This thesis presents methods for modeling the pattern of large axisymmetric paraboloidal focus-fed reflector antenna systems. The intended application of these methods is to improve the performance of time-domain interference canceling (TDC) in radio astronomy. The first method yields a closed-form expression for the antenna pattern with parameters accounting for the focal ratio and feed pattern. In subsequent adaptive methods, parameters of this model are calculated using measurements of interference signals. The corrected pattern model improves the prediction of the change in the true pattern for future times. The methods are compared by (1) comparing the error in the pattern model with respect to the true pattern and (2) comparing the pattern value update period required to achieve a specified level of residual interference when used in TDC. The efficacy of the pattern modeling methods is demonstrated by showing that the error in the pattern model decreases and the pattern value needs to be updated at a much slower rate for effective TDC. / Master of Science / Radio astronomy is the study of astronomical objects at radio frequencies. Radio telescopes, employing large reflector antennas, are often used to detect and measure extremely weak signals received from distant astronomical bodies. A growing problem for radio astronomy is that human-made communication satellites, orbiting around the earth, interfere with the radio signals. A satellite traversing the antenna pattern interferes with the signal of interest and contaminates it. Presently, this interference is managed by scheduling (avoidance) or by deleting the afflicted data. However, satellite interference is expected to become worse in the future with the increase in the number of satellites in orbit. Therefore, it will become increasingly difficult to avoid the interference by scheduling observations, and there may be too much afflicted data to delete. Hence, more sophisticated techniques may soon be required. One possible method for interference mitigation is Time Domain Canceling (TDC), which is the method addressed in this thesis. This method involves generating an estimate of the interference signal from the interfering satellite. This estimated interference signal is then subtracted from the measured signal contaminated with the interference signal. Ideally, this process should completely remove the interference while preserving the signal of interest and the noise (important in radio astronomy). To improve the accuracy of estimation of the interference signal, we require precise knowledge of the antenna pattern because the interference signal is seen through the antenna pattern. However, the pattern for large reflector antennas employed in radio telescopes is not precisely known and is often difficult to measure or analyze. In this work, we address this problem of lack of pattern knowledge by developing methods for modeling the pattern of large axisymmetric paraboloidal focus-fed reflector antenna systems. We have shown that the pattern model can be significantly improved using measurements of the interference signal in real time. We have also demonstrated that the performance of TDC improves with the incorporation of the developed pattern models.

[pt] Este trabalho aborda o projeto de antenas omnidirecionais de duplorefletores, onde o refletor principal é obtido a partir de uma geratriz circular. A antena é composta de refletores circularmente simétricos e concêntricos que são alimentados por uma corneta cônica coaxial excitada pelo modo TEM para a produção de polarização vertical. Para realizar este estudo são utilizadas técnicas de síntese e de análise eletromagnética rigorosa. A técnica de análise eletromagnética rigorosa é baseada na associação do Método de Casamento de Modos para representar os campos no interior do alimentador e do Método dos Momentos para solucionar as equações integrais para o campo elétrico e para o campo magnético e determinar a corrente elétrica induzidas sobre as paredes metálicas externas e a amplitude dos modos sobre a abertura da corneta. A técnica de síntese destas antenas é baseada na aplicação dos princípios da Ótica Geométrica para modelar o subrefletor que irá produzir uma distribuição de fase uniforme em uma abertura cônica colocada em frente ao refletor principal com geratriz circular. O estudo exploratório sobre o desempenho destas antenas é dividido em três partes. Na primeira, as soluções fornecidas pela síntese ótica e aproximações para os campos na abertura são utilizadas para identificar configurações de antenas compactas ou que maximizem o ganho ao longo do plano horizontal. Entretanto, pode-se obter uma melhor iluminação da área de cobertura através da inclinação do lobo principal (down tilt). Para reduzir o custo de fabricação de um conjunto de antenas que atendam diferentes áreas de cobertura, pode-se utilizar o mesmo refletor principal e modelar os subrefletores para deslocar a direção de máximo do diagrama. Assim, em uma segunda etapa do estudo paramétrico, são considerados alguns refletores principais, e, para cada um deles, é obtida uma família de subrefletores modelados para deslocar o máximo do diagrama no plano vertical. Esta estratégia se torna efetiva na medida em que o custo de fabricação do subrefletor é menor do que o do refletor principal. Na terceira parte, utilizando o método híbrido composto pelo Método do Casamento de Modos e pelo Método dos Momentos, é feito o modelamento da corneta coaxial TEM com o objetivo de reduzir sua perda de retorno e estender sua banda de operação. Por fim, ainda utilizando este método híbrido, é feita uma análise rigorosa das antenas duplo-refletoras propostas neste trabalho, procurando otimizar o desempenho destas antenas em termos do diagrama de radiação e da perda de retorno. / [en] This work presents a design study of omnidirectional dual-reflector antennas, where the main reflector is obtained from a circular generatrix. The antenna is composed of two concentric circularly symmetric reflectors and it is fed by a coaxial conical horn excited by TEM mode to produce vertical polarization. To obtain the subreflector surface, the study employs a GO synthesis technique to shape the subreflector in order to produce a uniform phase distribution in a conical aperture placed in front of the main reflector. To validate the results, it is employed a rigorous electromagnetic analysis technique based on the association of Mode Matching Technique to represent the fields inside the horn and Method of Moments to solve the integral equations of electric and magnetic fields. The solution of Method of Moments yields the induced electric current on the outer surface of the horn and the amplitude of the modes on the aperture of the horn. The exploratory study is divided in three parts. First, by using the GO approximations for the aperture fields, the geometry parameters are explored to identify compact antenna configurations that maximize the gain along the horizontal plane. However, a more uniform coverage of the ground can be obtained by tilting the main lobe. Thus, in a second step of the parametric study, it is considered a family of designs with the same main reflector and a set of subreflectors that are designed for different tilt angle of main lobe. This strategy is effective to reduce the manufacturing costs of a family of antennas designed to provide different coverage. Third, by using the hybrid method, the TEM coaxial horn is shaped to reduce the return loss and extend its operating band, and, finally, the overall antennas performance is optimized by controlling radiation pattern and return loss.

[pt] O objetivo deste trabalho é o estudo e desenvolvimento de técnicas assintóticas que permitiam a análise do espalhamento de ondas eletromagnéticas por superfícies condutoras, diretamente do domínio do tempo. São introduzidas versões temporais de métodos de rastreamento de raios e de técnicas de correntes induzidas e equivalentes, as quais são deduzidas a partir de seus correspondentes do domínio da frequência mediante o uso da transformada inversa de Fourier e de uma representação analítica de sinais. As formulações obtidas aplicam-se à análise da resposta transiente do espalhamento eletromagnético por objetos condutores que tem grandes dimensões físicas em termos de largura do pulso incidente, e têm a forma de expressões analíticas relativamente simples, válidas para instantes de tempo próximos à chegada das pimeiras frentes de onda aos pontos de observação. As técnicas obtidas são estendidas à aplicação na determinação a resposta de antenas refletoras convencionais iluminadas por exitações pulsadas e têm sua validade verificada comparando-se com as soluções obtidas por uma solução numérica de referência baseada no Método dos Momentos para o domínio da frequência (MoM) e correspondente inversão para o domínio do tempo através de um algoritmo de transformada rápida de Fourier (IFFT). / [en] This work is concerned the study and development of asymptotic methods for the time-domain analysis of eletromagnetic scattering by perfectly conducting surfaces. Time-domain versions of the well known ray tracing methods and surface-induced and equivalent edge currents are derived by means of a Fourier inversion and the use of an analytical signal representation. The resulting formulations can be applied to the transient analysis of EM scattering by perfectly conducting objects that are large in terms of the incident pulse width, and are presented in the form of relatively simple analytical expressions that are valid in the neighborhood of the instant of arrival of the first wavefronts to the obseration points. These so derived time-domain asymptotic techniques are extended to accomodate the determination of the response to pulse- excited conventional reflector antenas and their validity is ascertained by means of a comparison with a referece solution based on the frequency-domain Method of Moments (MoM) and its inversion into the time domain via a fast Fourier transform algorithm (IFFT). / [es] EL objetivo de este trabajo es el estudio y desarrollo de técnicas asintóticas que permitan el análisis del esparcimiento de ondas eletromagnéticas por superficies conductoras, directamente del dominio del tiempo. Se introducen versiones temporales de métodos de rastreamiento de rayos y de técnicas de corrientes inducidas y equivalentes, las cuales son deducidas a partir de sus correspondientes del dominio de la frecuencia mediante el uso de la transformada inversa de Fourier y de una representación analítica de señales. Las formulaciones obtenidas se aplican al análisis de la respuesta transiente del esparcimiento eletromagnético por objetos conductores que tienen grandes dimensiones físicas en término de ancho del pulso incidente, y tiene la forma de expresiones analíticas relativamente simples, válidas para instantes de tiempo próximos a la llegada de las primeras frentes de onda a los puntos de observación. Las técnicas obtenidas se aplican en la determinación la respuesta de antenas reflectoras convencionales iluminadas por exitaciones pulsadas y se verifica su validad comparando con las soluciones obtenidas por una solución numérica de referencia basada en el Método de los Momentos para el dominio de la frecuencia (MoM) y la correspondente inversión para el dominio del tiempo a través de un algoritmo de transformada rápida de Fourier (IFFT).

[pt] O objetivo desta monografia é investigar a aplicação de distintas metodologias de alocação de energia firme de usinas hidrelétricas através da teoria dos jogos de coalizão. Mostra-se que não existe uma maneira ótima, única, de se fazer esta repartição, mas existem critérios para verificar se uma metodologia de repartição específica apresenta algum aspecto inadequado. Um desses critérios é a justiça. Mostra-se que este critério equivale a pertencer ao chamado núcleo de um jogo cooperativo. O cálculo da energia firme será formulado como um problema de otimização linear e serão investigadas vantagens e desvantagens de distintos métodos de alocação (a benefícios marginais, geração média no período crítico, última adição e nucleolus). Em seguida será desenvolvida uma aplicação do esquema Aumann-Shapley (AS) à repartição da energia firme de usinas hidrelétricas. Demonstra-se que além de robusto em relação aos tamanhos dos recursos e eficiente computacionalmente, este método fornece para o problema do firme uma alocação pertencente ao núcleo e, portanto, atende à condição de justiça. A aplicação do esquema AS será apresentada para o Sistema Brasileiro e serão comparados os resultados obtidos por este método com outros esquemas de alocação adotados no Sistema Hidrelétrico Brasileiro. / [en] The objective of this work is to investigate the application of different methodologies of allocation of firm energy rights among hydro plants using a gametheoretic framework. It is shown that there is not an optimal and unique approach to make this allocation but there are criteria to verify if a given approach presents any inadequate aspect. One of these criteria is the justice, or fairness. It is shown that this criterion is equivalent to the condition of the core of a cooperative game. The calculation of the firm energy will be formulated as a linear program and advantages/disadvantages of different allocation methods (marginal allocation, average production on the dry period, incremental allocation and nucleolus) will be investigated. Next, an application of the Aumann-Shapley (AS) scheme to the problem of allocation of firm energy rights will be developed. It is shown that, besides being robust and computationally efficient, this scheme provides an allocation that belongs to the core of the game and therefore meets the condition of justice. The AS scheme will be applied to the Brazilian system (composed of about 100 hydro plants) and the results obtained will be compared with the allocation schemes currently adopted in the Brazilian system.