Design of TE21 Tracking Couplers for Monopulse Applications

This thesis illustrates the work done in collaboration with the University of Cantabria, Spain, under the supervision of Professor Angel Mediavilla. It concerns the characterization of tracking couplers, key components of the monopulse chain, which have been developed in order to test a novel calibration method. Monopulse systems are widely used for tracking purposes, by means of two radiation patterns emitted at the same time: the sum channel, which commonly constitutes the useful signal, used for TT&C (Telemetry, Tracking and Command), data transmission and range measurement, and the delta channel, from which the angle measurement in azimuth and elevation can be retrieved. The first part of this work is dedicated to the description of the entire monopulse chain and the elements that build it, in order to understand the basic operating mode and its performance with respect to other tracking systems. The following pages, instead, are focused on the description of the high order mode (HOM) tracking couplers, which are used in multi-mode monopulse systems. This kind of systems exploit the particular shape of modes in a circular waveguide in order to build the sum and delta channels, which are formed by the fundamental and high order modes respectively. The tracking couplers allow to separate the two patterns, in order to correctly process the received signal and allow a correct antenna pointing. The basic principles and the most used geometries will be discussed to comprehend the theory at the base of the designed devices. Subsequently, the designs of a single and a dual-mode tracking coupler will be presented, together with the results obtained in the simulations. The operating modes, the observed problems and the configuration that might be adopted in order to solve them will all be discussed. The last pages are dedicated to the validation of the simulations through measurements, and the in-lab calibration of the system through a novel technique that employs the use of an offset circular waveguide.

Questa tesi illustra il lavoro svolto in collaborazione con l’Università della Cantabria, Spagna, sotto la supervisione del Professor Angel Mediavilla. È incentrato sulla caratterizzazione di tracking couplers, componenti chiave della catena monopulse, che sono stati sviluppati per testare un nuovo metodo di calibrazione. I sistemi monopulse sono ampiamente utilizzati per operazioni di tracking, tramite l’emissione simultanea di due diversi diagrammi di radiazione: il canale somma, che costituisce il segnale utile, usato per TT&C (Telemetry, Tracking and Command), trasmissione dati e misure di range, e il canale delta, con cui è possibile determinare la misura angolare in azimuth ed elevazione. La prima parte del lavoro è dedicata alla descrizione dell’intera catena monopulse e degli elementi che la costituiscono, in modo da comprendere i principi di funzionamento e la sua performance rispetto ad altri sistemi di tracking. Le pagine successive, invece, si concentrano sulla descrizione degli high order mode (HOM) tracking couplers, impiegati in sistemi monopulse di tipo multimodo. Questo sistema sfrutta la particolare forma dei modi in una guida circolare per costruire il canale somma e delta, composti rispettivamente dai modi fondamentali e dai modi di ordine superiore. I tracking couplers permettono di separare i due canali, in modo da elaborare correttamente il segnale ricevuto e correggere il puntamento dell’antenna. Saranno presentati i principi base e le geometrie più usate per comprendere la teoria alla base dei dispositivi presentati nei capitoli successivi. A seguire, i design di un tracking coupler a singolo e doppio modo saranno presentati insieme ai risultati ottenuti nelle simulazioni. Saranno discusse le modalità di funzionamento, i problemi che possono essere riscontrati nel loro utilizzo e le configurazioni che si adottano per risolverli. Le ultime pagine sono dedicate alla verifica dei risultati ottenuti nelle simulazioni attraverso delle misure, e alla calibrazione del sistema nell’ambiente di laboratorio tramite una tecnica che prevede l’utilizzo di una guida circolare con offset.