144 Memo Pantaleev - Public Website...goal of the project was to develop a broad‐band receiver...

25
Memo 144 Final Report of Eleven Feed Project: Development of Broadband Cryogenic Frontend Prototype for the SKA M. Pantaleev J. Yin M. Ivashina J. Conway May 2012 www.skatelescope.org/publications

Transcript of 144 Memo Pantaleev - Public Website...goal of the project was to develop a broad‐band receiver...

  • Memo 144 Final Report of Eleven Feed Project: Development of Broadband Cryogenic Frontend Prototype for the SKA M. Pantaleev J. Yin M. Ivashina J. Conway May 2012

    www.skatelescope.org/publications

  •      Eleven Feed project: development of broadband 

     cryogenic frontend prototype for the SKA  

    Revision : F

    2012-05-16 Page 1 of 24

       

    Final report    

     Eleven Feed project: development of broadband cryogenic 

    frontend prototype for the SKA  

    By Miroslav Pantaleev, Jungang Yin, Marianna Ivashina  

    and John Conway (with inputs from Per‐Simon Kildal, Jian Yang, Leif Helldner, Hasan Raza; Oleg Iupikov, 

    Wan‐Chun Liao, Benjamin Klein and Arnold van Ardenne)  

    TableofContents1  CONTRACTUAL INFORMATION ................................................................. 2 

    2  OVERVIEW ......................................................................................... 2 2.1  Progress and Achievements ........................................................................................2 2.2  Work Packages ............................................................................................................3 

    3  DETAILED REPORT ................................................................................ 4 3.1  Antenna performance .................................................................................................5 3.1.1  Folded dipole feed ..............................................................................................5 3.1.2  Circular Eleven Feed ............................................................................................5 3.1.3  Circular Eleven feed optimised for the 1.2‐4GHz band ‐  version without dielectric support  7 3.1.4  Circular Eleven feed optimised for the 1.2‐4GHz band – version on PCB ..........8 

    3.2  Receiver integration in Cryostat and Tsys measurements. ..................................... 12 3.3  Noise modelling ....................................................................................................... 13 3.4  Expected performance in reflector systems ............................................................ 16 3.6  Comments on frequency variations in Eleven feed response. ................................ 21 

    4  CONCLUSIONS ................................................................................... 22 

    5  REFERENCES ..................................................................................... 24        

  •      Eleven Feed project: development of broadband 

     cryogenic frontend prototype for the SKA  

    Revision : F

    2012-05-16 Page 2 of 24

      

    1 Contractual information The work reported in this document has been carried out as part of EC FP 7 funded project:  A Preparatory Phase project for the Square Kilometre Array.   Grant agreement no.: 212243. The goal of the project was to develop a broad‐band receiver system for the SKA as described in the project  proposal  submitted  to  SPDO  in  December  2010.  The  work  was  carried  out  as  a collaboration between Onsala Space Observatory and the Antenna Group at the Department of Signals and Systems at Chalmers University. The people who have worked on the project are:  ‐ Dr. Miroslav Pantaleev (project leadership and system tests), Jungang Yin (electrical design and test  measurements),  Leif  Helldner  (mechanical  design  and  assembly),  and  Dr.  Marianna Ivashina  (modelling  of  the  antenna  performance  in  reflector  systems  and  system  nose temperature modelling), all  from  the Onsala Space Observatory  (OSO), Department of Earth and Space Sciences, Chalmers. OSO also provided the  fabrication of mechanical components (workshop at OSO) and a cryogenic technician (Christer Hermansson). 

    ‐ Prof. Per‐Simon Kildal, Dr.  Jian Yang  (electrical design of  the  feed and measurements of  the feed patterns and S‐parameters), and Hasan Raza  (design of a passive balun network), Wan‐Chun Liao, a Master student  (modelling of the antenna performance  in reflector systems) all from the Antenna group, Department of Signals and Systems, Chalmers. 

    ‐ Benjamin Klein, a PhD student at Hartebeesthoek Radio Astronomy Observatory    (HartRAO), South Africa (the system noise temperature modelling). 

     

    2 Overview   In  section  2.1  we  summarise  the  project  achievements.  In  section  2.2  we  describe  the completion of  the work packages. Technical details  are  given  in  section 3  and  conclusions  in Section 4.   

    2.1 Progress and Achievements 

    During the project we have: 1) Measured beam pattern of the previously developed Folded dipole Eleven  feed model  (see Figure 1a) 2) Designed,  fabricated and measured a Circular Eleven  feed covering  for  the 1.2‐14GHz band (see Figure 1b). 3) Optimised  the design  of  the  above Circular  feed  for  the  1.2‐4GHz band.  The optimisation includes also a novel feeding structure and the study of “all metal” petals (see Figure 1c). 4) Designed, fabricated and measured the reflection coefficient and beam parameters of a novel feeding structure based on passive balun. 5) Measured  the  Tsys  performance  of  a  cryogenically  cooled  version  of  an  older  ‘geodetic’ version of  the Eleven  feed  covering 2‐14GHz  (version not  shown on Figure 1)  integrated  in a cryostat with  LNAs  from  different  suppliers.  The measured  receiver  noise  temperature was about 20K over the 3‐10GHz band (see Figure 14). 6) A previously developed noise‐modelling  tool was  further  improved and  showed very good agreement with measured receiver noise temperature. 7) A  study was done  to compare  the performance of  the Eleven  feed when used  in different reflector systems. 

  •      Eleven Feed project: development of broadband 

     cryogenic frontend prototype for the SKA  

    Revision : F

    2012-05-16 Page 3 of 24

          

     (a)   (b)   (c)  

    diam. 280mm, height 68mm  diam. 210mm, height 68mm  diam. 290mm, height 100 mm 1.2‐10GHz  1.2‐14GHz  1.2‐4GHz 

    Figure 1: Three versions of the Eleven feed developed during this project. (a)  A version with straight dipoles with the outer dipoles folded down. (b) A ‘circularised’ version covering 1.2‐14GHz and (c) a 

    circularised design optimised for the 1.2GHz‐ 4GHz range. The first two versions have been constructed and have had their EM properties measured experimentally while the last version has had its 

    performance simulated.  In addition to these three versions an older ‘geodetic’ VLBI2010 version (not shown) with straight unbent dipoles covering 2GHz‐14GHz has been used for making cryogenic Tsys 

    measurements. 

    2.2 Work Packages 

    ID Uppgiftsnamn2010 2011

    febfeb maj novdec augjuljun oktsepapr decmarjan jan

    1WP1 Solve the stability problem of the present measurement setup

    3WP2 B Integrate and perform tests on SKA eleven feed model with different LNA alternatives.

    6 WP5 Feed optimization

    4 WP3 Complete noise models 

    5WP4 Set a desired goal for further system optimization

    8 WP7 Report results of the study

    2012

    mar

    7WP6 Manufacture and measure the optimized feed

    2WP2 A Integrate and perform tests on VLBI2010 Eleven feed model with different LNA alternatives.

    Table1: Gantt chart of modified project plan  

    Table  1  gives  an  overview  of  the  activities  on  the work  packages  according  to  the  proposal submitted  to SPDO with one correction, reported  in  the report  for the second quarter, where WP2 was  divided  into  two  sub‐  tasks: WP2A  – measurements  of  the  VLBI2010  Eleven  feed model and WP2B – measurements of the PrepSKA (1.2‐10GHz) Eleven feed model.  WP1 This WP included improvements to the cryostat to increase the holding time and repair leaky O‐rings and also the repair of the harness of the LNA bias and temperature sensors. All the work was done during  January and February 2011 and after that the cryostat was successfully used for tests of the Eleven feed. Later in August 2011 there were problems with the cold head which 

  •      Eleven Feed project: development of broadband 

     cryogenic frontend prototype for the SKA  

    Revision : F

    2012-05-16 Page 4 of 24

    were successfully resolved. The work on this WP1  is accomplished and details can be found  in the report for the first Quarter of 2011.  WP2 The work on this WP included Tsys tests of the 2‐12GHz feed with three types of LNAs: 4‐8GHz LNAs  from  GARD,  differential  1‐12GHZ  LNAs  from  Caltech  and  50ohm  1‐12GHz  LNAs  from Caltech. As  reported  previously,  two  of  the  differential  LNAs were  not  operational  and  they were sent  for repair  in March 2011, however these are still not repaired. Details on this work package  are  presented  in  the  reports  for  Quarters  2  and  4.  In  the  final  report we  give  an overview in section 3.2. Due to the delay of the repair of the differential LNAs work package 2B has not been fully accomplished. Details on the 2‐12GHz VLBI2010 Eleven feed can be found in [1]. Details on the design of the first SKA folded dipole version (see Fig 1a) covering 1.2‐10GHz can be found in [2] and [3].  WP3 The  noise model  gives  an  important  tool  to  predict  the  overall  noise  performance  and  the expected  Aeff/Tsys  taking  in  to  account  all  system  parameters.  The  work  on  this WP  was successfully accomplished and used to estimate the measured receiver noise in WP2. Details are given  in the reports for Quarter 2 and 3. Section 3.2  in the current report gives a summary on the achievement. The work on this WP resulted in the paper[4].  WP4 The goals for further optimisation were defined  in the report for Quarter 2 as  improvement of the  reflection  coefficient,  aperture  efficiency,  including BOR1  and  efficiency  for  the  1.2‐4GHz band.  WP5 For further optimisation we developed a new Eleven feed geometry in which the feed contains “circularly” curved folded dipoles on a flat microwave substrate. Following the goals as defined in WP4,  the work on  this work package was accomplished  in  two  steps:  the  first  step was  to optimise  the  performance  over  the  1.2‐14GHz  band  with  the  purpose  of  keeping  a  good reference  to  the “conventional” design which used  straight  folded dipoles. The design of  this circularized  feed  is  described  in  the  reports  for  Quarters  3  and  4.  The  second  step was  to improve  the performance over  the 1.2‐4GHz band. This work was done during  January‐March 2012 and details are presented in section 3.1.3 and 3.1.4 of this report.  WP6 Test measurements  of  the  EM  properties  of  Circular  eleven  feed  (1.2  ‐14GHz  version) were made during the first quarter of 2012. Details are given in section 3.1.2.    WP7 The work on WP7 is accomplished with the current report.    

    3 Detailed Report  Here we present detailed  technical  information  related  to  the development done during  the project with relation to the corresponding work packages. 

  •      Eleven Feed project: development of broadband 

     cryogenic frontend prototype for the SKA  

    Revision : F

    2012-05-16 Page 5 of 24

    3.1 Antenna performance 

    Here  we  present  a  summary  of  Eleven  Feed  electrical  design  and  testing,  including measurements of reflection coefficient, antenna beam and efficiencies. This section is related to WP4, WP5 and WP6.  

    3.1.1 Folded dipole feed 

    The design of an 1.2‐10GHz Eleven feed (see Figure 1a) was started  in 2010 as a collaboration project between Caltech, the Chalmers Antenna group and OSO where the Antenna group was responsible for designing the feed, OSO was involved with the mechanical design and prototype manufacturing and  in exchange, Caltech were going to deliver four Ultra Wide Band cryogenic differential  LNAs.  The  design  of  the  1.2  ‐  10 GHz  Eleven  feed  is  based  on  folding  down  the outermost elements of the array thus creating a new compact Eleven antenna with only 40% of the volume of the original standard Eleven antenna for the same frequency band [1]. 

     a)                                                           (b) 

    Figure 2: (a) Measured and simulated reflection coefficient and (b) efficiencies from measured far field functions for folded dipole Eleven feed. 

     As seen in Figure 2a the measured reflection coefficient is below ‐10dB over the 1.2‐2GHz and in the 3‐4GHz is even below ‐14dB. The aperture efficiency is about ‐1.5dB (see Figure 2 right) but drops to  ‐3dB at 1.2GHz. The directivity  is 11dBi across the band, but drops to 9dBi at 1.2GHz (for  details  on measured  beam  patterns  and  directivity,  refer  to  the  report  for  the  second quarter).   

    3.1.2 Circular Eleven Feed  

    In  this section we  report  the measurement  results  for  the circularised  feed covering  the wide band 1.2 ‐14 GHz (see Figure 1b). In this version the petals are manufactured via standard PCB technology on TMM3 microwave substrate. As described  in the previous report (and as can be seen from the dimensions in Figure 1) the circularised Eleven Feed is a very compact structure. Compared  to  the  configuration with  folded  dipoles  for  the  same  band,  the  feed  diameter  is 70mm smaller.  Figure 3 below  shows  the  simulated and measured  reflection  coefficient  for  this  feed design. The measured S11 degrades for the lowest part of the band with respect to the simulations. So far we do not have explanation for discrepancy.  

  •      Eleven Feed project: development of broadband 

     cryogenic frontend prototype for the SKA  

    Revision : F

    2012-05-16 Page 6 of 24

     Figure 3: Simulated and measured reflection coefficient for the circularised Eleven feed covering 1.2‐

    14GHz (i.e before optimisation for the  1.2GHz – 4 GHz band).  The measured beam patterns are given in Figure 4. As it can be seen the beam width is almost constant across the band.  

     Figure 4: Measured BOR1 patterns for unoptimised circular Eleven feed 

                (b) Figure 5 shows the aperture and spill‐over efficiencies calculated from measured beam patterns assuming a reflector with F/D=0.42 corresponding  to half subtended angle of 60 degrees. The aperture  efficiency  is  about  ‐1.5dB  (60‐70%)  and  it  is  nearly  constant  across  the  band.  In 

    1 1.3 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14-16

    -14

    -12

    -10

    -8

    -6

    -4

    -2

    0

    Frequency (GHz)

    Ref

    lect

    ion

    Coe

    ffici

    ent (

    dB)

    SimulatedMeasured

    -30

    -20

    -10

    01GHz 1.3GHz

    -30

    -20

    -10

    02GHz

    -30

    -20

    -103GHz 4GHz

    -30

    -20

    -105GHz

    -30

    -20

    -106GHz

    Am

    plitu

    de (d

    B)

    7GHz

    -30

    -20

    -108

    -30

    -20

    -109GHz 10GHz

    -30

    -20

    -1011GHz

    -180 -90 0 90-30

    -20

    -10

    012GHz

    -180 -90 0 90

    13GHz

    -180 -90 0 90 180

    -30

    -20

    -1014GHz

  •      Eleven Feed project: development of broadband 

     cryogenic frontend prototype for the SKA  

    Revision : F

    2012-05-16 Page 7 of 24

    comparison with the Folded dipole model the Circular eleven feed has much better efficiencies (compare Figure 2b and Figure 5a). 

           (a)            (b) Figure 5: (a) Aperture efficiency and its individual contributions [%] calculated from the measured beam 

    patterns of the circularised Eleven feed (see Fig 1b) when placed in a reflector with F/D=0.42 corresponding to half subtended angle of 60 degrees (b) Aperture and spillover efficiencies [dB]. 

     

    3.1.3 Circular Eleven feed optimised for the 1.2‐4GHz band ‐ version without 

    dielectric support 

    This section presents details on the optimisation of the circularised feed for the 1.2‐4GHz band. This work was done during February‐March 2012 and was based on the experience gained from the design of  the  circularised Eleven  feed  for  the 1.2‐14GHz band. With  reference  to WP4  in which  we  define  the  optimisation  goals  we  considered  that  the  efficiency  achieved  by  the circularised Eleven feed was already very good, so what was needed was  improvement of the reflection coefficient. We used as inputs for the optimisation process the measurement data for the Circular Eleven feed. We decided to investigate also the possibility to decrease the number of ports and study different descrambling alternatives. We were also  interested to make thick metal dipoles and omit  the dielectric substrate aiming a cheaper manufacturing cost with  the view of possible future mass production for the SKA.   In the beginning, a circular Eleven feed made by pure metal material was planned to be built.  This would be a different construction from the previous 1.2GHz ‐14GHz circularised Eleven feed whose petals were constructed via printed circuit boards. This “all metal” solution was meant to be  lower  loss  and  eliminate  potential  concerns  related  to  different  expansion  coefficients  of metal and dielectric materials when the feed is cooled down.  An  all‐metal  dual‐polarized  circular  Eleven  feed was  first  designed  and  optimised.  The  final design consisted of 12 folded dipoles on each petal, and the width of the innermost dipole strips was about 0.6 mm. However, the thickness of the dipole strips on antenna petals was found to be critical  in  this model  for operation over 1.2‐4.0 GHz, as verified by a  study of  two designs differing only  in the dipole thickness. As can be seen from Figure 6, the matching  is very good when  the dipole  thickness  is 0.10 mm; however,  the  increase of  thickness  from 0.10 only  to 0.25mm severely degrades the matching at high and low frequencies. As estimated via analysis of  the mechanical stiffness of such  feed petals construction,  the metal  thickness should be at least around 0.5 mm to achieve the necessary structural strength  in room temperature as well as to  lower the risk of structural deformation after cryogenic cooling. We concluded  it was far 

    1 1.3 2 3 4 5-4

    -3.5

    -3

    -2.5

    -2

    -1.5

    -1

    -0.5

    0

    Frequency (GHz)

    Effi

    cien

    cies

    (dB

    )

    espeap

  •      Eleven Feed project: development of broadband 

     cryogenic frontend prototype for the SKA  

    Revision : F

    2012-05-16 Page 8 of 24

    too difficult to realise the “all metal” solution over 1.2‐4.0 GHz, and so we decided to abandon the “all metal” solution for this frequency band. 

     Figure 6: CST‐simulated reflection coefficient of a 1.2–4.0 GHz all metal circular Eleven feed with two 

    different dipole strips thickness.  Nevertheless, we consider  the “all metal” solution as  feasible  for  lower  frequency bands, e.g. 0.3‐1.0GHz. If the 1.2‐4.0 GHz all metal model (0.1 mm dipole thickness) is scaled by a factor of 4,  then  the  dipole  thickness  becomes  0.4 mm  and  can  be manufactured;  in  addition,  it  is possible to build somewhat thicker far‐out dipoles to achieve even better strength of structure. Future numerical studies would to investigate the feed performance at these lower frequencies would be interesting.    

    3.1.4 Circular Eleven feed optimised for the 1.2‐4GHz band – version on PCB 

    We turned to next consider a PCB solution since we choose to abandon the “all metal” design. This solution is based on previous designs of circular Eleven feed [1]‐[4] made by using Rogers TMM3  printed  circuit  boards  (0.07  mm  copper  layer  on  0.381  mm  TMM3  substrate),  in particular, the manufactured 1.2‐14 GHz circular Eleven feed consisting of 17 folded dipoles on each petal. This prototype is log‐periodically extended from a small Eleven model intended for Genetic Algorithm (GA) optimization, which consists of 8 folded dipoles on each petal, making it doable to perform GA optimization linked with CST on our computer server. It took about one hour  to  finish one  single  simulation  run  in CST,  and  the  good  “chromosomes” were derived after hundreds of simulation runs when 5 generations were used to achieve the convergence [8]‐[9]. The 1.2‐14 GHz prototype had pretty good reflection coefficient between 1.7 and 12.2 GHz according to the measurement results. In order to optimise to 1.2‐4.0 GHz, we tried in the first place to remove 4 innermost folded dipoles while adding 2 extra far‐out folded dipoles by log‐periodic scaling. The scale factor k is the same as before, about 1.2 on the same 0.381 mm TMM3  boards,  ending  up  with  15  folded  dipoles  on  each  petal  (the  diameter  of  the  wall cylinder  becomes  about  290 mm,  see  Figure  1).  The  corresponding  frequency  range  can  be estimated as follows:        flo = 1.7/(1.2)2 = 1.18 GHz   fhi = 12.2/(1.2)4 = 5.88 GHz  The high end of  the  range, e.g. 5.88 GHz  is greater  than 4.0 GHz, because we want  to have some margin for adding extra matching lines, coupled lines and coaxial cables, which will affect the performance particularly at high frequencies.   

    0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5-20

    -15

    -10

    -5

    0

    Frequency [GHz]

    Ref

    lect

    ion

    coef

    ficie

    nt [d

    B]

    petal thickness 0.10 mmpetal thickness 0.25 mm

  •      Eleven Feed project: development of broadband 

     cryogenic frontend prototype for the SKA  

    Revision : F

    2012-05-16 Page 9 of 24

    Different  from previous designs using  a  symmetrical 8‐port  center puck, we decide  to  apply different  feeding  schemes  for  X  and  Y  polarizations,  respectively  using  approach  similar  to previous design described in [5]. By doing so, the numbers of ports and LNAs will be decreased so as to lower the cost of the whole feed system.   Polarization-Y Case:  

    Figure 7: The feeding scheme for polarization‐Y of the circular Eleven feed model; commercial 50 Ohm 

    mini‐coaxial cable pairs are used.  First, we simulate the model with only the antenna petals fed by 2 discrete ports (ref: 400 Ohm) for one polarization  (pol‐Y); we call  it “Ant only” model. Then, as shown  in Figure 7, we build exponentially  tapered  matching  lines  on  the  tilted  circuit  boards,  connected  by  microstrip coupled  lines (Teflon PTFE support); 2 commercial 50 Ohm mini‐coaxial cables (0.86 mm outer diameter) are chosen as  feed  in  the center of  the microstrip coupled  lines.   We call  it “Ant + feeding  (1)” model. Third,  in order  to  improve  the matching at  low  frequencies, we add one more extended outermost  folded dipole while removing one  innermost  folded dipole on each petal (still 15 folded dipoles on each petal, but the diameter of wall cylinder increases to about 350 mm); in the meanwhile, we make TMM3 boards for the longest 3 folded dipoles as thick as 0.762 mm so as to enhance the structural strength. We call it “Ant + feeding (2)” model. CAD 3D model of the design is shown in Figure 1c.  Presented in Figure 8 are the simulated S11 results (at ports for pol‐Y) of the above mentioned three models. As can be seen, the S11 of the “Ant + feeding (2)” model is largely better than ‐10 dB over 1.2‐5.0 GHz, but for a couple of narrow spikes below 2 GHz. Adding one more extended folded dipole  is expected  to  improve  the matching at  low  frequencies, but at  the  cost of an unsatisfactorily  large size. An alternative to make the feed compact  is to bend the other most dipoles  the  same way  as  it was done  for  the 1.2‐10GHz  feed  (see  Figure 1,  a). Due  to  time limitation we did not investigate this alternative, but we consider that the feed diameter can be made considerably smaller using this approach. 

  •      Eleven Feed project: development of broadband 

     cryogenic frontend prototype for the SKA  

    Revision : F

    2012-05-16 Page 10 of 24

     Figure 8: CST–simulated reflection coefficients (at ports for pol‐Y) of circular Eleven feed design 

    optimised for 1.2‐ 4 GHz operation (see Fig 1c).  The radiation performance is shown in Figure 9 in terms of aperture efficiency calculated from simulated  beam  patterns  when  the  feed  is  placed  at  the  prime  focus  of  an  axisymmetric parabolic dish  (120o subtended angle) also shown are 5  factorized sub‐efficiencies, which are related as:       eAP = eBOR1 + eSP + eILL+ ePHASE + ePOL (in dB)   It is observed that the BOR1 as well as the spillover efficiency is better than ‐0.5 dB (90%) over 1.2‐4.0 GHz, while the aperture efficiency is better than ‐2.0 dB (63%) over most of the band. 

     Figure 9: Aperture efficiency and sub‐efficiencies (for pol‐Y) of an axisymmetric paraboloidal reflector (120o subtended angle) fed by “Ant + feeding (2)” model for circularised Eleven feed optimised for 1.2‐

    4GHz the calculated (based on simulation of the feed model as shown on Figure 1c).     

    1 1.2 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5-20

    -18

    -16

    -14

    -12

    -10

    -8

    -6

    -4

    -2

    0

    Frequency [GHz]

    S11

    Mag

    nitu

    de [d

    B]

    Ant+feeding (2)Ant+feeding (1)Ant only

    1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4-4

    -3.5

    -3

    -2.5

    -2

    -1.5

    -1

    -0.5

    0

    Frequency [GHz]

    Effi

    cien

    cies

    [dB

    ]

    eBOR1 eAP eILL ePHS ePOL eSP

  •      Eleven Feed project: development of broadband 

     cryogenic frontend prototype for the SKA  

    Revision : F

    2012-05-16 Page 11 of 24

    Polarization-X Case:

             (a)            (b) Figure 10: Two feeding schemes (power divider (left), descrambling (right)) for polarization‐X of the 

    circular Eleven feed model; commercial 50 Ohm coaxial cable pairs are used.  As  shown  in  Figure  10a,  a  PCB  (RT  5880 with  0.787 mm  thickness;  copper with  0.035 mm thickness) 2‐port feeding puck  is mounted on the backside of the ground plane, where the Y‐shaped (by linear tapering) power dividers are printed on top followed by commercial 5.7 mm coaxial cables. The antenna petals and  the  feeding puck are connected by vertical  twin  lines that go  through holes on  the ground plane. A  second  feeding  scheme  is  illustrated  in Figure 10b, where  a 4‐port descrambling board  (same PCB board as  the  former)  is used,  similar  to previous design of 8‐port feeding center puck. The 300 Ohm ports of coupled twin lines can be transformed  to  the  50 Ohm  ports  of  the  uncoupled  coaxial  cables with  the  help  of  linearly tapered microstrips.   

     Figure 11: CST–simulated reflection coefficients (at ports for pol‐X) of circularised eleven feed 

    optimised for 1.2‐ 4GHz  (see Fig 1c) using different feeding schemes.  The simulated reflection coefficients are shown in Figure 11. The S11 magnitude is better than ‐8 dB over 1.2‐4.0 GHz  in both cases, which  is quite similar  to  that of previous circular Eleven models  fed by an 8‐port center puck. The  radiation performance  is presented  in Figure 12  in terms of efficiencies with the same assumptions as above. Although different feeding schemes are applied for two polarisations, this only makes a slight difference to the radiation patterns of these two polarisations. It can be found, similar to the Pol‐Y case, that when mounted in an axi‐symmetric dish the BOR1 and spillover efficiency (except for a drop at 1.2 GHz, this needs to be 

    0 0.5 1 1.2 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5-20

    -18

    -16

    -14

    -12

    -10

    -8

    -6

    -4

    -2

    0

    Frequency [GHz]

    S11

    Mag

    nitu

    de [d

    B]

    power dividerdescrambling

  •      Eleven Feed project: development of broadband 

     cryogenic frontend prototype for the SKA  

    Revision : F

    2012-05-16 Page 12 of 24

    confirmed by  further  investigation) are better  than  ‐0.5 dB  (90%) over 1.2‐4.0 GHz while  the aperture efficiency is better than ‐2.0 dB (63%) over most of the band.  

     Figure 12 simulated expected aperture efficiency and sub‐efficiencies (for pol‐X) for circularised 11 feed optimised  for 1.2‐4GHz (see Figure 1c) when placed in a paraboloidal reflector (120o subtended angle) 

    fed by a feeding puck on the backside of ground plane.  

    3.2 Receiver integration in Cryostat and Tsys measurements. 

    The work presented here is related to WP2A and WP2B. The main goal of these work packages involved the integration of an older 2‐14 GHz ‘geodetic’ Eleven feed version with straight 

    unbent dipoles into a cryostat in order to verify experimentally the receiver noise temperature, the reflection coefficient and also the reliability of the feed for recycling to cryogenic 

    temperatures.  Figure 13 shows the geodetic VLBI2010 2GHz‐12GHz Eleven feed mounted on the cold plate of the cryostat together with three different LNAs from different suppliers used for testing.  

     Figure 13: The geodetic VLBI2010 2‐12 GHz Eleven feed (top left) in the test cryostat showing                                         

    integration with different LNAs. 4‐8GHz LNAs from GARD/OSO/Chalmers, differential LNAs from Caltech (bottom left) and 50ohm LNAs from Caltech (bottom right) 

    1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4-4

    -3.5

    -3

    -2.5

    -2

    -1.5

    -1

    -0.5

    0

    Frequency [GHz]

    Effi

    cien

    cies

    [dB

    ]

    eBOR1 eAP eILL ePHS ePOL eSP

  •      Eleven Feed project: development of broadband 

     cryogenic frontend prototype for the SKA  

    Revision : F

    2012-05-16 Page 13 of 24

    Testing was done using hot/cold load measurements in the open air pointing at the zenith (with a pyramidal  shield  to  reduce pickup effects  from  the ground,  see Figure 15b). The measured noise temperatures using different LNAa are compared in Figure 14. The main difficulty with the noise measurement  is  the  strong  interferences  from  the mobile phone bands  at  frequencies below  2.5GHz.  This  explains  the  sharp  rise  in  the  receiver  noise  at  that  frequency.  The  best results are achieved with  the 50ohm LNAs  from Caltech:  the noise  temperature  is below 20K over the 3‐8GHz band. The receiver noise with the 4‐8GHz LNAs is higher. This is due to the fact that these LNAs are designed for optimal noise match (S11 is poor) and are supposed to be used with  isolators,  but we  did  not  have  such  available  for  the  tests.  Three  of  the  four  available differential LNAs failed and the result  in Figure 14 (blue dashed  line)  is for one petal only. We consider  that  the noise  temperature with differential  LNAs will be  somewhat  lower  than  the 50ohm LNAs. This  is mainly because the 50ohm LNAs are connected via a 200ohm to 50 ohm transition, while  the  differential  LNAs  do  not  use  an  impedance  transformer  and  the  lower reflections will result in lower noise temperature. 

     Figure 14: Comparison of the receiver noise temperature of the geodetic VLBI2010 2‐12GHz eleven feed with different LNAs as measured in cryostat. Note that the result for differential LNAs is for one petal 

    only.  The noise performance for the Circular eleven feed optimised to 1.2‐4GHz  is expected be very analogous  to  that  experimentally  measured  with  the  2‐14GHz  feed  since  the  impedance matching between the LNAs and the feed is quite similar.  

    3.3 Noise modelling 

    The work presented here is related to WP3. The work on the noise model is presented in detail in  the  reports  for  Quarters  2  and  3;  additionally  the  final  numerical  results  and  complete description of the overall system model can be found in the conference paper of the EuCAP2012 [4]. This paper presents a mathematically general method  for exporting  the  far‐field patterns, radiation  efficiency  and impedance  data,  for  multi‐port  antennas,  from  EM  solvers  to  the microwave circuit simulator of the CAESAR software in order to perform an analysis of a multi‐port  antenna‐receiver  system.  This  hybrid  modeling  approach  offers  a  few  important advantages over earlier developed modeling methods and standard simulation tools;  including the  capability  to predict  the  correlated noise  contributions due  to both  internal and external noise  sources, while exploiting  the  translation/rotation  symmetry of  the antenna  structure  to reduce computation  time.  In  this WP  the noise model  is verified by comparing  its predictions with measurements made on the geodetic VLBI2010 Eleven feed covering 2GHz to 12GHz.  

  •      Eleven Feed project: development of broadband 

     cryogenic frontend prototype for the SKA  

    Revision : F

    2012-05-16 Page 14 of 24

    The resulting modelling analysis and comparison to measurements are shown in Figure 15a –e. The red curve  in Figure 15a gives the noise temperature of a single LNA which was measured with a 50‐Ohm resistor  (that would be the case for the  ideal feed); the black curve shows the predicted noise temperature due to 8 LNAs connected to the ports of the Eleven feed (4 LNAs per polarization),  including the  feeding/combining network and 2nd stage amplifiers. The black curve  gives  the  contribution  of  the  LNAs  including  three  components  (1)  the  LNA minimum noise  temperature  Tmin  when  LNAs  are  optimally  noise  matched  (this  contribution  is independent  from  the  source  impedance);  (2)  the  noise mismatch  contribution  due  to  the difference  between  the  LNA  optimum  reflection  coefficient  opt  and  the  active  reflection coefficient of the Eleven feed (thus is the contribution due to the reflection and mutual coupling between the 8 antenna ports); and (3) losses of the feeding/combining network. As one can see, the 50‐Ohm resistor contribution is of the order of 5 Kelvin from 2 to 11 GHz and increases up to 12 Kelvin at higher frequencies, as the 50 Ohm source does not provide the optimal noise match condition for this type of the LNA. The noise contribution of the integrated Eleven feed receiver is equal to that of the 50 Ohm resistor with a single LNA at multiple frequency points where the black curve crosses the red one (these are the points where the antenna impedance is close to 50 Ohm). At frequencies in between these points, the noise values vary with the average value of 7.5±2.5 Kelvin over the plotted frequency range.  

    Figure 15b represents the modelled ground noise pick up when the feed points towards the sky and the thermal ground noise enters into the systems through the far side and back lobes. The ground noise pick up  is  shown both  for  the  setup when antenna  is placed  inside a pyramidal shielding  horn  and  without  it.  Figure  15c  and  15d  show,  respectively,  a  photo  of  the measurement setup with the antenna placed inside a pyramidal shielding horn that was used to remove some fraction of the noise contributed from ground and trees in the environment, and the  smoothed noise  temperatures when measured with and without  the horn. Note  that  the measured data are smoothed in order to reduce random measurement noise in the evaluation of  the  noise  increase  effect.  The  relative  difference  between  the measured  values  in  these setups is about 4‐5K over most of the bandwidth, but increases up to 10K at frequencies higher than 11 GHz and up to 20K at frequencies  lower than 3 GHz. This  increase  is the result of the broadening  of  the  antenna  pattern  at  low  frequencies  and  stronger  back  radiation  at  high frequencies.  It  is  clear  that only a  fraction of  the  far  side‐lobe noise  contribution  is  removed using the shielding pyramid. Similar observations can be made based on the simulation results shown on Figure 15b. 

    The  predicted  and measured  system  noise  temperatures  are  plotted  on  Figure  15e.  All  the measurements  were  done  with  the  feed  placed  looking  at  the  sky.  This  setup  of  course significantly  increases  the measured  noise,  as  compared  to when  such  a  feed mounted  in  a parabolic reflecting antenna, due to the additional ground noise pick‐up component. The results in Figure 15 are consistent with a receiver noise contribution for our measured hardware, which after excluding ground pick‐up effects is 

  •      Eleven Feed project: development of broadband 

     cryogenic frontend prototype for the SKA  

    Revision : F

    2012-05-16 Page 15 of 24

      

    (a)  

     

    (b)  

      

    (c) 

      

    (d)  

     (e)                                                                                   

    Figure 15: Comparison of measured and modelled noise temperature of Eleven feed receiver, as shown on Figure.1a, with 50ohm Caltech LNAs. (a) Measurement results for a single LNA connected to the 50‐Ohm resistor and simulation results (based on measured S‐parameters of the antenna) giving 

    predicted noise contributions due to 8 LNAs when connected to the Eleven feed (4 LNAs are connected to one polarization and 4 other LNAs act as active loads), including the effect of the feeding and 

    combining network; (b) predicted ground noise pick up when antenna is pointed at the zenith (with and without shielding horn). (c) Photo of the measurement setup with the shielding horn. (d) Comparison of 

    the measured temperatures with and without the shielding horn (smoothed data points) and (e) Comparison of measurements and predictions of the noise model. 

  •      Eleven Feed project: development of broadband 

     cryogenic frontend prototype for the SKA  

    Revision : F

    2012-05-16 Page 16 of 24

    3.4 Expected performance in reflector systems 

    The study of the Eleven feed performance in combination with reflector systems considered for the SKA  is not part of the current project. Nevertheless this  is a vital question to consider and therefore we  provide  a  brief  overview  of  the  current  progress  of work within  the  Chalmers Antenna Group and OSO in this direction. More details of this work can be found in [10]‐[12].  3.4.1 Axi‐symmetric reflector antenna systems  

    Determination of the optimal F/D and position of struts (0.5 – 4 GHz)   

    The  geometry  of  the  reflector  antenna  (F/D)  and  configuration  of  its  aperture  blocking structures represent important design parameters of radio telescopes which affect the antenna efficiency and overall  system  sensitivity. Figure 16 presents  the  simulation  results  for  the key performance parameters (including the antenna aperture efficiency, system noise temperature Tsys  and  receiving  sensitivity  (Aeff/Tsys)  obtained  for  the  reflector with  the  half  subtended angle  ranging  from  about 40  to 70.  The measured patterns of  the  compact  Eleven  feed  (as shown on Figure 1a) were used  in these simulations. The results are shown  in Figure 16. Note that herein the total system noise temperature is defined as Tsys = Tsp +Trec+Tsky, where Tsp is the spillover noise contribution due to the thermal ground noise pick up, Tsky=5K and Trec is the receiver noise temperature contribution due  to the combined effects of the antenna and LNA impedance noise mismatch, ohmic losses in the antenna structure, the feeding network and the second stage amplifiers. The Trec is assumed to be constant and is set to values of 5 K, 15 K and 25 K –  the  range which  is  relevant  to cooled and uncooled  systems. The Tsp component was evaluated for different antenna pointing evaluation angles, while the azimuth angle was set to a constant value of 0◦. The elevation angle (El) is defined as the pointing angle up from the ground (horizon). El = 90◦  is the zenith pointing angle. Often  in published results on reflector antenna and feed designs, the elevation angle is assumed to be constant and equal to 90◦. However, it is critical to take into account the total range of angles El when optimising the system parameters. 

    The  analysis  shows  that  the  optimal  value  of  the  reflector  angle  for  the maximum  aperture efficiency  is  close  to  50,  this  optimum  is  the  result  of  the  interplay  between  the  antenna spillover and  illumination efficiency  contributions. For  the maximum  sensitivity, however,  the optimum shifts towards the wider angle optics and depends on the value of the receiver noise contribution  Trec.  For  receivers with  the noise  temperatures  in  the order of  Trec = 15 K  the optimal value of the reflector angle is close to 63.  

  •      Eleven Feed project: development of broadband 

     cryogenic frontend prototype for the SKA  

    Revision : F

    2012-05-16 Page 17 of 24

     Figure 16: Determination of the optimal angle of the reflector optics for the axi‐symmetric system: The upper figures show the aperture efficiency and its dominant contributions, and the bottom figures 

    show the system noise temperature and receiving sensitivity, as computed at 5.6 GHz. The solid lines represent the results obtained for elevation angles 90◦, and the dotted lines are the averaged values of Tsys and sensitivity over the range of elevation angles El = 20–170◦. For the sensitivities given in the last 

    panel antenna diameter of 15m is assumed. 

    These  results demonstrate  that when  considering a noise  temperature of  the  receiver  that  is close  to 15K,  the performance of  the  Eleven  feed  is  virtually  independent on  the  subtended angle of the reflector  (see the red curves on the  figure  in the bottom right corner). The same conclusion can be likely drawn for Off‐set Gregorian systems with the same range of subtended angles sub=55‐70 (see the next section). 

    Furthermore,  we  have  also  in  a  separate  study  analysed  how  the  telescopes’  performance changes due to the aperture blockage provided by the feed cabin and its supporting struts. This study  has  been  carried  out  for  two  examples:  Example  1  ‐  a  set  of  two  compact wideband ‘Eleven antenna’  feeds of about 4:1 bandwidth each  (like  the one shown on Figure 1  (c)) and Example 2 – a set if multiple octave horn feeds that cover the same total frequency range. Our results show that  in the optimal operational range of the 15‐m reflector system (from about 1 GHz and higher), the relative  increase of the spillover noise temperature Tsp and the aperture efficiency  loss  are  less  than  5  Kelvin  and  5%  (corresponding  to  the  aperture  blockage efficiency of 95%),  respectively,  in comparison with  the unblocked aperture antenna with  the two compact Eleven feeds. Note that when the size of the feed cabin and blockage area of struts are larger (that would be the case for an equivalent set of octave horn feeds), the efficiency loss and Tsp increase will be higher. For example, if the cross‐section of the struts (such as used for the analysis for the case of the Eleven feed) is doubled, the aperture blockage efficiency lowers to 92% and Tsp increase becomes 8K with respect to the unblocked aperture antenna fed with the horn feeds. 

    It  is worth mentioning  that  the degradation of  the  system performance due  to  the blockage effects in prime‐focus axi‐symmetric systems is a combined effect of the struts and the shape of the  feed  pattern. We  have  observed  that  in  this  respect,  a  wideband  feed  like  the  Eleven antenna  has  an  advantage  over  the  conventional  horn  feeds,  as  its  radiation  is  mainly 

  •      Eleven Feed project: development of broadband 

     cryogenic frontend prototype for the SKA  

    Revision : F

    2012-05-16 Page 18 of 24

    concentrated in the region of the reflector’s subtended angle with a sharper cut‐off towards its rim than that of the horn. For comparison, see the far‐field patterns of the horn and Eleven feed on Figure 17.  

     (a) The measured pattern of  the Eleven Feed  (see Figure 1b) at 5.6 GHz 

    (b)  Simulated  pattern  of  the  octave  horn  feed (designed  according  to  the procedure  in  [13])  at  5.6 GHz. 

     (c) The scattered far‐field from the four struts due to the Eleven Feed  

    (d) The scattered far‐field from the four struts due to the octave horn feed 

     Figure 17: Comparison of the far‐field patterns of (a) the Eleven antenna feed and (b) octave horn feed, as measured and simulated respectively, at 5.6 GHz. Comparison of the scattering effects of four struts (no reflector) when the struts are illuminated by (c) Eleven feed and (d) octave horn feed. Note the high 

    levels of the scattered field around the strut locations.       

  •      Eleven Feed project: development of broadband 

     cryogenic frontend prototype for the SKA  

    Revision : F

    2012-05-16 Page 19 of 24

    3.4.2 Off‐set Gregorian reflector system (US SKA design) with the Circular Eleven Feed 

    We  show  in  Figure  20 below our  analysis of  a  scaled  version of  the  circularised  (1.2‐  14GHz version) Eleven feed (see Figure 1b) using the measured parameters of this feed combined with the US design offset Gregorian antenna. The scaled feed was assumed to have a size 30% larger to improve the low frequency performance. An analysis has yet to be done using the optimised (1.2 – 4GHz) Eleven feed (see Figure 1c), which should have even better performance, especially over the 1.2GHz – 2GHz range (which we don’t show in the plots below). 

     (a) 

    (b) results from [14]  (c)  

    (d)

    Figure 20: The predicted performance parameters of the 30% scaled circularised Eleven feed (Figure 1b) combined with the US off‐set Gregorian reflector optics (a) Overall geometry, (b) Antenna efficiency of (b) Antenna aperture efficiency of octave band feeds and ideal feed optimized at each frequency (see 

    [14]); (c) Antenna efficiency of the 30% scaled circularised Eleven feed (based on the measured patterns when the feed), compared to the ideal feed in [14]: (d) Antenna noise temperature due to the ground 

    noise pick up.  

  •      Eleven Feed project: development of broadband 

     cryogenic frontend prototype for the SKA  

    Revision : F

    2012-05-16 Page 20 of 24

    The  results  in  Figure  20b  show  that  our modelled  feed/Gregorian  reflector  system  has  peak aperture efficiency over 83% approaching that of the  ideal horn feed that  is optimized at each frequency. Over the range from 2 to 6 GHz the aperture efficiency stays above 78% and from 1 to 2 GHz it is above 68%. Over the plotted bandwidth of factor 6, the antenna efficiency of the circular Eleven feed  is only slightly  lower than the aperture efficiency of the  ideal feed and on average higher than that of narrow angle octave horns shown in panel b.   Figure 20c shows the antenna temperature contribution for our Eleven feed and an ideal feed, both  for an elevation angle of 90. The predicted performance of  the  ideal  feed  seems  to be based on the simulations of the feed patterns. In contrast to this ideal feed model, the antenna noise temperature of the Eleven feed was computed from the measured patterns of the feed. The antenna noise temperature Tsp of our Eleven feed is smaller than 10K from 2 to 6 GHz and has  the minimum  contribution  of  6K  at  around  5GHz.  The  Tsp  increases  at 

  •      Eleven Feed project: development of broadband 

     cryogenic frontend prototype for the SKA  

    Revision : F

    2012-05-16 Page 21 of 24

    (a)  (b) Figure 22: (a) The predicted receiving sensitivity (Aeff/Tsys) of 30% scaled circularised Eleven feed (Figure 1b) combined with the US off‐set Gregorian reflector optics compared to the ideal feed (b) 

    comparison with octave horn feeds with the wide and narrow opening angles in [14]: The system noise temperature Tsys is defined as a sum of the antenna noise temperature as shown in panel d of Figure 

    20, the sky contribution of 5K, and the receiver noise contribution that was assumed to be constant and equal to Trec=10K for both the Eleven feed and horn feed cases. Note that the sensitivity of the Eleven 

    feed was computed from the measured patterns of the feed (without the effect of the cryostat window), while the sensitivity of the horn feeds is based on the simulated patterns. 

     Note that the sensitivity predicted for the 30% scaled circularised Eleven feed does not take into account the expected reduction of the antenna ground noise pick up as the result of the higher spillover efficiency of the feed when integrated inside the cryostat. After including this effect in the analysis,  the antenna noise  temperature  should  remain virtually constant and close  to 10 Kelvin in the range of 1.2 – 2 GHz. Since, our expectation is based on the actual measurements with and without  the cryostat supporting  ring, we believe  that  the  resultant sensitivity at  the low  frequencies will be  rather constant and  in  the  range of 5.2‐5.5 m2/K  for  this  feed design. Furthermore,  it  is worth mentioning  that  the 1.2 – 4GHz optimised version of  the circularised Eleven feed (see Figure 1c) should have even better performance than that plotted  in panel d. This design has a rather flat predicted behaviour of the spill‐over efficiency from 1.3 to 4 GHz, so it is expected that the ground noise pickup can be even lower than 10 K. 

     

    3.6 Comments on frequency variations in Eleven feed response. 

    One concern that has been raised about the Eleven feed are the variations in performance with frequency seen in earlier designs and whether these would be a problem for calibration.  A very significant  improvement has been  achieved  in  this  area by using  the new  circularised  Eleven feed  geometry;  in  this  new  design  the Aeff  fluctuations  versus  frequency  (see  Figure  5)  have been much  reduced  compared  to  the old VLBI2010  Eleven  feed model with  straight dipoles.  These  variations  in Aeff,, which  is  the  critical quantity  for determining    the  spectral bandpass shape,   are now  less than 6% over 1GHz.  It  is expected that the performance of the 1.2GHz – 4GHz circularised Eleven  feed will be even better  in this regard.  It  is  true that the circularised feeds still have significant variations with frequency in reflection coefficient (see Figures 3, 8 and 11), however  the peak values of  these  reflection coefficients are now  relatively small    (better than ‐10dB except for occasional peaks at ‐8dB) and furthermore they only give rise to relatively small variations  in Tsys versus frequency. The reason for this  is that at cryogenic temperatures Tsys  is  dominated  by  antenna  noise  pickup  effects  (see  Figures  15  and  20).  For  an interferometer, as opposed to a single dish, these resulting small Tsys variations with frequency 

  •      Eleven Feed project: development of broadband 

     cryogenic frontend prototype for the SKA  

    Revision : F

    2012-05-16 Page 22 of 24

    do not affect the spectral baseline, only the amplitude of the Gaussian noise contribution versus frequency.  Two more general points about frequency variable effects and spectral baselines can be made which are relevant to all feeds, not  just the Eleven feed (1) The critical quantity  is the residual spectral baseline after calibration on astronomical sources. If spectral variations in performance are stable over a calibration switching cycle they can be completely removed. Additionally, given the extremely high sensitivity of the SKA, there will be plenty of ‘in‐beam’ continuum calibrator sources,  these  allow  for  the  continuous  calibration  and  removal  of  spectral  effects.  (2)  For spectral  line  work,  where  spectral  baseline  issues  potentially  have  the  largest  effect,  the observed  lines are virtually always  less than 300km/s wide and hence narrower than 5MHz at 5GHz, hence even  if UWB  feed designs have modest gain variations over 500MHz bandwidths the  narrow  frequency  ranges  covered  by  spectral  lines  means  the  response  will  be  well modelled by low order polynomials.  

    4 Conclusions Within  the  current project we have designed, manufactured  and  tested Eleven  feed  versions optimised  for  the  1.2‐4GHz  band  which  show  improved  beam  pattern  symmetry,  spillover efficiency and reflection coefficients compared to previous designs. The highlights of our project work include.  (A) Measurement  at  cryogenic  temperatures  using  the  old  VLBI2010  feed  of  on‐sky  system 

    temperatures of 20K over wide bands. A  large fraction of this figure  is  likely to come from pickup  from  the  immediate  environment,  a  contribution which  is  still present  even  after installing pyramidal shielding. When mounted  in a suitable reflecting antenna  to minimise ground pick‐up system temperatures would likely be 

  •      Eleven Feed project: development of broadband 

     cryogenic frontend prototype for the SKA  

    Revision : F

    2012-05-16 Page 23 of 24

    Improvements in Eleven feed performance over the last two years has been significant and we believe it should be possible in the near future to achieve comparable Aeff/Tsys performance to octave feeds over a frequency range of 3.5:1 (plus reasonable performance simultaneously over higher  frequency  ranges).  As  well  as  good  performance  such  a  feed  has  some  practical advantages (small size and weight plus lower construction and maintenance costs) compared to a  suite of octave  feeds).   We also note  the  significant potential  scientific advantages of UWB feeds for continuum observations and astrometric observations. Octave feeds only have 

  •      Eleven Feed project: development of broadband 

     cryogenic frontend prototype for the SKA  

    Revision : F

    2012-05-16 Page 24 of 24

    5 References  [1] J.  Yang,  M.  Pantaleev,  P.‐S.  Kildal,  B.  Klein,  Y.  Karandikar,  L.  Helldner,  N.Wadefalk,C. 

    Beaudoin “Cryogenic 2‐13 GHz Eleven feed for reflector antennas in future wideband radio telescopes”, IEEE Trans. on Antennas Propag. ,vol. 59, no. 6, pp. 1918‐1934, June 2011. 

    [2] Jian Yang, Miroslav Pantaleev, Per‐Simon Kildal and Leif Helldner, “Design of compact dual‐polarized 1.2‐10 GHz Eleven  feed  for decade bandwidth radio  telescopes”,  IEEE Trans. on Antennas Propagat., vol. 60, no. 5, May 2012. 

    [3] J.  Yang, M.  Pantaleev,  P.‐S.  Kildal  and  L. Helldner,  “Compact  dual‐polarized  1.2  ‐  10 GHz Eleven feed by folding outer elements for  large decade‐bandwidth radio telescopes”, 2011 IEEE international Symp. on Antennas Propag., Spokane, Washington, USA, July 3‐8, 2011. 

    [4] B. Klein, M. V. Ivashina, R. Maaskant and A. Clark, ‘Development of a Detailed Noise Model of the Eleven Feed Receiver Using CAESAR Software’, In Proc. of the 6th European Conf. on Antennas and Propagation (EuCAP2011), Prague, Slovakia, March 2012.  

    [5] J. Yang, X. Chen, N. Wadefalk and P.‐S. Kildal “Design and realization of a linearly polarized eleven feed for 1‐10 GHz”,  IEEE Antennas Wireless Propagat. Lett., vol. 8, pp. 64‐68, April 2009. 

    [6] J. Yin and J. Yang, “A 2–5 GHz Circular Eleven Antenna with  Improved BOR1 Efficiency,”  in 2011  IEEE  International Symposium on Antennas and Propagation  (APSURSI). Spokane WA US., Jul. 2011, pp. 1247–1250. 

    [7] J.  Yang  and  et  al,  ”Development  of  the  Cryogenic  2‐14  GHz  Eleven  Feed  System  for VLBI2010”. European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP), Prague, Mar. 2012. 

    [8] J.  Yin,  J.  Yang, M.  Pantaleev  and  L.  Helldner,  ”A  Circular  Eleven  Feed  with  Significantly Improved  Aperture  Efficiency  Over  1.3‐14  GHz”.  European  Conference  on  Antennas  and Propagation (EuCAP), Prague, Mar. 2012. 

    [9] J. Yin, J. Yang, M. Pantaleev and L. Helldner, ”The Circular Eleven Antenna: A New Decade‐bandwidth Feed for Reflector Antennas with a High Aperture Efficiency”. In preparation for IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 

    [10] Ivashina, M.  V.;  Bakker,  R.;  bij  de  Vaate,  J.  G.;  Iupikov, O.  A.;  Arts, M.;  Dekker,  J.;  van Ardenne, A., ”An Axi‐Symmetric Segmented Composite SKA Dish Design: Performance and Production Analysis”, Invited paper for the Asia‐Pacific Microwave Conference 2011 (APMC 2011), Melbourne, 5‐8 Dec., Australia, 2011. 

    [11] W.‐Ch.  Liao, M.  V.  Ivashina,  P.‐S.  Kildal  and  A.  van  Ardenne,  ‘Effects  of  Struts  on  the Performance of Axisymmetric Reflector Antenna  Systems with Compact UWB  Feeds  Like ‘Eleven’,  In  Proc.  of  the  6th  European  Conf.  on  Antennas  and  Propagation  (EuCAP2011), Prague, Slovakia, March 2012.  

    [12] W.‐C. Liao, ‘Studies of the Eleven Antenna Feed in Axi‐Symmetric Reflector Systems For the Next  Generation  Radio  Telescopes’, Master  thesis,  Department  of  Signals  and  Systems, Chalmers University of Technology, April, 2012.  (Supervisor: M.  Ivashina; Examinber: P.‐S. Kildal) 

    [13] Z.  Ying,  A.A.  Kishk,  and  P.‐S.  Kildal.  Broadband  compact  horn  feed  from  prime‐focus reflectors. Electronic Letters 6th, 31(14), July 1995.  

    [14] W. A. Imbriale, L. Baker and G. Cortes‐Medellin, ‘Optics Design for the U.S. SKA Technology Development Project Design Verification Antenna’,  In Proc. of  the 6th  European Conf. on Antennas and Propagation (EuCAP2011), Prague, Slovakia, March 2012.