Spline-Profile Horn for Array Applications in Radio Astronomy

In this paper the properties of an optimized compact smooth-walled spline-profile horn for the 30 ÷38 GHz
 frequency band is described. The measured 3 dB beamwidths are 40° in the H-plane, 37° in the
 E-plane, and 38° in the 45° -plane. The measured sidelobe levels are less than –30...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Радиофизика и радиоастрономия
Date:2009
Main Authors: Chernobrovkin, R.Ye., Popenko, N.O., Khaikin, V.B., Granet, C.
Format: Article
Language:English
Published: Радіоастрономічний інститут НАН України 2009
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59815
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Spline-Profile Horn for Array Applications in Radio Astronomy / R.Ye. Chernobrovkin, N.O. Popenko, V.B. Khaikin, C. Granet // Радиофизика и радиоастрономия. — 2009. — Т. 14, № 3. — С. 314–319. — Бібліогр.: 9 назв. — англ.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860254537624846336
author Chernobrovkin, R.Ye.
Popenko, N.O.
Khaikin, V.B.
Granet, C.
author_facet Chernobrovkin, R.Ye.
Popenko, N.O.
Khaikin, V.B.
Granet, C.
citation_txt Spline-Profile Horn for Array Applications in Radio Astronomy / R.Ye. Chernobrovkin, N.O. Popenko, V.B. Khaikin, C. Granet // Радиофизика и радиоастрономия. — 2009. — Т. 14, № 3. — С. 314–319. — Бібліогр.: 9 назв. — англ.
collection DSpace DC
container_title Радиофизика и радиоастрономия
description In this paper the properties of an optimized compact smooth-walled spline-profile horn for the 30 ÷38 GHz
 frequency band is described. The measured 3 dB beamwidths are 40° in the H-plane, 37° in the
 E-plane, and 38° in the 45° -plane. The measured sidelobe levels are less than –30 dB in H-plane,
 –23 dB in E-plane, and –25 dB in 45° -plane. The maximum gain is 13.8 dBi. The measured crosspolarization
 level is less than –20 dB at the top of the band. The antenna measurement and test results
 are in good agreement with simulation. The results of the trial observations at the RATAN-600 radio
 telescope with the horn are given. We consider using such a horn as an efficient element in a multi-beam
 receiving array for a radio telescope. В роботі описано оптимізований компактний гладкостінний рупор зі сплайн-профілем
 для діапазону частот 30 ÷38 ГГц. Виміряна
 ширина діаграми спрямованості на рівні
 –3 дБ була 40° у H-площині, 37° у E-площині, 38° у 45° -площині. Виміряний рівень
 бокових пелюсток –30 дБ в H-площині,
 –23 дБ в E-площині, –25 дБ у 45° -площині.
 Максимальний рівень коефіцієнтa підсилювання був 13.8 дБ. У верхній частині діапа-
 зону виміряний рівень кросс-поляризації був
 нижчим –20 дБ. Результати чисельного моделювання добре співвідносяться з результатами експериментального дослідження.
 Наведено результати тестових вимірювань
 на радіотелескопі РАТАН-600 з розглянутим
 рупором. Ми вважаємо, що описаний рупор
 може бути використаний у якості ефективного елементу в багатопроменевих приймальних решітках радіотелескопа. В работе описаны свойства оптимизированного компактного гладкостенного рупора
 со сплайн-профилем для диапазона частот
 30 ÷38 ГГц. Измеренная ширина диаграммы
 направленности на уровне –3дБ равна 40°
 в H-плоскости, 37° в E-плоскости, и 38°
 в 45° -плоскости. Измеренный уровень боковых
 лепестков меньше чем –30 дБ в H-плоскости,
 –23 дБ в E-плоскости и –25 дБ в 45° -плоскости.
 Максимальный уровень коэффициента усиления
 равен 13.8 дБ. В верхней части диапазона измеренный уровень кросс-поляризации меньше
 –20 дБ. Результаты численного моделирования
 хорошо соответствуют результатам экспериментального исследования. Приведены результаты тестовых измерений на радиотелескопе
 РАТАН-600 с предложенным рупором. Мы считаем, что представленный рупор может быть
 использован как эффективный элемент в многолучевых приемных решетках радиотелескопа.
first_indexed 2025-12-07T18:47:38Z
format Article
fulltext Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №3, с. 314-319 © R. Ye. Chernobrovkin, N. O. Popenko, V. B. Khaikin, C. Granet, 2009 Spline-Profile Horn for Array Applications in Radio Astronomy R. Ye. Chernobrovkin, N. O. Popenko, V. B. Khaikin1, and C. Granet2 O. Ya. Usikov Institute for Radiophysics and Electronics of NAS of Ukraine, 12, Akad. Proskury St., Kharkiv, 61085, Ukraine ireburan@yahoo.com 1Special Astrophysical Observatory of Russian Academy of Sciences (NRTT Lab.) 21, Polytechnicheskaya St., off. 201, St. Petersburg, 194021, Russia vkhstu@mail.ru 2BAE Systems Australia, 40-52 Talavera Road, North Ryde NSW 2113, Australia Christophe.Granet@baesystems.com Received December 15, 2008 In this paper the properties of an optimized compact smooth-walled spline-profile horn for the 30 38÷ GHz frequency band is described. The measured 3 dB beamwidths are 40° in the H-plane, 37° in the E-plane, and 38° in the 45° -plane. The measured sidelobe levels are less than –30 dB in H-plane, –23 dB in E-plane, and –25 dB in 45° -plane. The maximum gain is 13.8 dBi. The measured cross- polarization level is less than –20 dB at the top of the band. The antenna measurement and test results are in good agreement with simulation. The results of the trial observations at the RATAN-600 radio telescope with the horn are given. We consider using such a horn as an efficient element in a multi-beam receiving array for a radio telescope. 1. Introduction Over the past few years, some of single-re- flector radio telescopes have moved towards a multi-beam mode of operation allowing one to expand essentially the field of view and to re- ceive multi-pixel radio images of some extent of the sky area or a rapidly variable cosmic source without mechanical scanning [1-3]. For the rea- lization of such a mode of operation, a multi-beam receiving array with elements as densely packed as possible is required to avoid a map undersamp- ling. The significant challenges in designing the multi-beam receiving array feed-elements are the compactness and preservation of their characteristics (radiation pattern, gain, return loss, side lobe level, cross-polarization level, mutual coupling of adjacent elements, etc) over the gene- rally wide bandwidth required by modern recei- vers. In this paper the simulated characteristics and test results of a compact and efficient smooth- walled spline-profile horn are presented. Such a horn may be used for both radio astronomy as an effective single antenna [4] and the radio telescope as an efficient compact feed of the multi- beam receiving array [5]. 2. Smooth-Walled Spline-Profile Horn The conventional corrugated horn with a linear profile is widely used in radio astronomy and is effective enough, but the corrugation-depths are added to the overall cross-section size of the element that restricts a possibility of packing the elements close to each other in array applications. The radiation pattern of the smooth-walled spline- profile horn is formed by exciting, through a change in the profile, the higher-order modes with correct Spline-Profile Horn for Array Applications in Radio Astronomy 315Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №3 amplitude and phase relationships. Such a spline profile allows us to optimize both the radiation pattern characteristics and size of the horn. The optimization method being employed here is de- scribed in [6]. It is worth noting that this optimi- zation algorithm is fast and accurate and has been now adopted by others, such as [7]. A number of nodes and profile coefficients at these nodes (from 1a to 5a and 0a in Fig. 1) are chosen to create the spline-profile providing a suitable radiation pattern over the entire operational frequency band. The constraining coefficients (from 1d to 5d and 0d in Fig. 1) are applied to create the optimized spline-profile which could be realized in the horn prototype. Regarding to the multi-beam receiving array applications the aperture size of the horn is limited to about 01.6λ (where 0λ is the wavelength). Therefore the size 0a is a fix-value that is not optimized. Furthermore, the radiation pattern has to have a –10 dB beamwidth of about 80° and a target cross-polarization level lower than –20 dB. All these conditions, and a return loss target of –20 dB, were taken into account using the tech- nique in [6] and the horn geometry was optimized to cover the 30 38÷ GHz frequency band. The calculated radiation patterns of the optimized smooth-walled spline-profile horn are shown in Fig. 2. Note that the mismatch at the aperture and the flange effect are taken into account in this simulation. The input reflection coefficient 11 ,S horn gain and mutual coupling coefficient 12S versus the frequency were simulated by using the Software Package CST Microwave Studio. As can be seen from Fig. 3, the mutual coupling between adja- cent horns is less than –38 dB over the entire operational frequency band. Fig. 1. Spline-profile horn geometry Fig. 2. Calculated radiation patterns of the smooth- walled spline-profile horn with the circular- to-rectangular transition at 30 GHz (a), 34 GHz (b), and 38 GHz (c): 1 – E-plane; 2 – H-plane; 3 – 45° -plane; 4 – cross-polarization R. Ye. Chernobrovkin, N. O. Popenko, V. B. Khaikin, C. Granet 316 Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №3 The optimized profile of the horn is given in Fig. 4 (top). The antenna prototype (Fig. 4, bot- tom) consisting of the optimized smooth-walled spline- profile horn and a transition from the rectangular to circular waveguide has been manufactured. 3. Antenna Measurements and Test Results The radiation pattern of the horn was mea- sured by the method described in [8]. The mea- sured and simulated beamwidths at different levels are given in Table which shows good agree- ment between the calculated and experimental results. Measured radiation patterns of the horn are given in Fig. 5 at the top of the frequency band (38 GHz). The sidelobe levels are less than –30dB in H-plane, –23 dB in E-plane, and –25 dB in 45° -plane. The maximum gain is 13.8 dBi. Mea- sured cross-polarization level is less than – 20 dB at the top of the frequency band. The antenna performances of the RATAN-600 radio telescope with the smooth-walled spli- ne-profile horn as a feed were measured in No- vember 2008. Subsequent observations of the Sun (Figs. 6, 7) have shown the real fine structure Fig. 4. The optimized spline-horn profile (top) and antenna prototype (bottom) Fig. 3. Calculated (1) and measured (2) reflection coefficient 11S , calculated gain G and mutual coupling coefficient 12S Spline-Profile Horn for Array Applications in Radio Astronomy 317Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №3 of the Solar emission in the 8 mm band including the Super granulation and some other events which were also recognised at longer wavelengths of the Panoramic Analyser of Spectrum [9]. Trial observations were done on the “South-sec- tor+Periscope” antenna system of the RATAN-600 radio telescope with a single beam receiver, which Level E-plane H-plane 45° -plane E-plane H-plane 45° -plane –3 dB 35.8° 42° 38.6° 37° 40° 38° –10 dB 62.8° 77.2° 68.8° 59° 76° 70° –20 dB 82.5° 111.6° 94.8° 79° 114° 96° Horn + circular-to-rectangular transition Measurements Table. Comparison of the simulated and measured results Fig. 5. Measured radiation patterns of the smooth- walled spline-profile horn at 38 GHz: 1– H-plane; 2 – E-plane; 3 – 45° -plane; 4 – cross-polarization Fig. 6. The Sun passing the RATAN-600 beam in 3 days of November 2008 R. Ye. Chernobrovkin, N. O. Popenko, V. B. Khaikin, C. Granet 318 Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №3 is similar to the array receiver operating in a modulation mode with a digital output, descri- bed in [5]. The following observations of calibra- tion cosmic sources at the North sector of the RATAN-600 with the single beam receiver and the new horn have demonstrated a similar aperture efficiency which was simultaneously achieved with a scalar horn at lower frequency (30 32÷ GHz). Fig. 7. The top of the Sun passing the RATAN-600 beam in 3 days of November 2008 4. Conclusions A smooth-walled spline-profile horn operating in the 30 38÷ GHz frequency band has been optimized, manufactured and tested. The horn is compact and the mutual coupling between adjacent horns is less than –38 dB. The measured horn performances are in good agreement with the simulated ones. The trial observations of the Sun on the RATAN-600 radio telescope with afore- mentioned feed-horn show the expected radio telescope performances. In this respect we can conclude that the proposed smooth-walled spline- profile horn is a good candidate for the radio tele- scope multi-beam focal array. References 1. N. Erikson, P. Goldsmith, C. Predmore, G. Novak, and P. Viscuso, “A 15 element imaging array for 100 GHz”, IEEE MTT-S International Symposium Digest, pp. 973-976, 1990. 2. E. Kreysa, H.-P. Gemünd, J. Gromke, “Bolometer array development at the Max-Planck-Institut für Radioastro- nomie”, Infrared Phys. Tech, vol. 40, pp. 191-197, 1999. 3. K. Sunada, C. Yamaguchi, N. Nakai, K. Sorai, S. K. Oku- mura, and N. Ukita, “BEARS: SIS 25-beam array re- ceiver system for the NRO 45-m Telescope”, Radio Telescopes, Proc. SPIE , 2000, vol. 4015, pp. 237-246. 4. C. Granet, G. L. James, R. Bolton, and G. Moorey, “Smooth-walled spline profile millimeter-wave horn for radio astronomy”, Proc. J. Int. de Nice sur les An- tennes (JINA’02), Nice, France, 2002, pp. 375-378. 5. V. B. Khaikin, V. N. Radzikhovsky, S. E. Kuzmin, S. A. Shlenzin, N. Popenko, R. Chernobrovkin, C. Gra- net, “Tightly packed multibeam FPA at 30-38 GHz”, Proc. of ESA Antenna Workshop on Multiple Beams and Reconfigurable Antennas (Innovation and chal- lenges), Noordwijk, the Netherlands, 2007, pp. 21-23. 6. C. Granet, G. L. James, R. Bolton, and G. Moorey, “A smooth-walled spline-profile horn as an alterna- tive to the corrugated horn for wide band millimeter- wave applications”, IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 52, no. 3, pp. 848-854, March 2004. 7. I. Jensen, “An optimized stepped profiled horn with low cross-polarization for a 20/30 GHz DVB-RCS terminal”, 18th International Conference on Applied Electromag- netics and Communications, ICECOM, 2005, pp. 1-4. 8. A. S. Andrenko, I. V. Ivanchenko, D. I. Ivanchenko, S. Y. Karelin, A. M. Korolev, E. P. Laz’ko, N. A. Popenko, “Active broad X-band circular patch antenna”, IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., vol. 5, pp. 529-533, 2006. 9. <http://w0.sao.ru/hq/sun/> Spline-Profile Horn for Array Applications in Radio Astronomy 319Радиофизика и радиоастрономия, 2009, т. 14, №3 Рупор сo сплайн-профилем для применения в решетках в радиоастрономии Р. Е. Чернобровкин, Н. А. Попенко, В. Б. Хайкин, К. Гранет В работе описаны свойства оптимизиро- ванного компактного гладкостенного рупора со сплайн-профилем для диапазона частот 30 38÷ ГГц. Измеренная ширина диаграммы направленности на уровне –3дБ равна 40° в H-плоскости, 37° в E-плоскости, и 38° в 45° -плоскости. Измеренный уровень боковых лепестков меньше чем –30 дБ в H-плоскости, –23 дБ в E-плоскости и –25 дБ в 45° -плоскости. Максимальный уровень коэффициента усиления равен 13.8 дБ. В верхней части диапазона изме- ренный уровень кросс-поляризации меньше –20 дБ. Результаты численного моделирования хорошо соответствуют результатам экспери- ментального исследования. Приведены резуль- таты тестовых измерений на радиотелескопе РАТАН-600 с предложенным рупором. Мы счи- таем, что представленный рупор может быть использован как эффективный элемент в много- лучевых приемных решетках радиотелескопа. Рупор зі сплайн-профілем для використання в решітках в радіоастрономії Р. Є. Чорнобровкін, Н. О. Попенко, В. Б. Хайкін, К. Гранет В роботі описано оптимізований компакт- ний гладкостінний рупор зі сплайн-профілем для діапазону частот 30 38÷ ГГц. Виміряна ширина діаграми спрямованості на рівні –3 дБ була 40° у H-площині, 37° у E-пло- щині, 38° у 45° -площині. Виміряний рівень бокових пелюсток –30 дБ в H-площині, –23 дБ в E-площині, –25 дБ у 45° -площині. Максимальний рівень коефіцієнтa підсилю- вання був 13.8 дБ. У верхній частині діапа- зону виміряний рівень кросс-поляризації був нижчим –20 дБ. Результати чисельного мо- делювання добре співвідносяться з резуль- татами експериментального дослідження. Наведено результати тестових вимірювань на радіотелескопі РАТАН-600 з розглянутим рупором. Ми вважаємо, що описаний рупор може бути використаний у якості ефективно- го елементу в багатопроменевих приймаль- них решітках радіотелескопа.
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-59815
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1027-9636
language English
last_indexed 2025-12-07T18:47:38Z
publishDate 2009
publisher Радіоастрономічний інститут НАН України
record_format dspace
spelling Chernobrovkin, R.Ye.
Popenko, N.O.
Khaikin, V.B.
Granet, C.
2014-04-10T09:00:24Z
2014-04-10T09:00:24Z
2009
Spline-Profile Horn for Array Applications in Radio Astronomy / R.Ye. Chernobrovkin, N.O. Popenko, V.B. Khaikin, C. Granet // Радиофизика и радиоастрономия. — 2009. — Т. 14, № 3. — С. 314–319. — Бібліогр.: 9 назв. — англ.
1027-9636
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59815
In this paper the properties of an optimized compact smooth-walled spline-profile horn for the 30 ÷38 GHz&#xd; frequency band is described. The measured 3 dB beamwidths are 40° in the H-plane, 37° in the&#xd; E-plane, and 38° in the 45° -plane. The measured sidelobe levels are less than –30 dB in H-plane,&#xd; –23 dB in E-plane, and –25 dB in 45° -plane. The maximum gain is 13.8 dBi. The measured crosspolarization&#xd; level is less than –20 dB at the top of the band. The antenna measurement and test results&#xd; are in good agreement with simulation. The results of the trial observations at the RATAN-600 radio&#xd; telescope with the horn are given. We consider using such a horn as an efficient element in a multi-beam&#xd; receiving array for a radio telescope.
В роботі описано оптимізований компактний гладкостінний рупор зі сплайн-профілем&#xd; для діапазону частот 30 ÷38 ГГц. Виміряна&#xd; ширина діаграми спрямованості на рівні&#xd; –3 дБ була 40° у H-площині, 37° у E-площині, 38° у 45° -площині. Виміряний рівень&#xd; бокових пелюсток –30 дБ в H-площині,&#xd; –23 дБ в E-площині, –25 дБ у 45° -площині.&#xd; Максимальний рівень коефіцієнтa підсилювання був 13.8 дБ. У верхній частині діапа-&#xd; зону виміряний рівень кросс-поляризації був&#xd; нижчим –20 дБ. Результати чисельного моделювання добре співвідносяться з результатами експериментального дослідження.&#xd; Наведено результати тестових вимірювань&#xd; на радіотелескопі РАТАН-600 з розглянутим&#xd; рупором. Ми вважаємо, що описаний рупор&#xd; може бути використаний у якості ефективного елементу в багатопроменевих приймальних решітках радіотелескопа.
В работе описаны свойства оптимизированного компактного гладкостенного рупора&#xd; со сплайн-профилем для диапазона частот&#xd; 30 ÷38 ГГц. Измеренная ширина диаграммы&#xd; направленности на уровне –3дБ равна 40°&#xd; в H-плоскости, 37° в E-плоскости, и 38°&#xd; в 45° -плоскости. Измеренный уровень боковых&#xd; лепестков меньше чем –30 дБ в H-плоскости,&#xd; –23 дБ в E-плоскости и –25 дБ в 45° -плоскости.&#xd; Максимальный уровень коэффициента усиления&#xd; равен 13.8 дБ. В верхней части диапазона измеренный уровень кросс-поляризации меньше&#xd; –20 дБ. Результаты численного моделирования&#xd; хорошо соответствуют результатам экспериментального исследования. Приведены результаты тестовых измерений на радиотелескопе&#xd; РАТАН-600 с предложенным рупором. Мы считаем, что представленный рупор может быть&#xd; использован как эффективный элемент в многолучевых приемных решетках радиотелескопа.
en
Радіоастрономічний інститут НАН України
Радиофизика и радиоастрономия
Антенны, волноводная и квазиоптическая техника
Spline-Profile Horn for Array Applications in Radio Astronomy
Article
published earlier
spellingShingle Spline-Profile Horn for Array Applications in Radio Astronomy
Chernobrovkin, R.Ye.
Popenko, N.O.
Khaikin, V.B.
Granet, C.
Антенны, волноводная и квазиоптическая техника
title Spline-Profile Horn for Array Applications in Radio Astronomy
title_full Spline-Profile Horn for Array Applications in Radio Astronomy
title_fullStr Spline-Profile Horn for Array Applications in Radio Astronomy
title_full_unstemmed Spline-Profile Horn for Array Applications in Radio Astronomy
title_short Spline-Profile Horn for Array Applications in Radio Astronomy
title_sort spline-profile horn for array applications in radio astronomy
topic Антенны, волноводная и квазиоптическая техника
topic_facet Антенны, волноводная и квазиоптическая техника
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59815
work_keys_str_mv AT chernobrovkinrye splineprofilehornforarrayapplicationsinradioastronomy
AT popenkono splineprofilehornforarrayapplicationsinradioastronomy
AT khaikinvb splineprofilehornforarrayapplicationsinradioastronomy
AT granetc splineprofilehornforarrayapplicationsinradioastronomy