Determination of the radiation characteristics of the 3D parabolic reflector antenna system by using high frequency techniques

Abstract

ÖZET Bu çalışmada, önden beslemeli simetrik parabolik yansıtıcı anten sisteminin yayınım özellikleri Kırınım Fiziksel Teorisi (KFT) kullanılarak belirlenmiştir. Yansıtıcı anten analizinde yaygın olarak Fiziksel Optik (FO) ve Kırınımın Uniform Teorisi (KUT) birleşimi kullanılmaktadır. FO gelen ve yansıyan dalgaların etkili olduğu bölgelerde doğru olup kırınımın etkili olduğu bölgede doğru değildir. KUT ise kırınımı doğru olarak vermektedir. Fakat FO in nereye kadar doğru ve KUT nin nereden itibaren geçerli olduğu konusunda kesin bir yargı söylenememekte ve bir sürekli geçiş yoktur. Ayrıca ışın tekniklerinin kaustik bölgelerinde geçerli olmadığı bilinmektedir. Bu durumu aşmak için Eşdeğer Akım Metodu (EAM) geliştirilmiştir. EAM ilk olarak dar bir kaustik bölgesini iyileştirmek için ortaya atıldı. Fakat daha sonra Keller konisi üzerinde sınırlı olmayan eşdeğer akımlar bulunarak metot geliştirildi. Bir başka teknik ise FO akımım kenarların varlığından doğan kenar akımlarla düzelten Kırınımın Fiziksel Teorisidir (KFT). Yeni haliyle EAM ile KFT arasında benzerlik bulunmaktadır. Dolayısıyla eşdeğer akımlar FO ve kenar akımları olarak ikiye ayrılmış ve ayrı çalışmalar ile bulunmaya çalışılmıştır. Kenar eşdeğer akımlarda tekillik tek bir doğrultuya indirgenebilmiştir ve bu integrali alınabilen bir tekilliktir. Bu çalışmada FO integralinin kenar eşdeğer akımları ile düzeltilmesi KFT olarak ele alınmıştır. Ayrıca, hesaplamalarda tüm gözlem doğrultuları için geçerli olan eşdeğer akımlar kullanılmıştır. Yansıtıcı antenin ön bölgesinde bile belirli bir iyileşme elde edilmiştir. Aynı yaklaşımı radyasyon örgüsünün diğer bölgeleri içinde kullanmak uygun olsa da FO integrali hesabı oldukça yavaşlatmaktadır. Onun için viözellikle büyük çanaklarda integrali asimptotik olarak almak yoluyla (kaustik bölgesi dışında) hızlı bir FO çözümü elde edilebilir. Böylece mühendislik açısından önemli olan ve FO ve KUT'nin sorunlarından etkilenmeyen bir çözüm elde edildi. Anahtar sözcükler : Yansıtıcı antenler, fiziksel optik, eşdeğer kenar akımları. vii

ABSTRACT In the present study, the radiation characteristics of the given system are determined by using the Physical Theory of Diffraction (PTD) for the geometry of the front-fed symmetrical parabolic reflector antenna system. Physical Optics (PO) in conjunction with the Uniform Theory of Diffraction (UTD) can be frequently encountered in determining the radiation patterns of the reflector antennas. PO determines the field in forward radiation direction and UTD gives the diffracted fields accurately. Therefore, the far field patterns of the reflector antennas have been calculated by separating the region into two portions. In these processes, how to separate these regions has not been discussed in detail. Moreover, UTD like all ray techniques fails to determine the field at caustics. Equivalent Current Method (ECM) based on GTD was developed to remove the singularities around the caustic directions. Later, more general expressions for equivalent edge currents not limited on the Keller's cone are obtained. Another method used in reflector analysis is the PTD in which PO current is corrected with the fringe edge currents. There are similarities between PTD and ECM and therefore equivalent currents can be derived by using PO and fringe surface currents. The singularities for the fringe components can be reduced to a unique direction and thus they can be used in the numerical simulations. In the present study, the PO field is corrected by the fringe component contribution as a PTD formulation. Also the equivalent currents valid for the arbitrary observation directions are used in this formulation. An improvement has been observed even for the field in forward radiation direction. The time-consuming PO integral is asymptotically evaluated by the method of stationary phase and a rapid IVPO solution is obtained. Thus, a solution free from the shortcomings of PO and UTD has been obtained. Keywords : Reflector antennas, physical optics, equivalent edge currents.