Optimisation of an impulse radiating antenna through an effective trifilar coupled-line balun

Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2019.ENGLISH ABSTRACT: The Square Kilometre Array (SKA) telescope { a mega-science endeavour { is planned to be the largest and most sensitive radio astronomy facility when operational. And the South African SKA (SKA-SA) project is part of the SKA enterprise including its 64-dish precursor telescope; MeerKAT. Research has shown that proper management of radio frequency interference (RFI) is key to the success of astronomy science. Thus, there is need for a hyper-band (HB) antenna metrology system for constant monitoring of RFI at the SKA SA (Karoo) site whose electromagnetic environment changes with the ongoing infrastructure development and other unpredictable RFI sources. This research aims to optimise an impulse radiating antenna (IRA) as an HB directional antenna suitable for the intended RFI time-domain (TD) measurement at the Karoo site. Based on the review of the original IRA designs including characterisation of the initial Stellenbosch IRA, the balanced feed system (balun) is the most critical part to be considered for optimisation. In this regard, a novel HB trifilar coupled-line balun is designed for the IRA. The prototype trifilar balun is implemented in CST using the Finite Integration Technique (FIT) solver and verified with measurement and AWR simulation data. Building on the corroborated prototype balun, further modelling and optimisation is done in CST leading to the final design of the coupled-line balun. A 200-ohm conical plate-fed dish IRA is then created in FEKO and unioned with the imported CST model of the optimised balun. The method of moments (MoM) code and Genetic Algorithm in FEKO are applied as the solver and optimiser, respectively. The optimised model of the IRA is validated using the measured S11, gain and the far-field radiation pattern of the exact fabricated IRA. Analysis of the simulation data indicate uniform aperture fields, reduced back lobes and lower side lobe levels (SLLs) of the optimised FEKO model compared to the original model of the IRA. The results show that the optimised IRA has low S11 (< -10 dB) over a large-band-ratio (1.9911 fractional bandwidth), which qualifies it as an HB antenna. The HB low S11 response of the IRA is a characteristic of the trifilar balun due to the fact that it ensures proper balanced feed for the IRA over HB frequency range. Additional advantage of the balun is its use as a transmission line, hence obviating the need for high impedance radio frequency (RF) coaxial cables which are associated with common-mode (CM) currents in uencing balance in cable-fed IRAs. This further prevents the use of RF chokes usually required to minimise the CM currents. The optimised IRA can be integrated with the SKA real-time analyser for on-site RFI and propagation measurement in real time.AFRIKAANSE OPSOMMING: Die Vierkante Kilometer Reeks (SKA) teleskoop, 'n mega-wetenskaplike strewe, word beplan om die grootste en sensitiefste radio-astronomiefasiliteit te wees wanneer dit operasioneel is. Die Suid-Afrikaanse SKA (SKA-SA) -projek maak deel uit van die SKA-onderneming, insluitend die 64-skottel voorloperteleskoop; MeerKAT. Navorsing het getoon dat behoorlike bestuur van radiofrekwensie-steurings (RFS) die sleutel tot die sukses van die sterrekunde-wetenskap is. Daar is dus 'n behoefte aan 'n hiperband (HB) antenna-metrologie-stelsel vir die konstante monitering van RFS op die SKA SA (Karoo) terrein, waar die elektromagnetiese omgewing voortdurend verander met die voortgesette infrastruktuurontwikkeling en ander onvoorspelbare RFS bronne. Hierdie navorsing het ten doel om 'n impulsstralende antenna (ISA) te optimiseer as 'n HB-gerigte-antenna wat geskik is vir die beoogde RFS-tyddomein (TD) -metings op die Karoo-terrein. Gebaseer op die ondersoek van die oorspronklike ISA ontwerpe, insluitende karakterisering van die aanvanklike ISA prototipe, is die gebalanseerde voersisteem (balon) geïdentifiseer as die kritiekste deel wat oorweeg moet word vir optimisering. In hierdie verband is 'n nuwe HB-drielyn-gekoppelde balon ontwerp vir die ISA. Die prototipe drielyn balon word geïmplementeer in CST met behulp van die \Finite Integration Technique (FIT) solver" en geverifieer met meting en AWR simulasiedata. Verdere modellering en optimisering word gedoen in CST wat bou op die bevestigde prototipe balon en lei tot die finale ontwerp van die gekoppelde balon. 'n 200-ohm kegelvormige-plaatvoed skottel-ISA word dan in FEKO geskep en met die ingevoerde CST-model van die geoptimiseerde balon verbind. Die metode van momente (MoM) kode en Genetiese Algoritme in FEKO word onderskeidelik as \solver" en optimiseerder aangewend. Die geoptimiseerde model van die ISA word gevalideer deur gebruik te maak van die gemete S11 en ver-veldstralingspatroon van die presiese vervaardigde ISA. Analise van die simulasiedata dui op uniforme openingvelde, verminderde trulobbe en laer sylobvlakke (SLVe) van die geoptimiseerde FEKO model in vergelyking met die oorspronklike model van die ISA. Die resultate toon dat die geoptimiseerde ISA lae S11 (<-10 dB) het oor 'n wyebandverhouding (1.9911 breuk-bandwydte), wat dit as 'n HB-antenna kwalifiseer. Die HB lae S11 reaksie van die ISA is 'n kenmerk van die drielyn-balon as gevolg van die feit dat dit 'n goeie gebalanseerde voer vir die ISA oor die HB-frekwensie bereik verseker. 'n Bykomende voordeel van die balon is die gebruik daarvan as 'n transmissielyn, wat die noodsaaklikheid van hoë-impedansie-radiofrekwensie (RF) koaksiale kabels, wat verband hou met gemene-modus (GM) strome wat die balans in kabelvoedende ISA's beïnvloed, vermy. Dit verhoed verder die vereiste van RF-dempers wat gewoonlik benodig word om die GM-strome te verminder. Die geoptimiseerde ISA kan geïntegreer word met die SKA intydse-analiseerder vir intydse op-terrein RFS en voortplantingsmetings.Doctora