Low Cost, Short Lead-time Feed Chain Components for Multi-beam Antennas

Transcript

1 Low Cost, Short Lead-time Feed Chain Components for Multi-beam Antennas Εισαγωγή Τα πολλαπλά spot beams δημιουργούνται συνήθως χρησιμοποιώντας έναν αριθμό single-feed-per-beam (SFB) κεραίες στο δορυφορικό σταθμό με κάθε SFB να αποτελείται από έναν offset ανακλαστήρα (reflector) σύστημα τροφοδοτούμενο από ένα cluster από feeds, με κάθε feed να δημιουργεί μία δέσμη. Η μείωση του κόστους κατασκευής σε συνδυασμό με τον χρόνο καθυστέρησης (lead time) είναι μεγάλης σημασίας σε τέτοια συστήματα, το οποίο μπορεί να έχει έως και 100 δέσμες. Μια τυπική αλυσίδα τροφοδοσίας (feed chain), για ένα Ka-band SFB σύστημα κεραίας, αποτελείται από μια χοάνη τροφοδοσίας, ένα πολωτή και ένα OMT με κατάλληλες μεταβολές κυματοδηγού ενωμένα ανάμεσα. Χρησιμοποιώντας κλασικές μεθόδους όπως machining, spark- erosion ή electroforming το κόστος και ο χρόνος καθυστέρησης είναι πολύ υψηλά. Το πιο δύσκολο κομμάτι κατασκευαστικά σε μια αλυσίδα τροφοδοσίας είναι ο OMT(Ortho Mode Transducer). Manufacturing Process Description Η επιλεγόμενη μέθοδος κατασκευής είναι η Selective Laser Sintering(SLS), που είναι μια κατασκευή μορφοποίησης προσθετικού επιπέδου. Η λειτουργία της στηρίζεται κατασκευάζοντας τα κομμάτια σε επίπεδα με sintered powder. Ένα επίπεδο σκόνης,(πολυμερούς θερμο πλαστικού ή μετάλλου), απλώνεται σε μια περιοχή κατασκευής και διαμορφώνεται (sintered) από υπολογιστή οδηγούμενων καθρεφτών (guided mirrors). Το επόμενο επίπεδο powder προστίθενται στην συνέχεια και η διαδικασία επαναλαμβάνεται. Επίπεδα έως 0.02mm, σε βάθος (ανάλογα με την διαδικασία και το υλικό) εξασφαλίζουν μια ακριβή αναπαράσταση του μοντελοποιημένου τμήματος.

2 Πρόσφατα, μεταλλικές μέθοδοι powder τείνουν προς την τεχνική Selective Laser Melting(SLM), η οποία δίνει υψηλότερης πυκνότητας υλικά και λιγότερα εσωτερικά κενά. Τα ελαττώματα της SLS/SLM διαδικασίας είναι ότι τα επιφανειακά, τελικά, τμήματα χαρακτηρίζονται από το μέγεθος του powder (το οποίο είναι συνήθως 20μm για τα μέταλλα που παράγουν επιφανειακά τελειώματα σε εύρος 5-10μm Ra) και από τον αριθμό και τον τύπο των διαθέσιμων υλικών. Τα διαθέσιμα μεταλλικά υλικά δίνονται στον πίνακα 1. Η διαρκής εξέλιξη στον συγκεκριμένο τομέα οδηγεί στην αύξηση των διαθέσιμων υλικών για την εφαρμογή της μεθόδου. Το επιλεγμένο υλικό για την εφαρμογή αυτή είναι το DM20, ένας επινικελωμένος χαλκός. Το υλικό αυτό επιλέχθηκε έτσι ώστε να είναι όσο το δυνατόν ακριβέστερη η αναπαράσταση της δομής από το υλικό, ενώ επίσης είναι και καλός θερμικός αγωγός που είναι σημαντικός για μεγάλη feed διάταξη. Μια συνέπεια της κακής ηλεκτρικής αγωγιμότητας του DM20 είναι οτι το κομμάτι θα πρέπει να επικαλύπτεται με σίδηρο ή ασήμι. Η SLS μέθοδος παράγει έναν παράγοντα επιφανείας (τελείωμα) το οποίο είναι πορώδες και απότομο (rough). Στο συχνοτικό εύρος της Ka-band, το επιδερμικό φαινόμενο στο ασήμι είναι λιγότερο από 0.5μm. Η επιλογή έγινε έτσι ώστε να αντισταθμιστεί η αύξηση των απωλειών εξαιτίας της απότομης επιφάνειας καθώς δεν υπάρχουν τεχνικές οι οποίες θα μείωναν αυτήν την ανωμαλία σε λιγότερο από 0.5μm διατηρώντας καλή αναλυτικότητα (fine detail). Design Description Το OMT βασίζεται στην Boifot σύζευξη (junction). Ένα προγενέστερο OMT σχέδιο δημιουργήθηκε χρησιμοποιώντας συμβατικές μηχανικές τεχνικές, όπως φαίνεται στο σχήμα 1. Αυτό ήταν το σημείο αφετηρίας του SLS σχεδιασμού. Το OMT σχεδιάστηκε να λειτουργεί με μία πόλωση για τις μπάντες εκπομπής και λήψης σε ορθογώνια πόλωση. Τέτοιου είδους feeds χρησιμοποιείται για το 75%-95% των beams στις Ka-band SFB κεραίες. Η μετάβαση από το OMT στον πολωτή υπολογίστηκε καθώς αυτό ελαττώνει τον αριθμό των τμημάτων του ολικού feed chain.

3 Ένα μεγάλο κομμάτι του σχεδιασμού δόθηκε στην μετατροπή της αρχικής ιδέας έτσι ώστε να συμπεριλαμβάνει τις προϋποθέσεις της κατασκευαστικής μεθόδου. Ένα από τα κλειδιά είναι η ανάγκη να αυτό-υποστηρίζεται η κατασκευή, η οποία είναι κάθετη, δηλαδή επιλέγεται έτσι ώστε να ελαχιστοποιούνται οι προεξοχές (overhangs). Όπου όμως υπάρχουν προεξοχές, η γωνία θα πρέπει να είναι μικρότερη από 45 μοίρες σε σχέση με την κάθετο. Κάθε κατασκευή υποστήριξης θα πρέπει να είναι εύκολα προσβάσιμη έτσι ώστε οι προεξοχές αυτές να συμβαίνουν μόνο σε εξωτερικά χαρακτηριστικά. Εννέα OMTs κατασκευάστηκαν σε μια δομή με την SLS μέθοδο. Από αυτά, τα 5 κατασκευάστηκαν σε τέτοιο βαθμό έτσι ώστε να επιτρέπεται η πραγματοποίηση RF πειραμάτων, ενώ τα υπόλοιπα 4 χρησιμοποιήθηκαν σαν μηχανικά και plating δείγματα ή test pieces. Το σχήμα 3 δείχνει την απεικόνιση ενός τέτοιου OMT. Στην συνέχεια παρουσιάζονται οι S-παράμετροι όλων των OMT και οι PΙΜ μετρήσεις ενός OMT.

4 Cost and Schedule Reduction Το κόστος κατασκευής ενός τελικού τμήματος είναι το ένα πέμπτο ενός συμβατικού OMT. Αυτό επιτυγχάνεται από το γεγονός ότι σε ένα batch (κατασκευή) κατασκευάστηκαν 9 OMTs με μία μόνο εφαρμογή κατασκευής. Παρόλα αυτά το κόστος αναμένεται να μειωθεί για μεγαλύτερες ποσότητες και περιορίζεται μόνο από το μέγιστο πλήθος OMTs σε ένα batch. Όμως ακόμα και αν ένα μόνο στοιχείο παραγόταν με κάθε εφαρμογή της κατασκευής τότε το κόστος θα ήταν και πάλι λιγότερο από ένα τέταρτο της συμβατικής μεθόδου κατασκευής. Τα 9 OMTs μπορούν να κατασκευαστούν σε λιγότερο από 6 βδομάδες, υπολογίζοντας και τον χρόνο για τον έλεγχο ποιότητας και του plating (επιμετάλλωσης). Για μεγαλύτερες ποσότητες, όπου ο αριθμός των εφαρμογών κατασκευής που απαιτείται αυξάνεται, ο χρόνος για ένα batch αναμένεται να είναι λιγότερος από 1 βδομάδα. Οι συμβατικές μηχανικές τεχνικές απαιτούν έναν αριθμό μηχανών σε παράλληλη λειτουργία για να επιτύχουν τόσο μικρούς χρόνους κατασκευής. Το γενικότερο κόστος επένδυσης θεωρείται ιδιαίτερα υψηλό. S-parameter measurements Με την χρήση ενός αναλυτή δικτύου έγιναν οι μετρήσεις των S-παραμέτρων και τα αποτελέσματα φαίνονται στα σχήματα 4 έως 9. Οι μετρήσεις αφορούν συντελεστές ανάκλασης, ομικών απωλειών τόσο για συντελεστές μετάβασης όσο και για calibration και απομόνωση θυρών.

5 PIM results Το OMT εξετάστηκε και για PIM με τα αποτελέσματα να φαίνονται στον πίνακα 2. Θεωρήσαμε 2 σήματα ισχύος 150W με τα προϊόντα 3ης έως 7ης τάξης να μετρούνται στις συχνότητες 17.3 και 18.3 Ghz που είναι οι ζώνες απολαβής για την Ku-band δορυφορικών εκπομπών. Τα 9ης και 11ης τάξης προϊόντα μετρήθηκαν για συχνότητες από 28 έως 30 Ghz. Το κατώφλι θορύβου του συστήματος ήταν κάτω από τα -145dB, ενώ στο Ka-band σύστημα, το κατώτερης τάξης PIM προϊόν είναι το 9ο. Feed Chain Results Το OMT δημιουργήθηκε με ένα πολωτή και μια χοάνη για να αποκτήσουμε την feed chain (σχήμα 10), διάταξη η οποία μελετήθηκε για συντελεστή απωλειών ανάκλασης, απομόνωση θυρών. Τα διαγράμματα μετρήθηκαν στα όρια των ζωνών και σε συχνότητες που παρατηρήθηκαν αιχμές στα διαγράμματα των S-παραμέτρων. Οι μετρήσεις δείχνουν πως δεν υπάρχει αισθητή υποβάθμιση στην απόδοση feed chain παραδοσιακής OMT κατασκευής και κατασκευασμένης με την SLS μέθοδο.

6

7