MACBeth: design, realization and testing of the Microwave Anechoic Chamber Bicocca

The Experimental Cosmological Group of the University of Milan Bicocca is involved in the development of calibration devices for telescopes dedicated to the study of the Cosmic Microwave Background (CMB). A key element in the design of those astrophysical experiments are the directional antennas that collect signals from the sky. One important systematic that has to be estimated are the side lobes, particular diffraction related phenomena produced by the antenna systems. Since the antenna diagram has non-zero efficiency out from the propagation axis, those contributions have an important role in the estimation of the experimental systematic. In this sense, these sensitivity tail effects can capture intense sources, such as our Galaxy, generating signals that can compete with the CMB. The detailed study of the emission/reception profile of the antennas requires the realization of a particular space, free from electromagnetic disturbs and obstacles that can alter their characterization. The performances of these objects are verified by studying their angular response along the copolar planes through illumination by means of quasi-plane waves. In literature, it is possible to find different types of experimental verifications of the antennas' radiation patterns. However, not all of them can be performed in an environment where all the degrees of freedom are under control. An effective compromise between a controlled environment and one in which it is possible to produce a quasi-plane wave, is known in literature as Anechoic Chamber. The fundamental structure of this instrument consists of a Faraday cage whose internal walls are covered with microwave-absorbing material. In particular, this instrument is capable of shielding the internal volume from the environmental electromagnetic disturbs, and, at the same time, to reduce as much as possible the internal EM noise. During my PhD I designed, realized and tested the performances of an anechoic chamber operating from 33 GHz to 170 GHz. In order to design this instrument a custom ray tracing code was realized. This software allows us to estimate the performance of the anechoic chamber by varying: chamber shape, absorber response and launcher/receiver beam pattern and their positions. This allowed us to find an optimal compromise between its performances and the current instrumental specifications. After the anechoic chamber was realized, experimental tests were carried out in order to verify its performance and the goodness of the simulations results. The measurements performed with this instrument allow us a detailed estimation of both the side lobes intensity levels and structure of some high-performance antennas used as benchmarks.

Il Gruppo di Cosmologia Sperimentale dell'Università di Milano Bicocca è impegnato nello sviluppo di dispositivi di calibrazione per telescopi dedicati allo studio della radiazione cosmica di fondo (CMB, Cosmic Microwave Background). Un elemento chiave nel design di tali esperimenti astrofisici sono le antenne direzionali che raccolgono i segnali provenienti dalla volta celeste. Di particolare interesse risulta la caratterizzazione dei side lobes, particolari strutture legate alla diffrazione prodotta da ogni tipo di antenna che definiscono delle direzioni, lontane da quella di puntamento, dove l'efficienza può risultare relativamente elevata. In questo senso, tali code di sensibilità, possono captare sorgenti intense, come la nostra Galassia, generando segnali che possono competere con quello già debole della CMB. Lo studio accurato del profilo di emissione/ricezione delle antenne richiede la realizzazione di un particolare spazio privo di disturbi elettromagnetici e ostacoli che possano alterare la caratterizzazione dello loro performance. Le prestazioni di tali oggetti vengono verificate tramite lo studio della loro risposta angolare lungo specifici piani copolari tramite l’illuminazione per mezzo di un’onda piana. In letteratura, sono presenti diversi tipi di verifiche sperimentali dei diagrammi di radiazione di antenne o di sistemi d’antenna. Non tutte pero’ sono realizzabili in un ambiente dove sia possibile tenere sotto controllo i gradi di libertà di tali esperimenti. Una soluzione che risulta essere un efficace compromesso tra un ambiente controllato e uno nel quale sia possibile produrre un fascio di radiazione con profilo quasi piano, e’ noto in letteratura col nome di Camera Anecoica. La struttura fondamentale di questo strumento consiste in una gabbia di Faraday le cui pareti interne sono ricoperte con materiale assorbente nelle microonde. In particolare, questo set up consente sia di schermare la radiazione elettromagnetica proveniente dall’ambiente, ma anche di ridurre il più possibile il rumore presente al suo interno. Questo lavoro di tesi ha riguardato il design, la realizzazione e la verifica sperimentale delle performance di una camera anecoica operante a frequenze che vanno da 33 GHz a 170 GHz. Il design di tale strumento e’ stato determinato tramite la realizzazione di un codice di ray tracing. Questo software ha permesso di studiare le prestazioni della camera anecoica variando: la geometria della camera, la risposta dell’assorbitore e tipo di lanciatore/ricevitore e loro relative posizioni. Ciò ha consentito di trovare il design ottimale che fosse un ottimo compromesso tra le prestazioni e i correnti limiti strumentali e di realizzazione. A seguito della realizzazione della camera anecoica sono stati effettuati dei test sperimentali che hanno verificato le sue prestazioni e la bontà dell'approccio simulativo, consentendo un’accurata stima dei livelli e della struttura dei side lobes di alcune antenne ad alte prestazioni usate come benchmark.