Dichroic subreflector design for S-X band parabolic dish antenna

A design of a Frequency Selective Surface (FSS) used in a dual band parabolic dish antenna is presented. The system is composed by two feed horn antennas working at S band and X band, a main parabolic dish and an FSS subreflector. The full structure is realized for working as a separate Prime focus and Cassegrain antennas. First of all we designed an infinite array of periodic elements, using numerical methods in HFSS; the goal is to stop the X band and allow the transmission of the S band. The chosen element is a two layer ring patch: two opposite copper rings are placed on dielectric material and separated by a substrate of foam material. Then, this element is replicated and projected on an hyperbolic surface to make up the Cassegrain subreflector. A complete simulation of the entire structure is perfomed in S band, using CST STUDIO SUITE, in order to estimate the performance of the system. The presence of the subreflector leads to decrease the entire Prime Focus gain of 1.4 db (in the worst case) with respect to the scenario without FSS; this is due to the inherent attenuation of the materials and dish diffraction phenomena that increase the side lobe level. In X band, because of the higher computational capacity required, we considered only the feed-subreflector system; so, we made a comparison between reflected field from a metal surface (usual Cassegrain subreflector) and from the FSS; this leads to similar results, meaning good reflection peformance of our dichroic dish.

Il presente lavoro di tesi riguarda il progetto di una superficie selettiva in frequenza da utilizzare come riflettore secondario dicroico in un antenna parabolica. Il suo scopo è quello di consentire l’utilizzo in contemporanea di due bande a frequenze differenti tramite un singolo riflettore primario. La superficie selettiva in frequenza dovrà quindi essere transparente per la banda di lavoro del primo feed (2.025 − 2.4GHz), posto in posizione Prime Focus, e opaca per il range di frequenze del secondo feed (8.025 − 8.5GHz), posto in posizione Cassegrain. Questo tipo di struttura viene realizzata tipicamente attraverso una geometria periodica di elementi metallici, posti su una superficie dielettrica. Si crea così una filtro spaziale che permette il passaggio ad alcune frequenze e che lo impedisce ad altre. Il lavoro è svolto in collaborazione con Leaf Space S.r.l., le cui stazioni di terra saranno la collocazione finale di questo progetto. La tesi si compone principalmente di due parti. Inizialmente viene fatto uno studio sulla superficie selettiva, come struttura periodica, piana ed infinita. Viene quindi fatto un design del singolo elemento che ne compone la periodicità e ne vengono analizzati i comportamenti nelle due bande di interesse, fino al raggiungimento delle specifiche di progetto. Nella seconda parte, invece, viene sfruttato il design ottenuto per realizzare lageometria del rifiettore secondario (un’iperboloide a due falde); questo viene poi testato nel sistema completo composto da illuminatore (antenna feed), superficie selettiva in frequenza e riflettore parabolico. Una simulazione completa è stata fatta per il sistema Prime Focus; i risultati mostrano che la presenza della superficie selettiva in frequenza porta un decremento del guadagno totale, nel caso peggiore, di 1.4 dB ed un aumento dellivello dei lobi laterali. Per la configurazione Cassegrain, non è stato possibile simulare la struttura completa per i limiti nella capacità computazionale a nostra disposizione; è stato quindi considerato il sistema composto solamente da feed e riflettore dicroico e ne sono state confrontate le prestazioni con quelle di un normale riflettore metallico, ottenendo risultati simili. Infine vengono fatte delle considerazioni sul lavoro svolto e sul suo impiego pratico.