezenlijking van de twee andere manieren is hier niet aan de orde, hoewel gaasrendement en ontvangerruistemperatuur parameters zullen zijn in het rekenprogramma. Van belichters die ervoor in aanmerking komen worden de stralingsdiagrammen numeriek verwerkt bij diverse nt en TR· Dit is van belang omdat zoals zal blijken, zowel de invloed van nt als van TR verschillend is bij verschillende belichters.

(13)

H2. De gebruikte formules bij de rendementsberekeningen en de testresultaten van het rekenprogramma.

Voor het apertuurrendement zonder blokkering kan worden geschreven [2], [6], [ 12],

als PE en PH de vermogensstralingsdiagrammen in dB en ¢E en ¢H de fazekarakteris-tieken in E~ en H- vlak zijn.

De samenstellende rendementen

Tl :=

F H

I

Y

tan

~

d8 ] 2 0

(14)

Voor a. p

a.

p

geldt

als ed de hoek is zodanig dat

nt = 1 voor 0 < e < ed

{

nt < 1 voor ed < e < eo

Indien het apertuurrendement met blokkering door ontvangerdoos en ontvangersteunen wordt be:r;>aald meet ni worden vervangen door nibl waarvoor geldt

2 eo 2 cot (.

2 )

als ef de hoek is die samenhangt met de blokkering van het centrale gedeelte (zie figuur 1). Voor

t;

{e) de geblokkeerde azimuth-hoek ten-gevolge van een steun geldt [8],

1. tan

t; -

w (esc e + cot e) als ef < e < es

2 -

2F

t;

2. tan 7 ~ (cot

B -

cot e> als es < e < eo 2d

(b)

(15)

Voor

a

pbl geldt (zie figuur 2)

IT[ { IFEI2 + IFHI2} sin e d e

0

met 1. ~

=

0 als ed <

e

< 8s

2. tan

i

=

w (cot

8 -

cot 8) als es <

e

<

e .

2 2d 0

fig. 2. Blokkering bij de bepaling van apbl'

De integralen in de bovenstaande formules worden in het rekenprogramma benaderd door middel van de trapeziumregel.

Deze benadering (discretisering) levert resultaten op die voldoende nauwkeurig zijn hetgeen blijkt als het programma wordt getest met het ideale belichterdiagram (ideaal althans wat het belichtingsrendement betreft) • Om zowel

ra

als ns

steld:

1. het ideale diagram is 2

e

FE

=

FH

=

sec ₂ VOOI;

F _E

(graad) ~8= 1° M= 2° analYtisch 66 0,7989 0,7989 0,79894 68 0,8619 0,8619 0,86189 70 0,9288 0,9288 0,92882 72 1,0000 1,0000 1 halve openingshoek

n1

eo

(graad) ~e

=

1° ~e = 20 analytisch 66 -72 1,0001 1,0003 1

(17)

Indien het analytische resultaat voor

ns

KorreKt wordt afgerond op 4

cijfers achter de Komma is er geen verschil tussen de numerieKe en de analy-tische resultaten voor

n .

Konkluderend Kan men stellen dat de absolute

s

waarde van de discretisatiefout in het belichtingsrendement Kleiner dan 0,04%, en in het spilloverrendement Kleiner dan 0,005% is.

Tot slot van dit hoofdstuK worden de gegevens van de parabolen uit Dwingeloo en WesterborK vermeld (zie ooK fig. 1)

Dwingeloo WesterborK F 12 m 8,75 m D 25 m 25 m d 2,35 m 1,8 m

s

22,5° 36°

ef

40 80 es 26,8° 42,6°

eo

55° 72° w 0,191 m 0,25 m F/D 0,48 0,35

Om programmeertechnische redenen is voor de Dwingelooparabool

8

8 = 26°

en voor de WesterborK-parabolen 8s

=

42° gesteld, en is w Konstant genomen bij de bereKeningen.

(18)

H3. Belichtertypen uit de literatuur.

3.1. Belichters met chokes [9] , [16] •

Scheffer beschrijft in [9] enkele gladwandige coaxiale belichters zoals die worden weergegeven in figuur 4. Het belichterapertuurveld welk nodig is voor de benadering van een sektorvormig rotatiesymme-trisch belichterdiagram wordt hierbij bereikt door excitatie van het centrale belichterdeel met de TE11 mode en de parasitaire excitatie van het coaxiale, gedeelte (apertuurkoppeling) met de TE'll! TE 12 en TM11wodes. Deze modes tezamen produceren in de belichterapertuur een elektrisch veld waarvan de amplitudeverdeling de Airy-funktie Jl (u) /u benadert en waarvan de richting is zoals in figuur 5 wordt weerge-geven. Hierbij is u = kp sin

8

0 met p de radiale afstand in het

brandvlak.

(19)

fig. 5. Airy-funktie en veldrichting in belichterapertuur 83,8% van het vermogen in het centrale deel A,

7,2% van het vermogen in ring B)

Wohlleben beschrijft in [16] een belichter (zie fig. 6), die bestaat uit een ronde gladde golfpijp waarvan de naar achteren gerichte straling door middel van een teruggeschoven gecorrugeerd oppervlak gereflekteerd wordt zodanig dat het belichterdiagram een dip en de voorwaartse richting hee£t. Zie ook [2] en [6].

-· - · - ·-·-<

fig.6. Gladde golfpijp met verplaatst chokes.

(20)

3. 2. Gecorrugeerde coaldale belichters; en de gecorrugeerde bikonische hoorn [13],

In [13] worden 'dual-ring' gecorrugeerde belichters al dan niet met een kleine tophoek (zie fig. 7) beschreven. Deze leveren bij juiste dimensionering een stralingsdiagram op met steile flanken en met een dip in de voorwaartse richting. Hierdoor kan de gelijk-tijdige verhoging van belichtings- en spilloverrendement worden bereikt.

Verder worden gecorrugeerde bikonische hoorns (zie fig. 64, blz. A114} behandeld welke eveneens een betere benadering kunnen geven van het ideale stralingsdiagram dan single-mode belichters.

De juiste excitatie van de diverse modes en de dimensionering van de afmetingen is echter geen eenvoudige zaak.

(21)

3.3. Hybride mode cilindrische belichters.

In het algemeen wordt hierbij met behulp van de TE₁₁mode via een sprong in de golfpijp een kombinatie van HEln modes gegenereerd (zendsituatie). Deze HEln modes geven in principe een rotatiesym-metrische belichterdiagram. Behalve de gewenste modes wordt de EH

12 mode gegenereerd die verantwoordelijk is voor de kruispolari-satie van de belichter. De HE

11 mode kan ook via de overgang in

de golfpijp de HEln modes opwekken (zie fig. 9 en 10). Het nadeel hiervan is echter dat er meer vermogen in de EH

12 mode terecht komt dan bij de eerstgenoemde excitatiewijze.

Hoe meer modes er optreden hoe kleiner de bandbreedte is, vandaar dat men vaak de afmetingen van de gecorrugeerde sectie zodanig kiest dat de HE

11 en de HE12 mode kunnen~Q.Etreden. Welke modes er op-treden als funktie van ka (k

=

2TI

/A.

.en a is de .straal van de gecorrugeerde sectie~ blijkt uit figuur 8. [12a]

De verhouding van de amplitudes van de modes wordt bepaald door de grootte van de overgang. Vergroting van de binnendiameter van de gecorrugeerde sectie leidt tot meer vermogen in de HE₁₂mode, tot een betere VSWR behalve bij de afsn~jfrekwentie van de HE₁₃mode, en tot verlaging van het vermoqen in de EH

12 mode. Verder wordt de frekwentie-invloed op het fazeverschil tussen de modes geringer als de diameter van de gecorrugeerde sectie toeneemt. Vergroting van de diameter van de exciterende golfpijp leidt tot afneming van vermogen in de EH

12 mode en tot verbetering van de VSWR.

Veranderingen in de afmetingen hebben niet alleen invloed op de VSWR, de kruispolarisatie en de vermogensverhouding van de modes maar ook op de breedte van de stralingsdiagrammen.Deze wordt zowel door de afmetingen van de gecorrugeerde sectie als van de exciterende golfpijp beinvloed. Grenzen aan variaties in die afmetingen worden o.a. gesteld door de afsnijfrekwenties van de exciterende, gewenste en ongewenste modes.

(22)

De relatieve faze tussen de modes in de belichterapertuur wordt vastgelegd door de frekwentie en de afmetingen. Opdat het belichter-diagram een dip in de voorwaartse richting heeft moeten de HE₁₁ en de HE

12 modes in de belichterapertuur in faze zijn.

0,5

1

8

9

fig. 8. Propagatiekonstantie van de diverse modes als funktie van ka.

Enkele hybride mode belichters uit de literatuur.

a.

fig. 9

Deze belichter wordt beschreven in [ 15 ] • De apertuurafmeting 2a is 2,6A. Het ontwerp is voor een parabool met halve openingshoek

(23)

b.

T~. fig. 10

Deze belichter wordt beschreven in (3]. De binnenzijde van de apertuur is 2,04A in diameter. De verhouding van de diameter van de exciterende en gecorrugeerde golfpijp is 2,42.

c.

fig. 11.

Beschrijving vindt plaats in [10]. De voortzetting van de groeven in de gebogen rand is bedoeld ter verbetering van de diagramsymmetrie. Het ontwerp is voor een parabool met halve openingshoek

e

~63.

0

De afmeting 2a is 2,11~ en de verhouding a/b is 2,5.

d.

(24)

Een getaperde gecorrugeerde sectie wordt toegepast om voldoende vermogen in de HE

12 mode te houden en de gegroefde struktuur wordt voortgezet in het apertuurvlak van de belichter om de diagramsym-metrie te verbeteren [14].

Enkele afmetingen van deze belichter die ontworpen is voor een

parabool met halve openingshoek eo= 60° worden vermeld in de schets.

e.

fig.13.

De hybride modes worden volgens [11] in de cilindrische gecorrugeerde sectie in faze gebracht waarna de konische gecorrugeerde sectie de apertuurafmetingen op de gewenste waarden en daarmee het belichter-diagram op de gewenste breedte brengt. De afmetingen zijn als volgt: 2a

=

2,4A, 2c = 3,9A. De verhouding ~ is 2,9. De belichter is ont-worpen voor een parabool met halve openingshoek e₀

=

33,6°.

Een belichter die niet onder een van de eerder genoemde typen valt en die geschikt is om als dual hybrid mode belichter te fungeren is geschetst in figuur 14. Belichters van dit type worden beschreven in [6a

L

(25)

H4. De geteste belichters en de referentiebelichters.

4. 1 . Algemeen.

De geteste belichters zijn de volgende.

a. Coaxiale belichters van het Scheffertype (zie H3) die aangeduid zullen worden met Scheffer I, II, IIIa en IIIb.

b. De bikonische belichter A094. Hiervan wordt voor een frekwentie het beschikbare stralingsdiagram numeriek verwerkt.

c. Dual hybrid mode belichters. De naamgeving hiervan gebeurt met A128, A129 en A130 eventueel met een aanvulling daarop, bijv. A128/1 om variaties in een testmodel aan te geven.

De dual hybrid mode belichters zijn slechts vergelijkbaar met die uit H3. wat de gegenereerde modes betreft. Gewijzigd ten opzichte van de modellen uit de literatuur zijn zowel de overgangen als de lengte welke nodig is om de gegenereerde modes in de apertuur in faze te brengen: de gladde 90°stap wordt namelijk vervangen door een gecorrugeerde stap met een halve tophoek 90°, 80° of 70° en

de lengte-afmetingen zijn voor de geteste belichters over het algemeen in de orde van slechts 0,4A. De kruispolarisatie is ge-lijk of beter voor zover dit kenmerk met literatuurvermeldingen kan worden vergeleken (

nx,

het kruispolarisatiediagram in het 45° vlak ) [ 11] , [ 12] .

De belichterdiameter in A zal voor de Dwingeloo-parabool groat moeten zijn in vergelijking met de literatuur vanwege de kleinere halve openingshoek: eo= 55° tegenover bijvoorbeeld eo= 60° [14] of 8o= 63° [10],(15].

De belichters waarmee de geteste belichters worden vergeleken. a. De referentiebelichter bij de Dwingeloo-parabolen is de A036'

(Op de THE bekend als A035 en hier verder A036D genoemd, omdat er op de THE eveneens een A036' is).

b. De referentiebelichter bij de Westerbork-parabolen is de gecom-bineerde 610 MHz- 4,995 GHz belichter [5].

(26)

In de rest van dit hoofdstuk volgt een bespreking van referentie-beliehters, eoaxiale, bikonisehe en dual hybrid mode beliehters voor zowel de Dwingeloo-parabool als de Westerbork-parabolen. Van enkele geteste modellen zijn de stralingsdiagrammen voor beide parabooltypen numeriek verwerkt.

4.2.

De referentiebeliehter bij de Dwingeloo-parabool: A036D. ( zie fig. 55, blz. AllO ) •

Het X-band model van dit type heeft bij 10,4 GHz als binnendiameter

~van de apertuur 1,293A. Dit stemt in A overeen met bijvoorbeeld het 21 em model van deze beliehter (f

0

=

1410 MHz, 21,28 em en ~= 1,293A). De benodigde frekwentieband om 10,4 GHz loopt van f1= 9,863 GHz tot f1 + 9,177%

=

(KWBL) grafisch weergegeven voor de frekwenties 9,5 t;m 11,5 GHz in de figuren 17 en 19 op blz. A3 en A6. In KWBL zit niet de apertuur-oppervlakte zodat de grafieken als funktie van 8₀ in feite nag ver-menigvuldigd moeten worden met een faktor afhankelijk van 8_{0 •} Als bijvoorbeeld de oppervlakte bij 8₀= 55° als eenheid A wordt genomen

55

geldt voor A58'de oppervlakte bij 80=58°, A₅₈

=

1,134 A.₅₅• De

vergro-ting van GjT die hiermee samenhangt ( D wordt dan 26,6

m )

is t.o.v. G/T bij

6

₀ = 55°

gel~jk aan 1,165 als

f(GHz) 9,85 10,4 10,6 10,8 Vermogensreflektie (dB) -16 -20 -26 -23 VSWR 1,38 1,22 1,105 1,15

Tabel 4: Vermogensreflektie en VSWR van A036D

4.3. Coaxiale belichters in kombinatie met de Dwingeloo-parabool.

Getest worden enkele P-band modellen van het Scheffer-type. De

stralingsdiagrammen bij 12,35 , 12,5 en 13 GHz van het model Scheffer I dat getekend is in fig. 57, blz A111, vertonen een dip <2.37 dB in de voorwaartse richting en hebben bij

8

₀

=

55° een randbelichting in de grootteorde van -4dB. Deze diagrammen zijn te breed voor de Dwingeloo-parabool. Numerieke verwerking vindt dan ook niet plaats.

Het model Scheffer II (zie eerder genoemde figuur) wordt voor 1= 3,5 mm getest bij de frekwenties 14 t/m 16 GHz. De dip in de voorwaartse richting in het stralingsdiagram is <1,9 dB en de randbelichting varieert bij op-lopende frekwenties van -5,3 dB tot -10,6 dB. De berekende resultaten bij 1= 3,5 mm worden weergegeven in de tabellen 25 en 26 op blz. A9 en in fig. 21 op blz. A10. Duidelijk is dat de randbelichting en de spillover te hoog zijn zodat de kwaliteitsfaktor van dit model lager is dan de kwaliteitsfaktor van de referentie-antenne.

(29)

De modellen Scheffer III a en III b (fig. 58, blz. Alll) worden getest bij de frekwenties 13,5 t;m 15 GHz. De dipgrootte in de stralingsdia-grammen is <0,95 dB, de randbelichting varieert met oplopende frekwentie

van -7 dB tot -13 dB. De berekende e~ gemeten resultaten worden weerge-geven in de tabellen 27t/m30, en de fig. 22 en 23, blz. All t/m A14. Een geringe verbetering van KWBL, < 7% bij TR= 20K en nt= 1, ten

op-zichte van de referentiebelichter is over een bandbreedte, kleiner dan 9,177%, gerealiseerd door beide modellen.

Van het model III b is op blz. A86 het stralingsdiagram bij 14 GH~

weergegeven.

De geteste modellen van het Scheffer-type hebben stralingsdiagrammen die van de gewenste vorm, maar voor de Dwingeloo-parabool te breed zijn. Veranderingen in de afmetingen van de belichter kunnen hierin verbetering brengen. Het aantal te varieren afmetingen is echter groot: de diepte van de twee chokes, de diameters en de diameterverhoudingen van de twee chokes op het centrale gedeelte.

4.4. Bikonische hoorn in kombinatie met de Dwingeloo-parabool.

Een belichter van dit type is de A094. Beschrijving hiervan vindt plaats in 83. van [13]. Bij de frekwentie f= 8,9 GHz wordt het stra-lingsdiagram numeriek verwerkt. De resultaten worden voor 8₀

=

55° en nt= 1 weergegeven op blz. A15. Het belichtingsrendement en het faze-rendement zijn lager dan bij de referentieantenne A036D. Verder is het maximum van de kruispolarisatie in het 45° vlak hoog, namelijk -16,6 dB.

4.5. Dual hybrid mode belichters in kombinatie met de Dwingeloo-parabool.

De geteste belichters zijn de A128 (met een aantal variaties daarop), de A129 en de A130. De hoek welke de overgang, van de exciterende golf-pijp naar de gecorrugeerde overmoded sectie, met de belichteras maakt is respektievelijk 90°, 80°, en 70~

Bij het testen van deze belichters, de beginmodellen worden weergegeven in de fig. 59 en 60, blz. A112, worden stralingsdiagrammen opgenomen voor diverse waarden van l(de afstand van de apertuur tot de overgang) en de frekwentie f.

(30)

4.5.1. Belichter A128.

De metingen worden gedaan in de K-band voor frekwenties rond 23 GHz. Het model heeft als diameter van de exciterende golfpijp 10 mm en voor de gecorrugeerde sectie 33 mm. Bij waarden van 1 die liggen tussen 3 en 6 mm zijn de HE

0,46A). Tegenover het hogere maximum staan de nade1en van de grote lengte en de sterkere frekwentie-afhankelijkheid van de eigen-schappen ( m.a.w. minder bandbreedte ).

Stralingsdiagrammen worden verwerkt voor de posities 1= 4,5,6 en 57,4 mm. De resu1taten worden weergegeven in de tabe11en 33 t;m 40 en de figuren 24 t;m 27 op blz. A16 t;m A23. De veranderingen in KWBL (8₀ = 55°, TR= 20K en nt= 1) t.o.v. de referentiebe1ichter worden in onderstaande tabelsamen-gevat. De keuze van de frekwentieband, die loopt van f 1 tot f1 + 9,177%, beinvloedt, evenals de keuze

van

TR en nt, de percentages.

~4mm fl= 22 GHz + 2,4% f = ₀ 23,2 GHz + 1,8% fh= 24 GHz - 2,2% 22,5 GHz + 4,8% fo= 23,7 GHz + 1,4% fh= 24,5 GHz - 4% 22 GHz fh= 23,5 GHz Tabel 5: Veranderingen in 1= 5mm + 4,8% + 8,7% + 4,8% + 10,6% + 9,1% + 1,3% KWBL van A128 ~6mm + 8,7% + 11,4% + 8,7% + 13,9% + 13,2% + 3,9% t:o.v. A036D. 1= 57,4 mm. + 4,2% + 13,5%

(31)

In een frekwentieband 1opend van £1= 22,5 GHz tot £1 + 9,177% ~ 24,5 GHz is bij 1

=

6 mm een verbetering tot 13,9% bereikbaar.

In een frekwentieband 1opend van fl = 22 GHz tot £1 + 6,82%

=

23,5 GHz is ook bij 1

=

57,4 mm een verbetering ten opzichte van de

referentiebelich-ter, in een overigens even brede band, moge1ijk. En wel tot 13,5%. A1s frekwentieband die hiermee voor de A036D overeenstemt wordt dan genomen de band 1opend van £1 = 10,2 GHz tot fl + 6,82%

=

10,8 GHz.

De verhoging van de kwaliteitsfaktor ten opzichte van de A036D wordt ge-rea1iseerd door ge1ijktijdige vergrotinq van spillover- en belichtings-rendement. Het maximum van het kruispolarisatieniveau in het 45° v1ak is voor de korte uitvoering -20

a

-28 dB en voor de lange uitvoering

-16

a

-27 dB.

De korte versie van A128 is in principe geschikt als schaalmodel voor

bijvoorbee1d een 18 em be1ichter voor de Dwinge1oo-paraboo1, (£ 1

=

1580 MHz,

f0 = 1666 MHz en fh

=

1725 MHz). Het verloop van de kwaliteitsfaktor a1s

24,5 GHz ongeveer 1,27%.

Met behulp van een aanta1 variaties op het basismodel A128 wordt vervolgens bekeken of de verbeteringen bij de korte belichter moge1ijk nog groter kun-nen worden gemaakt. Bespreking daarvan gebeurt in H4.5.3. - H4.5.6.

Voor smalbandige toepassingen kan de lange versie van A128 dienen mits de lengte en het kruispolarisatieniveau geen bezwaren opleveren. Stralings-diagrammen van de lange versie staan op b1z. A87 t/m A90.

4.5.2. Be1ichters A129 en A130.

Ten opzichte van A128 is de hoek waaronder de overgang optreedt van de exciterende golfpijp naar de gecorrugeerde sectie veranderd. Bij A129 is die 80° en bij A130 70° (zie fig. 60, b1z. A112)

(32)

Belichter A129 levert voor diverse waarden van 1 en f diagrammen op waarvan de numerieke verwerking zinvol is. Dit in tegenstelling tot belichter A130 welke geen gewenste diagrammen oplevert. De dip in de voorwaartse richting is in de diagrarnmen van A129 <1,8 dB bij 1= 3 mm en 1= 4 mm en< 1,1 dB bij 1

=

58 mm.

De numerieke resu1taten van A129 zijn weergegeven in de tabel1en 41 t/m 46, en de figuren 28 t/m 30 op b1z. A24 t/m A29, voor 1

=

3 mm,

1= 4 mm en 1= 58 mm. Het kruispolarisatieniveau is voor 1age waarden van 1 beter dan voor hoge waarden van 1 { grootteorde -25 dB en -20dB). Dit geldt ook voor het fazerendement en het belichtingsrendement.

Het spilloverrendement neemt toe met grotere 1.

Vergelijking met belichter A128 toont echter aan dat de kwaliteits-faktor van belichter A129 geringer is evenals de bandbreedte.

De lange versie {1= 58 mm) van de A129 heeft een beter belichtingsren-dement en een lager spilloverrenbelichtingsren-dement dan de lange versie van belichter A128, zodanig dat de kwaliteitsfaktoren ongeveer even groat zijn.

Op grand van de eigenschappen van de korte belichters A128 en A129 wordt besloten om verder te experimenteren met belichter A128.

4.5.3. Belichter A128/1.

Om na te gaan wat 'bij A128 de invloed is van een andere verhouding van de diameters van de gladde golfpijp en de gecorrugeerde golfpijp wordt de

binnendiameter van de gecorrugeerde sectie verkleind (zie fig. 61. blz. A113} De diameters zijn nu 10 mm en 28 mm.

Voor diverse waarden van de lengte 1 en de frekwentie f worden stra-lingsdiagrammen opgenomen. Voor 1= 4 mm en f is 25, 26 en 26,5 GHz wor-den de diagrammen verwerkt. De resultaten hiervan worden weergegeven in de tabellen 47 en 48 op blz. A30. en figuur 31. op b1z. A31.

Van A128/1 is alleen het belichtingsrendement en de kruispolarisatie bij de frekwenties boven 25 GHz verbeterd ten opzichte van die bij model A128 boven 25 GHz. De bruikbare frekwentieband is kleiner geworden, namelijk 6%. Het maximum van de kwaliteitsfaktor als funktie van de frekwentie is eveneens lager geworden. De randbelichting bij 80

=

55°

is hager geworden. De grootte van de dip in de voorwaartse richting is nu <0,5 dB. De verkleining van de binnendiameter van de gecorrugeerde sectie heeft geen grotere verhoging van de verbeteringspercentages dan bij de A128 tot gevolg.

(33)

4.5.4. Belichter A128/2.

Vervolgens wordt getest wat de invloed is van een vergroting van de diameter van de exciterende golfpijp van 10 mm tot 12 mm ( zie fig.62, blz. A113). De diameter van de gecorrugeerde sectie is bij dit

model gelijk aan die van model A128. Voor een aantal waarden van de lengte l en de frekwentie f worden de stralingsdiagrammen opgenomen. Verwerking vindt plaats van de diagrammen bij 1=5 mm en de frekwenties

t .

22 /m 26 GHz. De numerieke resultaten zijn samengevat in de tabellen 49 en 50 op blz. A32 en fig. 32 op blz. A33.

Tegenover een geringe verlaging van het belichtingsrendement ( t.o.v. A128 bij l= 6 mm ) staat een gemiddeld boger spilloverrendement.

De randbelichting is dan ook lager. De grootte van de dip in de voorwaartse richting is nu < 1,7 dB. De invloed t.o.v. A128 van de vergroting van de diameter van de exciterende golfpijp is een lichte

stijging van het maximum van KWBL, een verlaging van KWBL bij de lage frekwenties

hoge frekwenties

22 - 24 GHz ) en een verhoging van KWBL bij de 24- 26 GHz ). Het kruispolarisatieniveau is vrijwel hetzelfde als bij Al28.

Het verbeteringspercentage van A128/2 t.o.v. A036D bij fl is geringer dan dat van A128. De bandbreedte is voldoende gebleven.

4.5.5. Belichters A128/3 en A128/4.

De volgende belichter, A128/3, heeft in tegenstelling tot A128/2 groeven in de exciterende golfpijp, zie fig. 63, blz. A113. De invloed hiervan op de stralingsdiagrammen, zowel hoofdpolarisatie

als kruispolarisatie, is nihil. De diagrammen zijn niet numeriek verwerkt. Belichter A128/4 heeft als diameter van de exciterende golfpijp 15,3 mm, bij t.o.v. A128/3 gelijke andere afmetingen en kenmerken. Metingen bij diverse waarden van de frekwentie f en de lengte 1 leverden, met of

zonder de 4 groeven werkzaam, geen geschikte diagrammen op. Deze belichter is weergegeven in de eerder genoemde figuur.

4.5.6. Belichter A128/2X en A128/SX.

Deze X-band modellen worden gemaakt om de 18 em belichter nauwkeurig te kunnen schalen. E~n model, A128/2X (fig. 65,blz. A114) is gebaseerd op A128/2 in de K-band. Het andere model is gebaseerd op de veronderstelling dat in de K-band een diameterverhouding van 11:33 beter is dan 10:33 of 12:33. Een X-band model gebaseerd op A128 in de K-band is eveneens ver-vaardigd en getest. De verschillen tussen de stralingsdiagrammen van die X- en K-band modellen zijn gering , zodat numerieke verwerking niet nog-maals plaats vindt voor de Dwingeloo-parabool.

Het model A128/2X wordt voor 1=11,5 mm en voor de frekwenties 9,6-11,4 GHz gemeten. Om de invloed van de groefdiepte in de gecorrugeerde overgang te bepalen wordt deze metingenserie gedaan voor drie waarden van de groef-diepte namelijk 8,2 mm, 9 mm en 10 mm. De numerieke resultaten van de verwerking bij nt= 1 worden weergegeven in de tabellen 51 t/m 54, blz. A34

en A36, de tabellen 59 en 60, blz. A44 en de figuren 33, 34 en 39 res-pektievelijk op blz. A35, A37 en A45.

Vergelijking van deze resultaten toont aan dat bij een groefdiepte van 9 mm in de overgang de hoogste KWBL optreedt. Het kruispolarisatieniveau is daarbij beter dan bij een groefdiepte van 8,2 mm en is vergelijkbaar met dat bij 10 mm groefdiepte. Op grand hiervan worden de diagrammen van Al28/2X, bij 1= 11,5 mm en groefdiepte in de overgang is 9 mm, tevens ver-werkt voor andere waarden van het gaasrendement: tabellen 55 t/m 58,

(35)

De gaasrendementen en een indikatie van de invloed ervan worden in onderstaande tabel weergegeven bij __ ~==-~g_,4 GHz voor TR= 15 K.

nt KWBL (TR= 20K) KWBL (TR= 15K) a. nt'= 1 voor e>o'~ 0,0245 0,0298 b. nt= 0,99 voor 6>01 0,0224 0,0268 c. nt= 1 voor o'<-6<36° 0,0240 0,0291 nt= 0,99 voor 8>36° d. nt= 0,93 voor 8>0° 0,0144 0,0162 e. nt= 1 voor 0~6<36° 0, 0211 0,0251 nt= 0,93 voor 8>36°

Tabel 7: Invloed van nt op KWBL van A128/2X

De verhoging van KWBL bij geval c t.o.v. geval b is bij TR

=

20 K 7,1% en bij TR = 15 K 8,6%. Bij geval e t.o.v. geval dis de verhoging bij TR

=

20 K 46,5% en bij TR

=

15 K 54,9%. Ten opzichte van belichter A036D is de invloed van het gaasrendement groter geworden (zie tabel 3, blz. 25 ).

Verder wordt voor belichter A128/2X in fig. 35, blz. A38 en fig.37, blz. A41 de invloed van

e

₀ op KWBL bij diverse nt en TR weergegeven. Wat opvalt in vergelijking met dezelfde grafieken voor A036D, fig. 17, blz. A3 en fig. 19 , blz. A6, is de vermiiidefde

invloed van

e .

Ook voor belichter A128/2X wordt echter het optimum

0

van KWBL bereikt voor

e

₀> 55°.

De verbeteringspercentages van KWBL van A128/2X met 1= 11,5 mm en groefdiepte = 9 mm in de overgang, t.o.v. A036D bij 6

0

=

55°, TR = 20K

(36)

frekwentie KWBL fl= 9,6 GHz + 13,9% f ₀

=

10,123 GHz + 10,9% fh= 10,480 GHz + 6,6% fl= 9,7 GHz + 15,4% fo= 10,228 GHz + 11,4% fh= 10,589 GHz + 5,7%

Tabel 8 :Verhoging van KWBL van A128/2X t.o.v. A036D.

Ondanks het wat lagere maximum van KWBL kan van een verbetering gesproken worden ten opzichte van zowel be1ichter A128 (tabel 5, b1z.

28>

als be1ichter A128/2.

Het maximum van KWBL is bij belichter A128/2X ongeveer 2% lager dan bij A128/2 . Dit geldt ook voor KWBL bij fh, terwijl voor f 1 juist een vergroting van ongeveer 6% optreedt (vergelijk met tabel 6, blz. 31). Het maximum van de kruispolarisatie in het 45° vlak is

%

-25 dB, voor beide modellen.

Bij de keuze van f0

=

10,228 GHz is KWBL bij fh 1,7% groter dan bij f₁

(TR = 20 K, nt

=

1 )

Belichter A128/SX (fig. 66, blz. A115) wordt met groefdiepte = 9 mm in de overgang gemeten als funktie van de frekwentie bij 1= 13,8 mm en 1= 11,5 mm. Op grond ~van~optis~che-vergelijking van de stralingsdiagram-men wordt bes1oten die bij 1= 13,8 mm te verwerken.

De resultaten bij nt

=

1 worden weergegeven in de tabellen 61 en 62 op blz. A46, en fig. 40, blz. A47. De dipgrootte is< 1,7 dB. Het kruis-polarisatieniveau in bet 45° vlak is ma::ldmaa1 in de grootte-orde van -21,6

a-

29,5 dB. De stra1inqsdiagrammen van be1ichter A128/5X bij 1= 13,8 mm staan op b1z. A91 t/m A98.

(37)

De verbeteringspercentages ten opzichte van belichter A036D, bij 6

0 =55°,

TR = 20K en nt= 1 worden in tabel 9 samengevat voor drie waarden van f₀•

Hieruit kan gekonkludeerd worden dat belichter A128/5X hogere verbeterings-percentages t.o.v. A036D heeft dan belichter A128/2X bij f₀

=

10,228 GHz. ;Verder £ijn de verbeteringspercentages ook hoger dan die van belichter

Ten opzichte van A128/2X (tabel 8,blz.34) zijn de percentages bij f₀ en fh gunstiger. Bij de keuze van f₀ verdient (althans bij T~ 20K) f

0

=

10,228 GHz de voorkeur omdat dan het verschil in KWL bij f1 en

fh het kleinst is, namelijk 1,25%. Bij die keuze heeft niT ( bij TR =20 K en nt

=

20K 47,6% en bij TR

=

15K 55,5%. De invloed van het gaasrendement is dus toegenomen (zie ook tabel 7, blz. 33).

Verder wordt voor belichter A128/5X in fig. 41, blz. A48 en in fig. 43,

blz. A51 bij diverse nt en TR de invloed van 8o op KWBL grafisch weerge-geven. De opmerkingen hierover gemaakt bij belichter A128/2X (blz. 33)

gelden ook voor belichter A128/5X.

Voordat de definitieve keuze tussen A128/2X en A128/5X gemaakt kan worden moet ook de VSWR van de belichters beoordeeld worden. In fig. 54, blz.

A108 is de gemeten vermogensreflektie voor beide belichters weergegeven. Teneinde de omzetting van vermogensreflektie naar VSWR uit te kunnen voeren

is op blz. A109 grafisch de relatie tussen die twee grootheden aangegeven. In onderstaande figuur worden voor beide belichters de minima en de maxima in VSWR getekend.

(39)

t

vswR·

Aucf/.tX.

-

_

_...__..._

10 11>,8 II

Fig. 15. VSWR van A128/5X en A128/2X

Op grand van het verloop van KWBL en VSWR als funktie van de frekwentie heeft belichter A128/5X de voorkeur boven belichter A128/2X om als schaal-model te dienen voor bijvoorbeeld de 18 em belichter ten behoeve van de Dwingeloo-parabool. Bij de belichter op ware grootte treedt nog een ver-betering op van VSWR aangezien met behulp van een getaperde overgang belich-ter en ontvanger aan elkaar moeten worden gekoppeld.

Het kruispolarisatieniveau van de geteste dual hybrid mode belichters is hager dan dat van de referentiebelichter A036D. Dit is voor toepassing in de Dwingeloo-parabool echter geen bezwaar.

4.6. Konklusies met betrekking tot de belichter voor de Dwingeloo-parabool.

Van de Scheffer-belichters leveren de modellen I en II geen verbetering op. De modellen lila en I!Ib leveren t.o.v. de referentiebelichter A036D een verbetering ~ 7% op over een te geringe bandbreedte. De geteste coaxiale belichters hebben niet die afmetingen die hen geschikter doen zijn voor de Dwingeloo-parabool, dan de belichter A128/5X.

(40)

Na een reeks van experimenten met dual hybrid mode cilindrische belichters blijkt dat wel met de belichters A128 en A129 en niet met de belichter A130 t.o.v. A036D een verhoging van G/T is te realiseren. Van A128 en A129 geeft de korte uitvoering van de eerstgenoemde de grootste verbetering over de grootste bandbreedte. Via een aantal variaties op belichter A128 is die ver-hoging van G/T nog opgevoerd en is tevens de symmetrie van

n/T

als funktie van de frekwentie in de noodzakelijke frekwentieband zo groot mogelijk ge-maakt. Van de modellen waarmee dit mogelijk is blijkt belichter A128/5X be~ tere symmetrie, hogere G/T en lagere VSWR te heb.ben dan belichter A128/2X. Indien belichter A128/5X als schaalmodel dient voor een 18 em belichter heeft de keuze van f

0

=

10,228 GHz (daarbij is f1

=

9,7 GHz en fh

=

10,589 GHz)

de voorkeur. Bij die keuze zijn de symmetrie van n;T als funktie van de fre-kwentie en de verbeteringspercentages (TR

=

20K, nt = 1) het grootst.

De percentages zijn al,s volgt: bij f1 15,4%, bij f0 13,2% en bij fh 6,1%.

Het afnemen van de percentages met de frekwentie is een gevolg van de asym-metrie in de n;T karakteristiek van A036D. Bij lagere TR zijn de percentages over het algemeen nog hoger. De goede kruispolarisatieeigenschappen van be-lichter A036D zijn met bebe-lichter A128/5X niet haalbaar. Bebe-lichter A128/5X geeft echter ten opzichte van dual hybrid mode belichters uit de literatuur een gelijkwaardig of beter kruispolarisatieniveau te zien.

Uit de berekeningen blijkt verder dat de invloed van het gaasrendement op KWBL zowel bij belichter A128/2X als A128/5X groter is dan bij belichter A036D.

voor belichter A128/5X is de verbetering van KWBL bij TR

=

20K en nt

=

0,93 gelijk aan 47,6% als het gaas effektief dicht wordt gemaakt tot 9=36°. Het overeenkomstige percentage voor belichter A036D is 44,7%.

Uit de in de appendix weergegeven tabellen blijkt dat de invloed van de

blokkering bij toepassing van A128/5X geringer is dan bij toepassing van A036D de verhouding n11nibl is respektievelijk 1,128 en 1,137.

Behalve met de korte uitvoeringen van bel±chter A.128 en AJ29 kan ook met lange uitvoeringen van deze belichters een verbetering ten opzichte van A036D worden bereikt. Het maximum van n;T als funktie van de frekwentie is daarbij zelfs hoger dan bij de korte uitvoeringen. De bereikbare band-breedte (gerekend vanaf een f1) is dan echter gering, namelijk <3

a

4,5%.

(41)

4.7. De referentiebelichters bij de Westerbork-parabolen.

Als referentiebelichters worden genomen de coaxiale belichter en de

9o

0

hoorn zoals die beschreven zijn in[S].Een schets van de combinatie wordt gegeven op blz. A110, fig. 56.

Voor 9₀M 72° en nt = 1 worden in de tabellen 67 en 68 op bl~. A54 de

resul-taten van de verwerking van een stralingsdiagram voor elk van de belich-ters weergegeven.

De coaxiale 610 MHz belichter blijkt een slecht spilloverrendement te hebben, 0,9219 volgens de berekening. Dit kan voor bepaalde toepassingen bezwaarlijk zijn. Hoe het spilloverrendement van een 610 MHz belichter onder gelijkblijvende grootste afmetingen kan worden verhoogd, wordt be-schreven in H 4.8.

De 90° hoorn heeft een hoog spilloverrendement en daarmee samenhangend een tamelijk laag belichtingsrendement. Of verhoging van G/T bereikt kan worden met een ander type belichter wordt beschreven en H 4.9. en H 4.10.

4.8. Vervanging van de bestaande 610 MHz belichter door een andere single-mode belichter. ,

In [4, p. 24-25]' wordt een belichter beschreven bestaande uit een ronde, gladde golfpijp met een (halve) tophoek van 10°, die een apertuurdiameter heeft van Ot81A.

om

die apertuuropening ligt een A/4 choke die O,lA breed is. De totale afmeting loodrecht op de belichteras wordt dan zonder de buiten-wand (2x) van de choke 1,01A. Als men ervan uitgaat dat de buitenafmeting van de belichter 51 em mag zijn hetgeen bij 610 MHz 1,037A is, blijft er voor de choke-wand ~. 0,027A over. Dit is 0,66 em bij 610 MHz. Een schets van de belichter is te vinden in fig. 2 van [41 • De randbelichting ten-gevolge van de primaire

E-als H-vlak. Numerieke

straler bij

e

=72°is ongeveer -14,5 dB in zowel

0

verwerking van het diagram voor eo =72°en nt

=

1

---~ ""~-

---toont aan dat een spilloverrendement van 95, 14% haalbaar is. Ondanks de daarmee samenhangende verlaging tot 61,66% van nibl (bij de coaxiale 610 MHz belichter: nibl

=

66,46%) treedt er toch een verbetering van KWBL op (tabellen 69 en 70, blz. ASS). Wat de verbetering is indien via een klein gedeelte van de spillover de temperatuur van een sterke ruis-bron (zon) meespeelt is nog niet berekend.

Resultaten van metingen en berekeningen aan een X-band model k~men bin-nenkort ter beschikking. E:en mogelijk nadeel van deze voorgestelde

be-lichter is dat de 4,995 GHz bebe-lichter (90° hoorn) er niet in aangebracht kan worden.

(42)

~·

4.9. Multi-mode coaxiale belichters in kombinatie met de Westerbork-parabolen.

De Schefferbelichters worden behalve voor de Dwingeloo-parabool oak beoor-deeld voor de westerbork-parabolen.

Nu dient als referentiebelichter de 90° hoorn.

De stralingsdiagrammen van belichter Scheffer I zijn te breed (•8 dB rand-belichting) om numerieke verwerking zinvol te doen zijn.

De stralingsdiagrammen van belichter Scheffer II worden voor 8₀ =72° en nt = 1 numeriek verwerkt. De resultaten worden weergegeven in de tabellen 71 en 72 op blz. A56 en in fig. 45 op blz. A57. Bij TR

=

20K en f= 15 GHz is deze belichter 5,8% beter, wat G/T betreft, dan de 90° hoorn.

De stralingsdiagrammen staan op blz. A81 t/m A85

van de belichters Scheffer IIIa en IIIb worden de stralingsdiagrammen ook numeriek verwerkt. De resultaten staan in de tabellen 73 t/m 76 en de

figu-ren 46 en 47 op blz .• A58 t/m A61. Bij de laagste frekwentie, f = 13,5 GHz, is KWBL grater dan van de referentiebelichter. De grafiek van KWBL als funktie van de frekwentie valt echter snel af. Model Ilia en IIIb hebben voor de

Westerbork-parabolen te smallediagrammen. Variaties in de afmetingen van de modellen kunnen daarin verandering brengen maar ook nu geldt dat het aantal te varieren afmeting~~ groat is.

Een belichter die bij de Dwingeloo-belichters niet aan de orde is gekomen, is de zogenaamde Wohllebenbelichter [16]. Momenteel wordt nag onderzocht of dit type in kombinatie met de Westerborkparabolen voor een verhoging van KWBL ten opzichte van de 90° hoorn kan zorgen.

4.10. Dual hybrid mode belichters in kombinatie met de Westerbork-parabolen.

op b1z.--A99 t/m A102 en die van A128/SX ap blz. A91 t/m A98). Een

gevolg van de andere diameter is de grotere verhouding van de diameters van de gecorrugeerde en gladde golfpijp waardaor er meer vermogen in de HE₁₂ mode zit. De dip in de voorwaartse richting is bij A128/5aX dan ook groter dan bij A128/5X namelijk < 2,7 dB tegenover < 1,7 dB. De verbreding van de diagrammen is echter niet groot genoeg om tot wezenlijke verhoging van KWBL (t.o.v. de 90° hoorn) te komen. De numerieke resultaten zijn weergegeven in de tabellen 87 en 88 ap blz. A72 en in fig. 53 ap blz. A73. Of een grotere diagramverbreding bij vo1doende symmetrie tussen de dia-grammen in E- en :8:- vlak mogelijk is indien ook de diameter van de gecorrugeerde sektie wardt verkleind, is niet onderzocht. Ook nog niet onderzocht is of verkleining van 1 bij belichter A128/SX, op dezelfde wijze zoals bij belichter A128 op blz. 40 beschreven wordt, tot verhoging van KWBL kan leiden.