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Antennas everywhere - from space to undersea - design, optimizations and new techniques for spaceborn, ground based and marine antennas
Full text linkThe present dissertation gathers the most significant researches and achievements of its author in the antenna domain. The text is organised in three main parts that are intended to guide the reader through a theoretical and technological excursus on antennas solutions, from space to undersea.
Each part aims at showing the answer to each of the following questions, respectively:
How a spaceborne antenna shall be?
How a ground-based antenna shall be?
How a media penetrating antenna shall be?
In the frame of a collaboration with the European Space Research and Technology Centre (ESTEC) of the European Space Agency (ESA), the author has been involved, after completing on site (in The Netherlands) his M.Sc. degree in 2011, in a research on the optimisation of the scanning properties of confocal dual reflector antenna systems for spaceborne applications.
As part of his permanent assignment, since 2012, as consultant at the ESA’s European Space Operations Centre (ESOC), Germany, the author is responsible of different sustaining and investment projects on existing and new ground antenna terminals for space missions. Some of the projects are presented in this work.
Together with the group of electromagnetism of the University La Sapienza of Rome, the author has treated problems related to the electromagnetic deep penetration of lossy media using deep penetrating new antenna solutions.
The text is organized into five chapters. Chapter 1 is an introduction and deals with the historical background of modern antennas technologies and layouts and with the fundamental parameters for the analysis of antenna systems related to space and terrestrial contexts. Chapter 2 presents the major achievements of a study on a dual confocal offset antenna configuration for space applications. In particular the optical aberrations caused by the offset arrangement are analysed in order to validate the system introduced as an interesting solution for compact, light and simple payload antennas. Chapter 3 introduces to the world of ground based antennas and provides some interesting hints on a wide range of ground antenna types. Several designing solutions are proposed with the aim of optimizing the desired available gain for the various applications, from the tracking of a space launcher to the communication with spacecraft at the edge of the solar system. An in-depth study is presented on the upgrade of a radio telescope into a ground terminal for the support of deep space missions, addressing to the required versatility of the antenna layouts and to the sustainability of the ground station environment. In Chapter 4, the possibility of achieving the electromagnetic deep penetration of lossy media is analysed. A new design solution, able to generate inhomogeneous waves, similarly to what performed by leaky wave antennas, is introduced. This layout is of extreme interest for its flexibility and for its potentiality of application, as for instance the deep penetration of seawater. Chapter 5 recaps the conclusions of the entire dissertation showing that the world of antennas is much wider than one may think at first sight and innovative solutions are always behind the corner
Progettazione di assorbitori metamateriali nelle microonde
Full text linkIl seguente lavoro di tesi riporta i risultati del progetto di ricerca svolto durante il percorso di Dottorato in Elettromagnetismo. Il tema del Dottorato ha avuto come soggetto gli assorbitori perfetti metamateriali (PMA, Perfect Metamaterial Absorber) ed il target del percorso triennale è stato lo studio e la progettazione di nuove strutture assorbenti basate sempre su tale tecnologia che presentassero ottime prestazioni in termini di assorbimento così da poter rientrare nella categoria.
Gli assorbitori progettati funzionano nella banda X delle microonde. La logica del percorso seguito nella dissertazione è stata così articolata;
Introduzione. Prima dell’inizio del corpo vero e proprio della tesi è stato elaborato un breve capitolo di introduzione in cui si è introdotto l’argomento del triennio di Dottorato ed il metodo di studio e analisi seguiti. Tale capitolo è stato suddiviso in tre paragrafi che hanno la funzione di presentare a chi legge l’argomento trattato (gli assorbitori PMA), il percorso generale, la definizione degli obbiettivi della ricerca, l’approccio metodologico seguito ed applicato durante il triennio ed infine una breve descrizione del software di simulazione Comsol Multiphysics utilizzato per le simulazioni numeriche.
CAPITOLO 1. È il capitolo dove si contestualizza l’argomento della tesi: gli assorbitori metamateriali (PMA). È una sezione della dissertazione dove viene ripercorsa la storia dei metamateriali e descritte le loro principali proprietà peculiari. L’attenzione si focalizza gradualmente sugli assorbitori metamateriali oggetto di studio del dottorato; viene presentata la loro origine, dai dispositivi precursori come lo schermo di Salisbury fino allo stato dell’arte attuale, a come vengono realizzati, quali sono le tipologie più diffuse fino ad illustrare quali possono essere le potenziali applicazioni in ambito ingegneristico, energetico e strategico. Infine vengono spiegati brevemente i punti salienti della fisica degli assorbitori che sono alla base del loro stesso funzionamento, ponendo enfasi sulle condizioni che generano la risonanza d’assorbimento e sul ruolo delle perdite dielettriche.
CAPITOLO 2. In questo capitolo è stata approfondita la conoscenza dell’assorbitore di Landy. Tale dispositivo consta di uno slab dielettrico in FR4 con perdite. Sulle due superfici opposte dello slab sono depositate delle inclusioni metalliche in rame. Sulla superficie top, quella in cui per prima giunge la radiazione incidente, è presente un risonatore quadrato ad anello aperto (SSRR, Split Square Ring Resonator), mentre su quella opposta dove fuoriesce l’onda trasmessa è presente una strip metallica. La struttura e le condizioni al contorno di tale dispositivo sono state riprodotte in ambiente Comsol Multiphysics, il software di simulazione utilizzato durante tutto il lavoro di ricerca. In questo modo si sono riprodotti i risultati riportati in letteratura legati a tale dispositivo e si è potuto avere un modello di partenza su cui poi sviluppare il lavoro. Il dispositivo di Landy è un assorbitore perfetto in una singola polarizzazione lineare TE (piano di incidenza yz) per piccoli valori dell’angolo di incidenza e per una ristretta frequenza di lavoro che ricade nella banda X delle microonde. Allontanandosi da tali condizioni le prestazioni calano rapidamente.
CAPITOLO 3. In questa parte della tesi sono riportati i principali risultati ottenuti durante il triennio. A partire dal modello dell’assorbitore di Landy i prinicipali sforzi si sono concentrati nell’individuazione di una struttura che ottimizzasse l’assorbimento, mantenendo al contempo una semplicità realizzativa. Sono stati compiuti numerosi test agendo sulla geometria delle inclusioni metalliche, sul numero degli strati, sul tipo di polarizzazione dell’onda incidente. Alla fine i migliori risultati si sono ottenuti assottigliando la larghezza del risonatore quadrato, ruotandolo di 90 gradi rispetto alla configurazione di Landy e sostituendo la strip metallica con un piatto metallico. In tal modo si è ottenuto un nuovo dispositivo wide angular absorber che manifesta un elevato assorbimento anche in condizioni di incidenza obliqua per grandi angoli, sempre in banda X. Tale ottima prestazione si limita però alla polarizzazione TE (piano di incidenza yz) e per
ristretti valori in frequenza. Le dimensioni dell’assorbitore sono state adattate in base alle esigenze commerciali in relazione alla reperibilità dei materiali disponibili così da poter realizzare il dispositivo e sottoporlo a misure sul campo. Nel corso di tale fase del Dottorato è stato necessario riprogettare il dispositivo così da poter avere una struttura funzionante e realizzabile sulla base dei materiali disponibili commercialmente. La nuova forma è stata elaborata in collaborazione con il gruppo di ricerca. Minore fortuna ha invece avuto la ricerca di un modello circuitale volto ad ottenere una formalizzazione della relazione tra parametri geometrici delle inclusioni metalliche e risonanze osservate.
CAPITOLO 4. Questa sezione della tesi descrive un’ ulteriore evoluzione del wide angular absorber nel tentativo di incrementare ulteriormente le prestazioni in termini di assorbimento. Come nello step precedente dopo alcuni tentativi, la sostituzione del risonatore quadrato con delle inclusioni metalliche a forma di svastica ha condotto ad un miglioramento dell’assorbimento.
Facendo ricorso ad una geometria quadrata della cella primitiva con inclusioni metalliche a svastica sul lato della superficie ove arriva la radiazione è stato possibile ottenere un nuovo dispositivo wide angular absorber insensibile rispetto al tipo di polarizzazione lineare usata (piano incidenza yz). Tale progresso in termini di assorbimento è ascrivibile all’aumentata simmetria del sistema nello spazio. La percentuale di assorbanza ottenuta si mantiene elevata anche utilizzando i parametri dei materiali commercialmente disponibili che precedentemente avevano abbattuto il rendimento del wide angular absorber basato sul risonatore quadrato.
CAPITOLO 5. In tale capitolo è stata introdotta un ulteriore struttura progetatta in collaborazione con il il gruppo di ricerca che fornisce una buona risposta angolare in termini di assorbanza in polarizzazione TE. Tale struttura è stata poi costruita fisicamente e il pannello così ottenuto è stato sottoposto a misura presso il CNR-IFP di Milano. I primi risultati delle misure, tuttora in corso, in condizioni di incidenza normale e configurazione monostatica hanno dato buone conferme per quel che concerne l’entità dell’assorbimento in polarizzazione TE. Occorreranno ulteriori approfondimenti per dettagliare maggiormente i risultati.
CAPITOLO 6. In questo capitolo viene brevemente descritta l’esperienza lavorativa, tuttora in corso che sto svolgendo presso il CNR-IFP di Milano come assegnista da Gennaio 2016. Tale attività, sebbene indipendente dal percorso di Dottorato, può essere considerata un completamento pratico dello stesso. Il target del lavoro consiste in misure di riflettività di campioni di prova per il calibratore di un radiometro che troverà poi impiego su un satellite destinato a svolgere misurazioni in campo ambientale. Questo tipo di attività si articola sia in mansioni di laboratorio finalizzate allo svolgimento delle misure di riflettività dei campioni di prova e in una fase di elaborazione e pulizia dei dati mediante opportuni programmi così da poter arrivare ad una stima buona del risultato cercato.
CONCLUSIONI in questo lavoro di tesi che riporta quanto svolto nel triennio di ricerca, partendo da un assorbitore le cui funzionalità siano note a priori sulla base della letteratura scientifica si è ottenuto un nuovo assorbitore che con poche modifiche rispetto al dispotivo originario ha permesso un netto miglioramento delle prestazioni in termini di assorbimento angolare. Tale struttura è stata poi nuovamente ridisegnata in equipe in modo da poter ottenere un dispositivo realizzabile in relazione alle disponibilità commerciali dei materiali necessari. Le misure su tale assorbitore già iniziate saranno completate nelle prossime settimane. Nell’ultimo anno di Dottorato è stato implementato un altro assorbitore a forma di svastica che presenta un assorbimento per grandi angoli e per ambo le polarizzazioni anche utilizzando i parametri dielettrici dei materiali reperibili che in precedenza avevano abbattuto la percentuale d’assorbimento nel wide angular absorber presentato nel capitolo tre. La modellizzazione circuitale delle strutture qui presentate richiederà invece ulteriori approfondimenti
Sub-array processing techniques applied to the detection of buried targets
No full textA sub-array processing (SAP) technique for the localization of conductive buried objects is proposed. A Direction of Arrival (DoA) approach is implemented by using two different methodologies: a bearing algorithm based on the conventional MUltiple SIgnal Classification (MUSIC) implementation is compared with a Kernel-based technique, such as Support Vector Machines (SVM). An array of sensors is considered and partitioned in sub-arrays. A dominant DoA is found for each sub-array. By triangulating the DoAs, a crossing pattern is derived and it is statistically processed in order to estimate the object position
Antennas for GPR Systems
No full textAntennas are a critical hardware component of a radar system, dictating its performance in terms of capability to detect targets. In this Chapter, a wide review on Ground-Penetrating Radar (GPR) antennas is given. Firstly, the general characteristics of GPR antennas are resumed and the requirements they have to satisfy are listed: these are somehow unique and very different than in conventional radar antennas, since GPR antennas operate in a strongly demanding environment, in close proximity to or at a limited distance from the natural or manmade investigated area. Subsequently, an overview on the most frequently used GPR antennas, for both pulsed and stepped-frequency radar systems, is provided; recent studies concerning innovative solutions are presented and information on antenna arrays for GPR applications is included, as well. The Chapter continues with a census of commercial antennas of a number of GPR manufacturers, where the centre frequencies and general characteristics of the antennas available on the market are schematically organised in tables. Aided by measurements and powerful computer modelling techniques, GPR antenna designers are increasingly able to predict and understand the performance of proposed design in realistic electromagnetic environments: the Chapter includes two sections reviewing techniques for the experimental characterisation and numerical modelling of GPR antennas. Finally, conclusions are drawn and research perspectives in the field of GPR antennas are discussed
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Variations on the Author
Full text link“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Appropriate Similarity Measures for Author Cocitation Analysis
Full text linkWe provide a number of new insights into the methodological discussion about author cocitation analysis. We first argue that the use of the Pearson correlation for measuring the similarity between authors’ cocitation profiles is not very satisfactory. We then discuss what kind of similarity measures may be used as an alternative to the Pearson correlation. We consider three similarity measures in particular. One is the well-known cosine. The other two similarity measures have not been used before in the bibliometric literature. Finally, we show by means of an example that our findings have a high practical relevance.information science;Pearson correlation;cosine;similarity measure;author cocitation analysis
Dispelling the Myths Behind First-author Citation Counts
Full text linkWe conducted a full-scale evaluative citation analysis study of scholars in the XML research field to explore just how different from each other author rankings resulting from different citation counting methods actually are, and to demonstrate the capability of emerging data and tools on the Web in supporting more realistic citation counting methods. Our results contest some common arguments for the continued
use of first-author citation counts in the evaluation of scholars, such as high correlations between author rankings by first-author citation counts and other citation
counting methods, and high costs of using more realistic citation counting methods that are not well-supported by the ISI databases. It is argued that increasingly available digital full text research papers make it possible for citation analysis studies to go beyond what the ISI databases have directly supported and to employ more
sophisticated methods
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