Thermomechanical design of high power frequency selective surfaces using innovative techniques

Dichroic mirrors are an essential component of ground antennas for deep space communications as they enable a single antenna to operate across multiple frequency bands, thereby reducing costs and complexity. However, they are sophisticated to manufacture and currently rely on subtractive manufacturing such as water jet cutting, milling and electroerosion. Furthermore, these production techniques may limit the performance of dichroic mirrors because they do not allow the production of optimal geometries that maximise performance due to their limitations. This thesis explores alternative production methods, focusing on 3D printing with Selective Laser Melting (SLM) and diffusion bonding. 3D printing enables the creation of geometries that could not be achieved using traditional techniques, while diffusion bonding overcomes some of the limitations of conventional processes by adopting a split-layer approach. To understand how dichroic mirrors behave in real conditions, a simplified numerical model was developed using an equivalent orthotropic material based on homogenisation theory. This speeds up the finite element method (FEM) analysis while maintaining accurate results. The model was first compared with literature data, then with numerical data from detailed models and finally with experimental data. The approach was then applied to an ESA project focusing on the development of highpower frequency selective surfaces. The results demonstrate the promise of the innovative techniques studied, while also highlighting their limitations. Furthermore, the proposed modelling approach emerges as a valuable tool for the rapid and effective design of dichroic mirrors.

Gli specchi dicroici sono componenti essenziali delle antenne di terra per le comunicazioni dallo spazio profondo, perché permettono di utilizzare la stessa antenna per più bande di frequenza, riducendo costi e complessità. La loro realizzazione però è complicata e ad oggi si basa su metodi per asportazione di truciolo (water-jet, fresatura e elettroerosione). Inoltre, queste tecniche produttive limitano le prestazioni di questi specchi perchè, con le loro limitazioni, non permettono di produrre geometrie ottimali che permettano di massimizzare le prestazioni. In questa tesi vengono studiati metodi di produzione alternativi, in particolare la stampa 3D con Selective Laser Melting (SLM) e il diffusion bonding. La stampa 3D rende possibili geometrie che non si potrebbero ottenere con le tecniche tradizionali, mentre il diffusion bonding permette di superare alcune limitazioni dei processi convenzionali adottando un approccio split-layer. Per capire come si comportano gli specchi dicroici nelle condizioni reali è stato sviluppato un modello numerico semplificato che utilizza un materiale equivalente ortotropico ottenuto sulla base della teoria dell’omogeneizzazione. In questo modo le analisi FEM diventano molto più veloci pur mantenendo accuratezza nei risultati. Il modello è stato validato prima con dati di letteratura, poi numerici e infine sperimentali. Infine, il metodo è stato applicato ad un progetto ESA per lo sviluppo di superfici selettive ad alta potenza. I risultati mostrano che le tecniche innovative studiate sono promettenti ma presentano ancora delle limitazioni e che il modello proposto è uno strumento utile per progettare in modo più rapido ed efficace gli specchi dicroici.