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Istituto Nazionale Astrofisia Istituto di Radioastronomia Rapporto Tenio Progettazione di transizioni guida-oassiale eletri probe per appliazioni di tipo generale. F. Shillirò, M. Poloni 1 Indie 1. Introduzione pag.. Cross Cupled Transition pag Eletri Probe Transition pag Ottimizzazione CAD pag Conlusioni pag. 10 Bibliografia pag Introduzione Sebbene esistano in ommerio diverse soluzioni di omponenti di transizione guida d onda avo oassiale, importanti motivi i hanno spinto verso lo studio di questi omponenti ed il relativo sviluppo di metodologie di progetto e realizzazione; in primo luogo vi è la neessità di adattare questo tipo di omponenti alle speifihe dei rievitori per radioastronomia, questi ultimi tra l altro vengono già da molto di tempo progettati e realizzati on ottimi risultati dai rieratori del nostro Istituto; l obbiettivo primario è quindi quello di realizzare delle transizioni dal mondo in guida a quello in oassiale (o anora meglio in mirostrisia), he abbiano delle speifihe partiolari in termine di prestazioni in banda passante di interesse radioastronomio. Un seondo obbiettivo è quello di aprire la strada verso un ampo di studio he riguarda il passaggio dalla guida d onda direttamente verso omponenti in mirostrisia, osa he ommerialmente non è ( ed aggiungerei non può esserlo!!) disponibile, anzi è legata a delle soluzioni di tipo artigianale; infine lo sviluppo di metodologie di progetto di tipo elettromagnetio e delle relative ompetenze di tipo realizzativo, permettono al nostro Istituto di svinolarsi da soluzioni general purpose alle volte notevolmente ostose, e di ompletare il quadro delle metodologie di sviluppo per tutta la omponentistia RF he parte dal feed e finise dopo il primo stadio di amplifiazione. L uso di CAD di progettazione elettromagnetia 3D sempre più auratii, ha inoltre failitato ed aelerato questo proesso, permettendo non solo di ondurre una fase di progettazione notevolmente semplifiata, ma anhe un proesso di sviluppo robusto e preiso, per il quale non sempre oorre prevedere ulteriori fasi di tuning manuale. Oggetto di questo lavoro è lo studio teorio, la desrizione delle fasi progettuali e quelle realizzative di omponenti di transizione guida d onda-avo oassiale di tipo eletri probe su ridged wg ; verranno quindi esposti i metodi di progettazione utilizzati, parametrizzando alune grandezze nel progetto, quindi verranno presentate le simulazioni ed i metodi di ottimizzazione per entrare le speifihe ed affrontarne al meglio le problematihe ostruttive.. Cross Coupled Transition Il prinipio su ui si basa la transizione di tipo eletri probe è rionduibile ad un'altra transizione hiamata ross oupled, seondo la quale il probe oassiale e inserito all interno di una determinata guida d onda sul lato largo della medesima, per tutta l altezza della stessa, fino a toarne la parete opposta; in questo modo si ottiene un orto iruito tra il probe aldo, la guida stessa e il mantello esterno del onnettore he è solidale ad essa. Coaxial line port Waveguide port 1 Waveguide port Fig.1 Cross Coupled Juntion 3 porte La desrizione formale in forma hiusa di una giunzione Cross Coupled è stata data da A.G. Williamson [1], [], allo sopo di risolvere problemi di montaggio di dispositivi alimentati in oassiale e funzionanti all interno di guide d onda, e di aratterizzarne il funzionamento. In funzione delle dimensioni e aratteristihe del avo oassiale e di quelle della guida d onda, è possibile riavare un modello elettrio per il modo fondamentale TE10 he desrive on ottima preisione il funzionamento del dispositivo; quest ultimo è in generale un 3 porte, una della quali è 3 il oassiale, le altre due porte sono linee in guida d onda, adattate sulla omune impedenza aratteristia. oax 1 Waveguide port 1 u Waveguide port oax orto iruitata Fig. Cross Coupled Juntion porte In onlusione, per questo tipo di dispositivo è possibile evinere un modello elettrio equivalente raffigurato in fig. 3; i valori degli induttori, dei apaitori e delle impedenze sono stati alolati on programmi appositi e dipendono dai parametri ostitutivi del oassiale (raggio interno, esterno, ostante dielettria) e della guida d onda (dimensioni e dielettrio); le reattanze legate ad essi dipendono soprattutto dal alolo dei modi superiori he si innesano all interno della guida per la presenza del probe oassiale stesso, he ostituise un ostaolo ai ampi in guida. Teoriamente oorre tenere onto di infiniti modi, tuttavia onsiderazioni di buon senso ed esigenze di alolo limitano il numero di modi da prendere in onsiderazione tipiamente ad un massimo di 0. PORT P=1 Z=WG1 ZWG Ohm CAP ID=C C=-JXB pf CAP ID=C1 C=-JXB pf PORT P=3 Z=WG ZWG Ohm PORT P= Z=Coax - 50 Ohm 1 XFMR ID=Ideal Trasf N=R1 1:n1 o o 3 4 CIND ID=L1 N=1 AL=JXA nh LOAD ID=Z Z=JBa Ohm LOAD ID=Z1 Z=JBb Ohm Fig.3 Modello elettrio equivalente per lacross Coupled Juntion 3 porte Tali reattanze dipendono dalla frequenza, quindi variano il loro valore in banda,periò il iruito non può essere onsiderato a parametri ostanti; questo è il motivo fondamentale per ui, dovendo 4 aratterizzare dei omponenti a parametri variabili in frequenza, è risultato più semplie alolare volta per volta i parametri elettrii al variare delle dimensioni del disegno onsiderando il dispositivo ome una rete 3 porte desritta mediante i suoi parametri alle porte: Coax 1 Z31, Z3, Z33 WG 1 Z11, Z1,Z13 WG Z1, Z, Z3 Fig.4 Rete 3 porte per il modello equivalente Z11=1/(j(Ba+Bb); Z1=1/(j(Ba+Bb); Z31=1/(j(Ba+Bb) Z1=1/(j(Ba+Bb); Z=jXa-jXb+1/(j(Ba+Bb); Z3= jxa+1/(j(ba+bb) Z13=1/(j(Ba+Bb); Z3=jXa+1/(j(Ba+Bb); Z33=jXa-jXb+1/(j(Ba+Bb) I valori per i parametri Z elaborati al variare della frequenza e per ogni set di parametri ostitutivi del oassiale e della guida, vengono salvati in un file in formato Touhstone [3] srivendo un opportuno odie; il formato in questione è leggibile da MW Offie in modo tale da aratterizzare la rete al variare della frequenza. Tale rete è pronta per essere onnessa on qualsiasi altro dispositivo; tipiamente una porta della guida è ortoiruitata ad una distanza u dal oassiale, in modo da ottenere un dispositivo porte, una oassiale l altra in guida d onda. La distanza ottima u dal probe al orto è un parametro libero da ottimizzare, non sempre essa è pari al valore λg/4 rispetto alla frequenza di entro banda, ma spesso dipendente da diversi fattori di ui si parlerà più avanti, primo tra i quali la dispersione in frequenza dell impedenza aratteristia di una qualsiasi guida d onda. 5 3. Eletri Probe Transition La transizione oassiale-guida he prendiamo in onsiderazione deriva da quella preedentemente desritta, in quanto ne eredita molte aratteristihe strutturali; tuttavia importanti differenze di tipo ostruttivo e quindi elettrio permettono a quest ultima di raggiungere ottimi risultati sia a livello di Return Loss, he di perdite di trasmissione. In partiolare l obbiettivo he i si pone è quello di sendere sotto i 5 db di RL in tutta la banda relativa di definizione, he per le appliazioni di interesse radioastronomio non supera quasi mai il valore di 0.4 (definita ome f/(f-f1) dove f è la frequenza di entro banda, f ed f1 sono le frequenze massima e minima della banda di interesse.) oax 1 b u Referene Plane oassiale Waveguide port 1 g Waveguide port ortoiruitata α 30 Fig. 5 Shema generale per la Eletri Probe Transition 1) La prima vera differenza rispetto alla transizione Cross Coupled è la presenza di un ap ilindrio di spessore g il ui ompito è quello di ompensare on un effetto apaitivo la reattanza prevalentemente induttiva ostituita dal solo probe inserito dentro la guida, ome nel aso della ross oupled [8], [9], [10]. Da aloli su modelli sperimentali, ma in disreto aordo on le equazioni di progetto presenti in bibliografia [5], si è trovato un valore ottimo per il valore di g, ovvero pari a 0.15*a e 0.*a nei asi di onnettori rispettivamente in aria e on materiale ommeriale (in partiolare Kapton utilizzato dai omponenti Radiall [1] ). Naturalmente tale spessore è fortemente legato al ampo elettrio irradiato dal referene plane del onnettore oassiale, ampo elettrio he si può onsiderare in prima approssimazione di tipo TEM. Per limitare questo effetto apaitivo si è reso neessario appliare un passaggio graduale tra probe e ap ilindrio, mediante uno spezzone trono onio he raorda i due e permette di eliminare i 6 forti effetti apaitivi di bordo esistenti tra le estremità del ap e quelle della guida in prossimità del referene plane. Lo spezzone trono onio presenta un valore ottimale dell angolo α alla base di ira 30 gradi, ed un altezza he è determinata univoamente dalla selta di α e del diametro del ap (fig. 5). ) La seonda variazione rispetto al modello di transizione ross oupled riguarda il fatto he l altezza b della guida in prossimità del punto di inserzione del probe oassiale viene ridotta sensibilmente rispetto ad una guida in figura, in modo tale da raggiungere un valore di impedenza aratteristia per la guida, onfrontabile on quello del oassiale, he nel nostro aso è 50 Ohm. Questo fatto è garanzia he il ampo passi da un ambiente oassiale ad un altro in guida he abbiano all inira lo stesso livello di impedenza; si riorda he il livello di impedenza di una guida e di una rided wg per ipotesi viene alolato on metodo tensione-orrente, he si può failmente reperire in bibliografia [5], [6], [13]. Questo tratto di linea viene hiamato trasformatore proprio perhé trasforma l impedenza della guida nell impedenza on valore onfrontabile a quella del oassiale.la lunghezza del trasformatore viene fissata inizialmente pari al valore del quarto d onda della frequenza di entrobanda, ma deve essere neessariamente ottimizzato per tenere onto degli effetti apaitivi di giunzione degli ulteriori spezzoni di guida ( o di ridged wg) neessari al passaggio verso la sezione massima [6], e del arattere dispersivo in frequenza dello spezzone in guida WG o in ridged WG. In realtà l impedenza del trasformatore non è fissata esattamente al valore 50 Ohm, perhé la presenza stessa del ap ilindrio influenza (diminuendolo) il livello l impedenza in usita dal oassiale. Una variazione di questo livello di impedenza si tradue spesso in una allargamento della banda passante utile in ui S11 è piatto e aettabile seondo le speifihe. 3) Un'altra modifia è l inserimento del orto iruito ad una distanza u dal probe; tale aorgimento tenio viene eseguito al fine di onvogliare tutto il ampo disponibile solo sulla porta 1, per ui lo spezzone di guida hiusa sul orto iruito deve rappresentare una impedenza infinita, su tutta la banda di interesse; al fine di ottenere iò e neessario non solo trovare una lunghezza u ottimale, ma anhe aumentale l impedenza aratteristia della linea in guida di orto iruito, sempliemente aumentando l altezza b dello spezzone. Riferendoi direttamente al aso di una ridged wg he poi è quello effettivamente trattato (ma è assolutamente appliabile anhe al aso di guida d onda), è possibile progettare la lunghezza u tenendo presente he l impedenza Zin vista a destra del ap ilindrio,guardando verso il orto iruito, vale: Z in π = Z * j tan (3.1) λg essendo la linea in ridged wg ariata su un orto iruito e on impedenza aratteristia Z: 7 oax 1 b E u Referene Plane oassiale Waveguide port 1 b Waveguide port ortoiruitata Zin Fig. 6 Shema finale per la Eletri Probe Transitino Z C = b λ r sinθb + b 10π b 1 1 osθ tan b θ a 1 f 1 f = Z 0 f 1 f ( 3. ) λ λ g = ( 3.3 ) f 1 f essendo f la frequenza di ut-off della ridged wg; sostituendo la 3. e la 3.3 nella 3.1 si ottiene quindi: Z 1 f 1 f π * u tan λ in = jz 0 1 f f ( 3.4) Per f he tende al valore f si ottiene una forma indeterminata 0/0 he si può dimostrare tende ad un valore finito; invee il valore Zin tende ad infinito quando l argomento della tangente tende a π/, e dunque: π * u λ 1 f f π = da ui, svolgendo i aloli si ottiene anora he : ( 3.5) f = f + ( 4 u ) ( è la veloità della lue nel vuoto) ; in questo modo si mette in relazione la lunghezza u dello stub, on la frequenza f* alla quale l impedenza Zin risulta infinita; il valore f* ottimale deve essere pari al valore di entrobanda della banda di interesse. Inoltre se si seglie un valore relativamente 8 (3.6) piolo di f, ioè della frequenza di ut-off dello spezzone in guida, e nello stesso tempo un altezza b opportunamente grande tale da aumentare il valore Z 0, è possibile allargare la banda per ui si ha una Zin molto alta su tutta la banda di interesse [7]. Operazioni di tuning automatio on CAD sui valori di u variano la posizione della banda utile in frequenza (variazione delle frequenze di risonanza dovute allo stub), sui valori di passante stessa. Z 0 variano il livello di S11 e l ampiezza della banda 4) Così faendo si ottiene un dispositivo he deve essere anora interfaiato on una guida di dimensioni standard (WR187 oppure WR4, et.) he avrà un altezza ben maggiore di quella risultante dal dispositivo in figura 6; è neessario quindi progettare un passaggio in guida fino alla altezza desiderata, utilizzando transizioni di impedenza WG-WG stepped oppure tapered, oppure si può segliere di lavorare sin dall inizio on soluzioni di tipo ridged waveguide, he sono più faili da ostruire, presentano una frequenza di ut off più piola e quindi garantisono una minore dispersione in frequenza per i valori di impedenza aratteristia [6] ed una banda maggiore in fase di realizzazione dello stub in orto iruito [7]. Porta in oassiale Porta in guida Fig. 7 Configurazione finale della Eletri Probe Transitino Come si può osservare in figura 7, è possibile individuare in modo shematio i omponenti in guida di tipo ridged (stub in orto iruito, trasformatore, wg-wg transitino), il avo oassiale inserito in ambiente guida ed il ap ilindrio on raordo trono onio he si va ad innestare direttamente al entro tra trasformatore e stub. Naturalmente questo effetto rea l innesarsi di effetti reattivi dei quali tuttavia si può ridurre l effetto on partiolare strumenti di ottimizzazione propri dei CAD elettromagnetii 3D. 9 4. Ottimizzazione on CAD. L effetto innesato dal ap ilindrio, gli effetti apaitivi di giunzione degli spezzoni ridged waveguide, dello stub in orto e del trasformatore, rendono neessario un ulteriore proesso di ottimizzazione della struttura, he si tradue quasi sempre in un tuning delle lunghezze di ogni singolo spezzone, e più raramente nel variarne l altezza, visto he da ognuna di esse dipende il livello di impedenza. I risultati di ogni proesso di progettazione ed ottimizzazione sono più he inoraggianti, anzi omponenti di questo tipo riesono ad eguagliare le prestazioni di omponenti ommeriali realizzati da aziende leader nel settore on deenni di esperienza alle spalle. Inoltre è stato dimostrato he questo tipo di progettazione garantise una erta salabilità infrequenza, soprattutto nella parte di progettazione del passaggio oassiale guida, mentre solo qualhe piola variazione si è resa neessaria per la parte a valle del bloo trasformatore. Per ui l obbiettivo di ottenere un metodo di progettazione salabile, ovvero indipendente dalla banda di frequenza a ui si opera, si può onsiderare entrato. In figura 8, 9,10, 11 vengono mostrati i risultati di S11 ed S1 per i progetti in banda K ( GHz) on oassiale.9 mm in aria ed in materiale Kapton (Radiall); in figura 1 e 13 sono mostrati i risultati in banda C ( GHz) on onnettore.9 mm in aria; i dettagli di progettazione e realizzazione di questi omponenti saranno desritti in altri rapporti. C è da riflettere sulle prestazioni he emergono da questi risultati, in quanto se per S11 essi sono da ritenere molto fedeli alla realtà, (osa he è emersa per omponenti ostruiti dal laboratorio di meania dell Istituto di Radioastronomia ad Aretri), per quanto riguarda S1 i risultati sono da ritenere sempre buoni, ma non osì ottimali a ausa delle normali deviazioni dai asi ideali quali rugosità delle superfii delle guide e del oassiale e le eventuali imperfezioni del montaggio. 5. Conlusioni. In questo studio i si è proposti di implementare una metodologia di progetto per transizioni guida d onda oassiale, salabile in frequenza e on risultati onfrontabili on i dispositivi tuttora in ommerio. Tale metodologia è stata messa a punto on suesso, ed è appliabile non solo alle bande di interesse radioastronomio, ma addirittura a porzione di banda superiore, rendendo quindi questi ultimi, oggetti general purpose. Si può quindi ritenere gli obbiettivi posti inizialmente a questo studio,tutti ampiamente entrati. 10 Ringraziamenti. Un ringraziamento partiolare va a Sergio Mariotti, per ui i suoi onsigli, la sua esperienza e la sua preparazione si sono rivelati strumenti preziosissimi. Un grazie sentito ed un saluto affettuoso va anhe al direttore Gianni Tofani, he ha sempre reduto in questo lavoro, motivandoi ed esortando in ogni modo la ooperazione e la sinergia tra le varie omponenti dell Istituto di Radioastronomia. Un grazie a Sandro Orfei, Enzo Natale, Renzo Nesti ed Andrea Cremonini per i loro interventi auti ed i suggerimenti he si sono rilevati determinanti per il buon esito di questo lavoro. F. Shillirò, M. Poloni 11 Fig. 8 Famiglia di urve S11 per la Eletri Probe Transition in banda K on oassiale.9 mm in aria (Southwest) Fig. 9 Famiglia di urve S1 per la Eletri Probe Transition in banda K on oassiale.9 mm in aria (Southwest) 1 Fig. 10 Famiglia di urve S11 per la Eletri Probe Transition in banda K (WR4) on oassiale.9 mm in aria (Radiall) Fig. 10 Famiglia di urve S1 per la Eletri Probe Transition in 13 banda K (WR4) on oassiale.9 mm in aria (Radiall) Fig. 10 Famiglia di urve S11 per la Eletri Probe Transition in banda C (WR187) on oassiale.9 mm in aria (Radiall) Fig. 10 Famiglia di urve S1 per la Eletri Probe Transition in 14 Bibbliografia banda C (WR187) on oassiale.9 mm in aria (Radiall) [1] A.G. Williamson, Analysis and Modeling of Two-Gap Coaxial Line Retangular Waveguide Juntions, IEEE Trans. on Mirowave Theory and Tehniques, vol. MTT-31, no. 3, Marh 1983 [] A.G. Williamson, Cross-Coupled Coaxial-Line/Retangular-Waveguide Juntion, IEEE Trans. on Mirowave Theory and Tehniques, vol. MTT-331, no. 3, Marh 1985 [3] Touhstone File Format Speifiation- Rev /1/003; [4] Izadian, Jamal,Shanin, Mirowave Transition Design, Arteh House Publisher. [5] Gupta, Garg, Chadha, Computer Aided Design of Mirowave Ciruits, Arteh House. [6] F. Shillirò, M. Poloni, Progetto e realizzazione di trasformatori di impedenza waveguidewaveguide (WG-WG) e Ridged Waveguide (RWG-RWG) rettangolari, rapp. Int INAF. [7] Cohn, Design of Simple Broad-Band Wave-Guide-to oaxial- Line Juntions., Proeedings ot the I.R.E., Sept [8] R.L. Eisenhart, Understanding the Waveguide Diode Mount, Hughes airraft Company, California. [9] Maruvitz, The Waveguide Handbook, IEE s Eletromagneti Wave Serie, De [10] R.E. Collin. 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