Design and prototyping of RCS-reduction periodic structures at X-band and Ku-band for ground-based radomes

This thesis work has been carried out in the Microwave Lab in the University of Pavia, in collaboration with FDS Italy. [1] It consists of design, analysis, and characterization of a dual band radome with a Radar Cross Section (RCS) reduction structure. Realizing a cover for the antenna is necessary to protect it from weather, but sometimes also to reduce the radar signature of that structure, making it the most invisible to microwaves, thus creating a “stealth” structure. In radome design, knowing the operation band of the antenna is of utmost importance: at those frequencies the radome must have a minimized insertion loss, and at the same time it must reflect the frequencies out of this band. Combining this opacity with a structure geometry able to reflect in directions different from the origin of the wave, it is possible to obtain the requested invisibility to radars. The first thing to do when designing a radome is calculating the structure width, considering the materials used for realization, to have reduced loss in the whole bandwidth of interest, which includes in this case both X band and a part of Ku band. Then, the radome must be synthetized to behave like a selective filter in frequency. To do this, a Frequency Selective Surface (FSS) was inserted inside the lamination. A FSS is composed of a unit cell replicated on an ideally infinite array, creating a periodic surface. Thanks to that surface, together with an appropriate geometry of the radome, it is possible to reduce the monostatic RCS in the frequency bands that are reflected by that frequency selective surface. The objective of the project is realizing a radome with two transmission bands, which are respectively [7.25, 8.4] and [10.7, 14.8] GHz, minimizing the losses within those passbands, and at the same time reducing RCS out of the antenna operation bands, reflecting them in a non-specular direction. It was carried out both the design part of the structure, with simulations of planar and curved lamination, and the realization of a prototype with the subsequent measures. MATLAB was used to find the proper lamination width, while for FSS design it was adopted the commercial 3D simulation software Ansys HFSS, based on the finite element method. The prototype realization was carried out in the Photoengraving Lab in the University of Pavia, while the measures were performed using the VNA in the Microwave Lab.

Design e prototipazione di strutture periodiche di riduzione della RCS in banda X e banda Ku per radome terrestri. Questo elaborato di tesi è stato svolto presso il Laboratorio di Microonde dell’Università di Pavia, in collaborazione con FDS Italy. [1] Consiste nella progettazione, analisi, e caratterizzazione di un radome dual-band con una struttura di riduzione della Radar Cross Section (RCS). Realizzare una copertura per l’antenna è necessario per proteggerla dagli agenti atmosferici, ma a volte anche per ridurre la firma radar di tale struttura, in modo da renderla il più possibile invisibile alle microonde, attribuendole quindi caratteristiche che possono essere riassunte sotto la parola inglese “stealth”. Nel progetto di un radome è di basilare importanza conoscere la banda di funzionamento dell’antenna: a tali frequenze il radome dovrà avere un insertion loss il più basso possibile, e al tempo stesso dovrà riflettere totalmente le frequenze al di fuori di questa banda. Combinando questa opacità con una geometria della struttura in grado di non riflettere nella direzione di provenienza dell’onda, si può ottenere l’invisibilità ai radar richiesta. Inoltre, è necessario in primis ragionare sullo spessore della struttura, tenendo conto dei materiali con cui viene realizzato, per far sì che abbia perdite ridotte su tutta la banda di interesse, che comprende in questo caso sia la banda X che una parte della banda Ku. In secondo luogo, bisogna far sì che il radome si comporti come un filtro selettivo in frequenza. Per fare ciò è stata inserita una Superficie Selettiva in Frequenza (FSS) all’interno della laminazione. Una FSS è composta da una cella unitaria replicata in una schiera idealmente infinita, in modo da formare una superficie periodica. Grazie a tale superficie, assieme a una scelta appropriata della forma del radome, è possibile ridurre l’RCS monostatico nelle bande che vengono riflesse da tale superficie selettiva in frequenza. L’obiettivo del progetto è quello di realizzare un radome con due bande di trasmissione, che sono rispettivamente [7.25, 8.4] e [10.7, 14.8] GHz, minimizzando le perdite al loro interno, e che al tempo stesso sia in grado di ridurre la RCS al di fuori delle bande di funzionamento dell’antenna, riflettendole in direzione non speculare. È stata svolta sia la parte di design della struttura, con simulazioni della laminazione planare e curvata, sia la realizzazione di un prototipo, con le successive misure. Per trovare lo spessore adeguato della laminazione è stato usato MATLAB, mentre per il design della FSS si è optato per il software commerciale di simulazione 3D Ansys HFSS, basato sul metodo degli elementi finiti. La realizzazione del prototipo è stata effettuata nel Laboratorio di Fotoincisione dell’Università di Pavia, mentre le misure sono state realizzate con il VNA presso il Laboratorio di Microonde.