50
Name Designation Affiliation Date Signature Submitted by: Arnold van Ardenne Johan Pragt Marco Drost Systems, business relations Management Mechanical design ASTRON ASTRON ASTRON 20110615 20110615 20110615 Co Authors and contributors: M. Ivashina (Chalmers University), Robbert Bakker and Jaap Dekker (Airborne), Raymond van den Brink and Jan Geralt Bij de Vaate (ASTRON) Approved for release as part of dish CoDR documents: Neil Roddis SPDO 20110615 CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH (VERSION C) Document number .................................................................. WP2020.045.010TD003 Revision............................................................................................................................ B Author ...................................................................................................... see table below Date................................................................................................................. 15062011 Status ......................................................................................................................... Final

CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

   

        

Name  Designation  Affiliation  Date  Signature 

Submitted by: 

Arnold van Ardenne 

 Johan Pragt 

Marco Drost 

Systems, business relations 

 

Management  

Mechanical design 

ASTRON 

 

ASTRON 

ASTRON 

2011‐06‐15 

 

2011‐06‐15 

2011‐06‐15 

 

Co Authors and contributors: M. Ivashina (Chalmers University), Robbert Bakker and Jaap Dekker (Airborne), Raymond van den Brink and Jan Geralt Bij de Vaate (ASTRON) 

Approved for release as part of dish CoDR documents: 

Neil Roddis    SPDO  2011‐06‐15   

 

 

CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH (VERSION C) 

Document number .................................................................. WP2‐020.045.010‐TD‐003

Revision ............................................................................................................................ B

Author ...................................................................................................... see table below

Date ................................................................................................................. 15‐06‐2011

Status ......................................................................................................................... Final

 

Page 2: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 2 of 50   

 

DOCUMENT HISTORY 

Revision  Date Of Issue  Engineering Change  

Number 

Comments 

2.0  15‐06‐2011  ‐  Final 

       

       

       

       

       

       

       

 

DOCUMENT SOFTWARE 

  Package  Version  Filename 

Wordprocessor  MsWord  Word 2007   

Block diagrams       

Other       

 

 

ORGANISATION DETAILS 

Name  SKA Program Development Office 

Physical/Postal 

 Address 

Jodrell Bank Centre for Astrophysics 

Alan Turing Building 

The University of Manchester 

Oxford Road 

Manchester, UK 

M13 9PL 

Fax.  +44 (0)161 275 4049 

Website  www.skatelescope.org 

 

Page 3: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 3 of 50   

Summary 

This document describes the concept for a symmetric dish  for SKA antenna reflector based on the 

use  of  novel  thermoplastic  composite material  in  the  context  of  an  otherwise  classical  (but  not 

limited to that) telescope design. While recognizing that detailed work needs to be done to advance 

this work, the present outcome points to an attractive low cost and mass producible design with low 

risk involved. 

In  general,  the  symmetric  dish  concept  seems  very  attractive,  because  its  design  is  relatively 

straightforward while wide spread knowledge and performance experience  is available throughout 

the world. 

The  presented  concept  design  is  classical  in  its  primary  functions  and  design  approach  thereby 

decreasing design  risks.  The novelty  involves  the  reflector  structures material, which  is  based on 

carbon re‐enforced thermoplastic material not (yet) used for this kind of applications looking highly 

promising  and  feasible  as a  result of our  studies.  It  is of  interest  to note  that other markets e.g. 

automotive and aerospace are interested in applying this material pushing further developments. 

From the technical study as presented in this report, the following conclusions can be made: 

‐ A  symmetric  dish  is  significant  lower  in  cost  then  an  offset  Gregorian.  The  difference 

presented in this document is such that it might serve as a serious concept for SKA phase 1. 

‐ The  presented  dish  specifications  wavelength  range  opens  an  area  which  is  originally 

scheduled for phase 2 of SKA, but probably can already be applied in phase 1 of SKA. This is 

likely to be beneficial for the technology development and for science of SKA.  

Thermoplastic carbon reinforced composite materials might be an alternative for the more common 

dish materials. 

A  collaborated effort between a Dutch  Industrial project group, Chalmers University and ASTRON 

provided  input  for  this  document.  The main  technical  input  is  by  the  Industrial  Group,  lead  by 

Airborne in The Hague, the Netherlands. Airborne has experience in building dish structures e.g. for 

ALMA. The  Industrial project group  in general has experience with thermo plastic composites from 

design and calculation up to production. Chalmers University provided the integral radio design and 

electro‐magnetic calculations for the overall reflector to which the electro magnetic design  for the 

eleven feed was input.  ASTRON provided the specifications and performed system‐ and mechanical 

design and RF testing of materials. 

The outcome from the technical studies generates some questions and conclusions that need to be 

answered or discussed: 

‐ Thermo  plastic  carbon  re‐enforced  materials  are  an  attractive  possibility  for  use  and 

implementation  in  low  cost,  high  performance  dish  structures.  Its main  advantage  is  the 

lower material  and manufacturing  cost  in  comparison with  conventional  high‐end  epoxy 

carbon  reinforced materials.  For  example  press‐forming  and  automated  welding  can  be 

used, which is not possible in thermoset composites like carbon‐epoxy. The advantage with 

respect to classical steel structures  is based on  its stiffness,  far  lower weight and very  low 

Page 4: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 4 of 50   

coefficient of thermal expansion combined with classical process techniques (warm forming 

of the shape and automated welding of the construction) and potential for mass production. 

‐ Based on a comparative study, a symmetric dish  is significant  lower  in cost then other e.g. 

offset designs  such as Gregorian positioning  this work as highly  relevant and as a  serious 

concept for SKA. 

‐ The presented dish specifications wavelength range opens an area originally scheduled  for 

SKA phase 2, but probably already  likely to be applied  in earlier SKA phases. This might be 

beneficial for the technology development and for science of the SKA.  

The contributors of this report are very interested to advance the concept for the SKA and are open 

for feedback and commenting as input to improvements and next steps. 

Page 5: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 5 of 50   

 

 

TABLE OF CONTENTS 

1  INTRODUCTION ........................................................................................... 9 

1.1  Purpose of the document ....................................................................................................... 9 

2  REFERENCES ............................................................................................. 11 

3  CONTEXT ................................................................................................. 12 

3.1  SKA hierarchy ........................................................................................................................ 12 

3.2  Role of the symmetric dish in the Dish Array ....................................................................... 13 

3.3  Comparative discussion of Symmetric versus Gregorian offset reflector concept .............. 14 

3.3.1  Discussion of the dish concept from an RF perspective ............................................... 14 

3.3.2  Discussion from scientific / electromagnetic perspective ............................................ 15 

3.3.3  Structural design ........................................................................................................... 15 

3.3.4  Manufacturing cost ....................................................................................................... 16 

4  REQUIREMENTS ......................................................................................... 17 

4.1  Functional Requirements – reflector structure .................................................................... 18 

4.2  Specification compliance – reflector structure ..................................................................... 19 

5  MAIN REFLECTOR DESIGN ............................................................................. 21 

5.1  Material selection ................................................................................................................. 21 

5.2  Structural design ................................................................................................................... 22 

5.3  Structural analysis ................................................................................................................. 24 

5.3.1  Material properties ....................................................................................................... 24 

5.3.2  Load cases ..................................................................................................................... 25 

5.3.2.1  Gravity ....................................................................................................................... 25 

5.3.2.2  Thermal loading ........................................................................................................ 26 

5.3.2.3  Wind loading ............................................................................................................. 26 

5.3.3  FEA results ..................................................................................................................... 27 

5.3.4  Performance.................................................................................................................. 27 

6  ANTENNA MOUNT DESIGN ............................................................................ 31 

6.1  Pedestal design ..................................................................................................................... 31 

6.2  Balancing ............................................................................................................................... 31 

6.3  Drive system .......................................................................................................................... 32 

7  TELESCOPE ELECTRO‐MAGNETIC DESIGN ........................................................... 32 

7.1  Telescope Electro‐magnetic analysis .................................................................................... 32 

7.1.1  Eleven feed .................................................................................................................... 32 

7.1.2  Overview of Results ...................................................................................................... 33 

Page 6: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 6 of 50   

7.2  Feed selection mechanism .................................................................................................... 36 

7.3  Feed box struts ...................................................................................................................... 36 

7.4  Dish performance .................................................................................................................. 37 

8  MANUFACTURING COST ESTIMATE .................................................................. 39 

8.1  Manufacturing process ......................................................................................................... 39 

8.2  Recurring costs ...................................................................................................................... 40 

8.3  Logisitics: ............................................................................................................................... 41 

9  PLANS FOR FURTHER DEVELOPMENT ............................................................... 43 

9.1  Technology to be developed ................................................................................................. 44 

9.1.1  Further detailing the dish material performance and coating. .................................... 44 

9.1.2  Detailing the assembly of the dish ................................................................................ 44 

9.1.3  Feed ............................................................................................................................... 44 

9.2  Partners in the Thermoplastic Composite SKA Reflector project (TC SKAR) ........................ 45 

9.2.1  Airborne www.airborne.nl ............................................................................................ 45 

9.2.2  Dutch thermoplastic components www.composites.nl ............................................... 45 

9.2.3  Kok en van Engelen www.kve.nl ................................................................................... 45 

9.2.4  Delft University of Technology  www.tudelft.nl ........................................................... 45 

9.2.5  ASTRON  www.astron.nl ............................................................................................... 45 

9.3  Risk assessment and mitigation ............................................................................................ 46 

 

 

 

Page 7: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 7 of 50   

 

LIST OF FIGURES 

Figure 1 Dish Array Hierarchy (adopted from SPDO) ............................................................................ 13 

Figure 2 Overview symmetric reflector design ..................................................................................... 22 

Figure 3 Stiffener cross‐sections. Left: T‐stiffener. Right: Blade stiffener ............................................ 23 

Figure 4 Overview of different stiffeners depicting one quarter of the reflector ................................ 24 

Figure  5  FEA  displacement  results.  Left:  Displacement  results  wind  load  case  2.  Top  right: 

Displacements for thermal load case 4. Bottom right: gravity at 0 degree elevation ............... 27 

Figure 6 rms and pointing error as function of elevation ..................................................................... 28 

Figure 7: Dish and pedestal ................................................................................................................... 31 

Figure 8: Sensitivity and system noise temperature versus elevation angle for the symmetric dish .. 33 

Figure 9: Sensitivity and system noise versus elevation for a Gregorian dish ...................................... 34 

Figure  10:  Comparative  sensitivity  performance  versus  elevation  angle  between  symmetric  and 

offset Gregorian antenna systems ............................................................................................. 34 

Figure 11: Antenna far field pattern for both dish types illuminated with the Eleven antenna feed .. 35 

Figure 12: Dish parameter simulation results ....................................................................................... 38 

Figure 13: Overall schedule ................................................................................................................... 43 

Figure 14 Gregorian offset reflector with a truss support .................................................................... 50 

Figure 15 Gregorian offset reflector with a stiffened skin .................................................................... 50 

 

 

 

LIST OF TABLES 

Table 1 SKA reflector requirements by ASTRON ................................................................................... 17 

Table 2 Typical CFRP material properties ............................................................................................. 25 

Table 3 rms performance during typical conditions ............................................................................. 29 

Table 4 rms values for more extreme conditions. * rms value including gravity re‐pointing .............. 30 

 

 

 

 

Page 8: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 8 of 50   

 

LIST OF ABBREVIATIONS  

Ant. ............................... Antenna

CoDR ........................... Conceptual Design Review

DRM ............................. Design Reference Mission

EoR .............................. Epoch of Reionisation

EX ................................ Example

FLOPS ......................... Floating Point Operations Per Second

FoV .............................. Field of View

JLRAT……………………Joint Laboratory for Radio Astronomy Technology

LNA .............................. Low Noise Amplifier

Ny ................................. Nyquist

OH ................................ Over Head

OTPF ............................ Observing Time Performance Factor

Ov ................................ Over sampling

PAF .............................. Phased Array Feed

PrepSKA ...................... Preparatory Phase for the SKA

RFI ............................... Radio Frequency Interference

rms ............................... root mean square

SEFD ............................ System Equivalent Flux Density

SKA .............................. Square Kilometre Array

SKADS ......................... SKA Design Studies

SPDO ........................... SKA Program Development Office

SPF .............................. Single Pixel Feed

SSFoM ......................... Survey Speed Figure of Merit

TBD .............................. To Be Decided

Wrt ............................... With respect to

Page 9: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 9 of 50   

1 Introduction  

This document describes the concept for a symmetric dish for SKA.  It  is based on specifications for 

single pixel feed and its baseline design covers wavelength ranges of 1‐10 GHz. The specifications are 

founded  on  relevant  SKA material  and  discussions with  SPDO  as  alternative  dish  concept  design 

serving as input for the SPDO Dish Array CoDR in July 2011 in Penticton. 

A  collaborated effort between a Dutch  Industrial project group, Chalmers University and ASTRON 

provided  input  for  this  document.  The main  technical  input  is  by  the  Industrial  Group,  lead  by 

Airborne in The Hague, the Netherlands.  Airborne has experience in building dish structures e.g. for 

ALMA. The  Industrial project group  in general has experience with thermo plastic composites from 

design,  to analysis and calculation up  to production of high‐end components. Chalmers University 

provided  the  integral  radio  design  and  electro‐magnetic  calculations  for  the  overall  reflector  to 

which the electro‐magnetic design for the eleven feed up till now was  input. ASTRON provided the 

specifications and performed system‐ and mechanical design and RF testing of materials. At the end 

of the year, ASTRON will test the prototype dish‐unit – manufactured by the industrial project group 

– in one of their dishes for the Westerbork Synthesis Radio Telescope. 

The dish design of  the  concept  is based upon  the use of  thermoplastic material,  reinforced with 

carbon  fibre. Thermoplastic  carbon materials are used  in airplanes  for wing  structures  (e.g.  flaps) 

and in the automotive industry with relatively high plastic material costs. This concept uses a much 

cheaper resin while maintain an excellent (price‐ and other)performance and makes it more suitable 

for this type of product. 

From our study, thermoplastic carbon re‐enforced materials appear as an attractive material for use 

and implementation in low cost, high performance dish structures. Material and processing costs are 

lower  compared  to  traditional epoxy based  composite materials  and  in  respect  to  classical metal 

structures it has better performance in stiffness, a much lower weight and a higher thermal stability. 

On  top  of  that,  the material  can  still  be  processed  using  conventional methods  as welding  and 

machining, which makes it suitable for automated production.  

The  original  study  activity was  based  on  the  baseline  specifications  for  an  offset Gregorian  dish 

design. During the project the symmetric dish was specified and the study broadened towards this 

concept.  For  reference both dishes  (symmetric  and offset Gregorian) have been  studied, but  the 

baseline for the presented design in this document is the symmetric dish. 

1.1 Purpose of the document  

The  purpose  of  this  document  is  to  describe  the  technical  and  functional  characteristics  of  a 

symmetric dish  concept  for  SKA  as  input  for  the  SPDO Dish Array Concept Design Review  in  July 

2011, based on an  integral  industrial concept study together with RF design aspects through radio 

astronomy partners.  It  is  felt that based on the  initial results, this approach  is entirely suitable  for 

the SKA dish approach. It is a concept study and in global terms the telescope is described. The main 

part of the symmetric dish concept, is described in detail as the focus of this study is on performance 

and cost of  the dish structure. The other main part  is  the  feed design, suitable  for  this symmetric 

dish.  The  simulation  emphasis  is  on  higher  frequency  usage  but  do not  exclude  other  frequency 

ranges based on the dish principal approach. Other parts,  like the pedestal and drive systems have 

Page 10: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 10 of 50   

not  been  put  into  focus.  For  this  study  the  focus  is  on  dish  performance  and  cost  which  are 

addressed  in detail, clearly more development  is required. Plans to cover this with related risks are 

described at the end of the report. 

Page 11: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 11 of 50   

2 References  

[1] SKA Science Case 

[2] The Square Kilometre Array Design Reference Mission: SKA‐mid and SKA‐Lo v 0.4 

[3] SKA Dish Antenna Primary Design, Ver. 1.0, Presented by NAOC, 10th March 2011  

[4] Science Operations Plan 

[5] System Interfaces 

[6] Environmental requirements (natural and induced) 

[7] SKA strategies and philosophies 

[8] Risk Register 

[9]  Requirements Traceability 

[10]  Logistic Engineering Management Plan (LEMP) 

[11]  Risk Management Plan (RMP) 

[12]  Document Handling Procedure 

[13]  Project Dictionary 

[14]  Strategy to proceed to the next phase 

[15]  WP3 SKA array configuration report 

[16]  WP3 SKA site RFI environment report 

[17]  WP3 Troposphere measurement campaign report 

[18]  SKA Science‐Technology Trade‐off Process (WP2‐005.010.030‐MP‐004) 

[19]  SKA Monitoring and Control Strategy WP2‐005.065.000‐R‐001 Issue Draft E 

[20]  “The Square Kilometre Array”, Peter E. Dewdney, Peter  J. Hall, Richard T. Schilizzi, and T. 

Joseph L. W. Lazio, Proceedings of the IEEE Vol. 97,No. 8, August 2009 

[21]  System Engineering Management Plan (SEMP) WP2‐005.010.030‐MP‐001Reference 3 

[22]  SKA System Requirement Specification (SRS) 

[23]  SKA IP Policy Document 

[24]  Load Distribution on the Surface of Paraboloidal Reflector Antennas, M. Kron, JPL Technical 

Report 32‐1526, Vol. V 

[25]  Compilation of Wind Tunnel Coefficients for Parabolic Reflectors, R. Levy, D. Kurtz, Reprint 

from the Deep Space Network, Space Programs Summery, R. Levy, and K. Kurtz, Vol.  II, pp. 

36‐41, May 31, 1970 

[26]  Homologous Deformations of Tiltable Telescopes, S. Von Hoerner, Proc. ASCE, J. Struct. Div., 

93, ST5, October 1967 

[27]  US‐SKA 15m_SKA_Antenna_Design_P13_2010‐10‐20GL, Lacy and Flemming, October 2010 

[28]  SKA‐ASTRON‐PR‐466  Using  a  circular  cavity  to  determine  the  surface  resistivity  of  a 

conductor 

[29] SKA‐ASTRON‐PR‐465 Measurements Reflection of Composite Materials 

 

 

Page 12: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 12 of 50   

3 Context  

In  2009  a  Dutch  consortium  with  5  partners  was  set‐up  to  investigate  the  potential  of  a 

Thermoplastic Composite SKA Reflector (TC SKAR). The five Dutch partners are Airborne, DTC, KVE, 

TU Delft and ASTRON. Each of the partners has a history with processing thermoplastic material or a 

background in radio astronomy. Further information about the partners is summarised at the end of 

the report. 

The goal of the TC‐SKAR consortium was to develop a composite reflector concept that captured the 

advantages  of  lightweight  and  low  CTE  of  composite,  but  using  novel,  more  efficient  and 

industrialised  manufacturing  technologies.  Traditionally,  composite  structures  are  made  in 

thermoset composites such as carbon  fibre – epoxy. The manufacturing of such structures  involve 

laminating thin plies of composite material  in a mould, curing  for several hours  in an autoclave or 

oven under elevated pressure and temperature. Final assembly is typically done by bonding with an 

adhesive. These processes give high quality products that can be used for example  in highly  loaded 

aerospace structures, but are time consuming and  labour  intensive to produce. The ALMA antenna 

reflectors – as made by Airborne – are made with  these materials and processes. These 25 ALMA 

telescopes of 12 m diameter are made  in 5 years with a production  staff of  roughly 50  full‐time‐

equivalent. For SKA, many 100’s  to 1000’s  telescopes with even  larger diameters are needed and 

should be produced  in approximately the same period of time.  It  is obvious that simply scaling up 

the  current  state‐of‐the‐art  technology  is  not  practically  feasible.  Therefore,  a much  better  and 

efficient  design  and manufacturing  concept  needs  to  be  developed  that  provides  a  radical  step‐

change in production efficiency, and allows for a truly industrialised manufacturing method. The TC‐

SKAR consortium has developed a reflector concept in thermoplastic composite materials, which is a 

very different class of materials compared  to  the  traditional  thermoset materials. These materials 

can be formed into shape, like metals, and can be assembled by welding. The production cycle times 

are much  shorter, minutes  compared  to hours,  and  automated production  processes  like  stamp‐

forming and robotic welding can be used. 

As design parameters,  the  consortium  started with  the preliminary design  specifications  from  the 

SPDO office. The baseline design was  founded on offset dish designs available at that time. During 

the project ASTRON has taken the initiative to further detail the specifications to enable the team to 

optimise  the  design  to  a  realistic  set  of  requirements  for  symmetric  dishes.  Both  dish  types, 

symmetric and offset, are studied and reported in this document.  

3.1 SKA hierarchy  

The SKA Systems Engineering Management plan has defined multiple layers of hierarchy: 

L7: SKA User 

L6: System 

L5: Element 

L4: Sub‐System 

Page 13: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 13 of 50   

L3: Assembly 

L2: Component 

L1: Part 

Although not explicitly stated  in the SEMP, the hierarchical approach has the obvious advantage of 

breaking  down  the  complexity  of  the  system  without  loss  of  interdependencies.  Each  layer  is 

therefore  primarily  concerned  about  its  own  functionality  and  its  interface  to  the  immediately 

adjacent layers. 

Within  the  hierarchical  scheme,  the  Dish  Array  is  defined  at  the  element  level  deriving  its 

requirements  directly  from  a  subset  of  System  level  requirements.  In  turn,  the  sub‐system  level 

allows  the Dish Array element  to be partitioned  further  into  Level 4  functionality,  comprising  the 

Dish and Single Pixel Feed sub systems. Single Pixel Feeds are further divided into Feed Payload and 

Receiver assemblies at  level 3. Introducing these  layers of hierarchy ensures that the complexity of 

the  system  is  broken  down  such  that  an  individual  layers  only  have  to  deal with  their  relevant 

perspective of the system.  

 

 

Figure 1 Dish Array Hierarchy (adopted from SPDO) 

This document describes one option  for  the  level  4  sub  system,  the dish  itself. Besides  that,  the 

single pixel feeds are also described in connection to the performance of the dish reflectors.  

3.2 Role of the symmetric dish in the Dish Array  

The symmetric dish that has been studied  in depth by the team  is a potential SKA dish capable of 

accommodating  two  single  pixel  feeds  in  its  baseline  design.  For  this  study  the  eleven  feed 

developed by Chalmers Technical University in collaboration with Onsala Space Observatory is used. 

The design specifically addresses the functional and non‐functional requirements for the SKA; many 

of these requirements are unique to the SKA and relevant for dishes for SKA in both Phase 1 and 2. 

Page 14: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 14 of 50   

Although  in principle  feasible,  the present  study did not  investigate extensions and/or alternative 

designs incorporating phased array feed and multi‐combinations of feeds for lower frequencies then 

the specified minimum of 1 GHz. 

The present symmetric alt‐az dish study based on the carbon re‐enforced thermo plastic materials to 

be used in the dish reflecting structure is primarily motivated because of: 

(i) Its promise for low cost high performance dishes 

(ii) Its potential for mass production. 

(iii) Its  inherent simplicity and  low weight/stiff design  implies a relatively  low risk and  low  level 

maintainability effort 

The design of a symmetric dish with equatorial mount may provide “design wiggle room” but has not 

been  studied  given  the  latitude  range  due  to  the  spatial  extension  of  the  proposed  SKA  dishes 

including  the  SKA  core  sites  itself.   While probably hugely  impacting on  cost  and maintenance,  a 

third  rotation axis, as currently  implemented  in  the ASKAP system, can be  implemented  relatively 

straightforward if this turns out to be required for the realization of high dynamic range. 

 

 

3.3 Comparative discussion of Symmetric versus Gregorian offset reflector 

concept 

This report focuses on the symmetric design as it has many attractive features that could well offer a 

competitive advantageous concept for the SKA. In the paragraphs below a summarised description is 

given pointing out  important aspects relevant for further study toward a choice between antennas 

and advantages of a symmetric reflector when compared to a Gregorian offset. 

3.3.1 Discussion of the dish concept from an RF perspective  

There are significant inherent advantages in the RF performance of offset dual reflector designs such 

as  a  Gregorian.  These  have  been  summarized  in  the  literature  and  involve  higher  aperture 

efficiencies  and  on‐axis  improvement  of  polarization  performance  as  desirable  characteristics  for 

telecom antennas. For radio astronomy, the use of dual reflector designs also excludes the problem 

caused by the so‐called baseline ripple effect as a result of multiple reflections such as between the 

(suppose: ) prime focus receiver box and the apex of the main dish which is worsened by the trend 

toward wider bandwidth (as  in the SKA) excludes. However, this effect  is most  important  in dishes 

operating as single, total power telescopes e.g. such as in the GBT in the US, but this is not the use 

case  for the SKA where differential effects are more  important. The blockage by the  legs and  feed 

support  structures most  importantly  for  symmetric  dishes  and  other  effects  cause  a‐symmetric 

footprints on the rotating sky such as in alt‐az telescopes being studied for the SKA which is seen as 

undesirable  for high dynamic  range observations. This effect  is  largely absent  in symmetric dishes 

employing  a third‐axis rotation of the whole reflector/feed structure such as in the ASKAP antennas. 

On  the other hand, offset dishes  inherently have high  a‐symmetric  radio performance behaviour 

outside  the mainbeam,  spillover  (noise)  effects  vs  elevation,  possible  effects  of  structural  design 

aspects caused by its dual reflector surface including its surface and have a larger cross polarization 

from boresight. The effects of surface imperfections (apart from rms‐surface errors) are e.g. caused 

Page 15: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 15 of 50   

by  the  inter‐panel  spacing  holds  also  for  symmetric  dishes  but  its  effect  translates  into  an  axi‐

symmetric  pattern.  Note  also  that  the  a‐symmetric  weight  distribution  over  elevation  and  its 

relatively large effect of sensitivity performance over elevation could largely offsets the intrinsically 

higher aperture efficiency of offset Gregorian reflectors (see chapter 7). 

 

The  SKA  poses  constraints  involving  all  these  aspects  but  at  the  same  time  call  for  excessive 

simplicity vis a vis low maintainability and low cost while offering stable and high radio performance 

over  frequency  and  pointing  position.  For  this  the  symmetric  dishes  could  become  a  serious 

candidate dish design solicitor.  

 

3.3.2 Discussion from scientific / electromagnetic perspective  

Some key elements pertaining to the scientific performance of dishes have been addressed before. 

Aspects like the blocking caused by the support struts and other a‐symmetric and symmetric effects 

(see e.g.  the paragraph above), adversely affect the  imaging performance of the array. Details are 

domain of active modelling and lead to the 3‐axis sky de‐rotating design exercised in ASKAP.  

For the symmetric dish design,  it is important to incorporate design rules that are known to negate 

adverse effect to the image quality e.g. by choosing a strut design with smallest optical shadowing to 

ensure smallest diffraction and other effects as is done in our design approach. 

Other more quantitative aspects of  the e.m. and RF design are covered  in chapter 7. As we were 

keen  to  do  an  overall  Radio  performance  assessment, we  choose  a  symmetric  dish with  an  F/D 

(=focal  distance  to  dish  diameter)  ratio  of  0.42  within  a  range  of  optimal  (although  smooth) 

performance  of  the  feed  allowing  for  optimized  sensitivity  performance  for  low  noise  receiver 

systems. The structural design therefore  is based on this F/D ratio although not critically depended 

on it. 

 

3.3.3 Structural design 

The major axis of the ellipse of the Gregorian offset reflector  is  larger than the radius of a 

symmetric  reflector.  The  bending  stresses  and  deformations  of  a  beam  (e.g.  stiffener  of 

reflector) are proportional to its length squared. Therefore, the required structural mass of a 

Gregorian offset will increase significantly with respect to a symmetric design and this can be 

up to twice the weight compared with symmetric design. 

The  loading on a Gregorian offset  reflector  is  inherently asymmetrical  resulting  in  further 

weight penalties.  

The extra weight of  the  sub  reflector adds  to  the gravity  load  case,  so an even  stiffer  rib 

design is required. 

All  the  points mentioned  above  have  a  direct  effect  on  the mass  of  the  reflector.  The 

additional  mass  however  also  has  a  secondary  effect  resulting  in  higher  material 

requirements. 

Page 16: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 16 of 50   

Besides the penalties on the design itself, it is much more difficult to design and optimize a 

Gregorian offset reflector. 

3.3.4 Manufacturing cost 

Studies for a Gregorian dish show the skin is significantly (about 25%) larger with additional 

30‐50% extra material in the frame structure. Composite material use is a large factor in the 

overall costs, so it is important to keep weight down. 

All the required reflector parts are different, what makes logistics and assembly of the parts 

much more difficult and brings additional costs. 

All  the  required  reflector  parts  are  different,  which  in  our  concept  will  lead  to  more 

specialised tooling and moulds. This will add to the non‐recurring costs.  

Quality control efforts are more demanding as more different parts and geometries need to 

be controlled 

Parts are less interchangeable 

Repeatability  of  the  assembly  process  is  limited,  so  more  deviations  can  occur  in 

manufacturing accuracy 

Weld lines of the ribs do not coincide with the panel geometry, which results in double the 

welding efforts 

The dish is larger and heavier, which makes it more difficult to move to the construction site 

From our initial study in the TC SKAR project the points mentioned above result in recurring 

costs are 60‐70% higher than a symmetric design 

Page 17: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 17 of 50   

 

4 Requirements 

This  section  of  the  document  will  describe  how  the  proposed  sub  system  will  address  the 

requirements  for  the  Dish  Array,  which  are  derived  from  the  system  requirements  [21]  and 

ultimately  the  science  requirements.  These  include  both  the  functional  and  non‐functional 

requirements. The table below summarises the requirements used in this study. 

 Table 1 SKA reflector requirements by ASTRON 

Page 18: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 18 of 50   

Key elements in the dish design relate to: 

• Imaging dynamic range • Mass manufacture • Operating cost • Feed flexibility  • Rapid installation • Maximising A/T per unit system cost (i.e. including signal transport, signal processing, 

computing etc.) • Minimising maintenance cost • Electromagnetic compatibility  

Not all are addressed in detail in this report but the design approach and its general results warrants  further detailed study.  

4.1 Functional Requirements – reflector structure 

From  the  general  specification  from  ASTRON  a  choice  has  been  made  on  specifications  that 

represent a worst‐case  load or most  challenging design  for  the  reflector dish  structure. Following 

specifications have been taken into the design of the reflector dish: 

Top level requirements 

Diameter 15 meter 

Focal Ratio 0.42 

Frequency range 1,2 tot 10 GHz 

Accuracy overall 1mm RMS 

Product lifetime minimal 30 years  

Operational requirements 

Elevation range from 15 to 91 degrees 

Wind speed 12 m / sec 

Ambient Temperature from 1 to 40 degrees Celcius 

Solar irradiation 980 W / m2 

Humidity max 100%  

Product design aspects 

Stow wind speed max 18 m / sec 

Survival wind speed max 45 m / sec 

Maintenance interval around 5 years 

Lightning protection on construction  

Aspect requirements 

Feed Weight is max 170 kg 

Feed Mount type 4 legs attached to dish edge 

Page 19: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 19 of 50   

 

4.2 Specification compliance – reflector structure 

Top level specifications 

The design concept of the thermoplastic reflector allows  for variations  in  the diameter,  focal  ratio 

and  frequency without any  complications. By optimising  the design  for a given  set of parameters 

(within the boundaries of the ASTRON spec), the RMS can be easily met. 

The manufacturing accuracy and assembly will contribute  to the  final RMS. This effect  is currently 

being researched by making large skin sections for an existing ASTRON reflector at Westerbork and 

testing them amongst others on reflective performance. 

The required lifetime is dependent on the choice of base material and coating. The performance of 

the composite material is now being tested by the Technical University of Delft. The reflector will be 

finished with a durable coating. With coatings there are years of experience in protecting composite 

components in aerospace and windmill applications. 

Operational specifications 

All these specifications are taken into account in the RMS calculation. The given values represent the 

worst‐case load (or summation of loads) on the reflector dish. 

The temperature and wind load cases in normal operation will be lower than the extreme load cases 

shown. Performances refer to nominal operational condition. 

Because of the fully integrated and welded design of the reflector, the maintenance interval can be 5 

years. The quality of the coating is herein a critical component that needs periodic inspection. 

Product design aspects 

In  the  design  of  the  reflector,  the  stiffness  is  the  leading  parameter  for  the  geometry  of  the 

structure.  The  strength  of  the  dish  therefore will  not  be  an  issue  for  specified  loads.  Resonance 

analyses of the surfaces under extreme load conditions still need to be performed.  

Lightning protection can be added by ground wiring all reflective meshes  in the panels (if required) 

and putting a ground wire on the feed, which is the highest point in stormy conditions. Even when a 

panel has been damaged due to  lightning strike (or other cause), there  is a possibility to replace  it 

with a new panel or to repair it as the thermoplastic material can be welded again. 

The different skin panels are not electrically connected to each other, but research from ASTRON in 

the TC SKAR project in 2011 shows that this does not significantly influence the performance of the 

reflector. 

Aspect requirements 

The maximum feed weight and worst‐case location of the feed support (edge of skin) have now been 

taken  into  account.  With  these  requirements,  the  design  performs  within  specification. 

Nevertheless, the feed weight significantly influences the RMS values. It is expected that for the SKA 

Page 20: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 20 of 50   

programme,  specifically  designed  and  miniaturised  equipment  for  the  feed  will  be  available, 

reducing the feed weight, and hence further improving the performance of the dish. For illustration 

purpose  the present weight of APERTIF  is  less  than 60kg, with miniature coolers will probably not 

exceed similar weight. 

Page 21: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 21 of 50   

5 Main reflector design 

This  chapter will  elaborate  on  the  symmetrical  reflector  design  that  has  been made within  the 

TC SKAR project. 

5.1 Material selection 

Composite  is  increasingly  used  for  all  sorts  of  components  in  different markets.  The material  is 

lightweight and has high performance properties, which often outperform metal equivalents. A large 

integrated  structure  as  a  reflector  dish  embeds  several  features where  the  choice  for  composite 

materials is beneficial. Some features are discussed below: 

Weight does not only influence the required strength & stiffness of the reflector frame construction, 

it  also  influences  the  requirements  on  the  pedestal  and  its  actuator  system.  It  is  beneficial  for 

transport of the reflector, material costs, pedestal design, and required actuators that the weight of 

the reflector itself is kept to a minimum. With a composite solution, weight can typically be reduced 

with 30% compared to a steel / aluminium option. 

Reflectivity  of  the  dish  surface  is  very  important  for  the  total  performance  of  the  reflector. 

Composite material in itself is not a good electrical conductor, but the material has the flexibility to 

embed  a  thin metal mesh with  little  effort.  This  gives  the  reflective performance without  adding 

much weight (2.5 % of the total reflector weight) and doubles as a lightning protection. 

RMS performance of the design needs to be consistent  in various  load cases. On gravity and wind 

load cases, the carbon composite material contributes to a higher stiffness and  lower weight. Both 

are beneficial to the performance. Additionally, the thermal coefficient of Carbon based composite is 

lower than metal solution, which also favours the choice of composite material. Another advantage 

of composites over metal  is  the better  fatigue properties. Especially aluminium  is very susceptible 

for fatigue, which can reduce the lifetime of the telescope. The use of composites will decrease the 

fatigue issues and therefore can increase the lifetime of the telescope. 

Atmospheric  influences  (weather, UV, heat etc) have an  impact on all materials; also resins within 

composite materials  can  be  sensitive  to  specific  items.  Therefore,  a  robust  coating  is  applied  to 

protect the material from the atmospheric influences (especially UV). The coating will ensure a long 

lifetime of the product. 

The choice for thermoplastic composite: 

Thermoplastic  composite  is  a  material,  which  becomes  more  and  more  available  with  high 

performance  properties.  The  material  is  tougher,  more  ductile  and  robust  compared  to  metal 

options. Certainly  in combination with carbon  fibres  these material outperform any aluminium or 

steel constructions. The material can be shaped with fibre placement, thermoforming; welding and 

conventional cutting operations and all processes have potential to be (partly) automated. 

The TC SKAR consortium aims to use an efficient, industrialised production process, which makes use 

of  a  selection of  these  automated production processes. With  this  concept  the  aim  is  to make  a 

“step  change”  in  production  efficiency,  as  the  thermoplastic  material  (light  weight  reflector 

construction) will be used in combination with the new automated production technologies. 

Page 22: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 22 of 50   

In comparison with thermoset composite material, the energy used when processing thermoplastic 

material  is much  lower;  this  leaves a  lower environmental  footprint. The thermoplastic material  is 

also suitable for recycling and enables repair of damages. 

5.2 Structural design 

The baseline design of the reflector uses a stiffened skin with several different stiffeners, see Figure 

4 Error! Reference source not found.. The entire structure will be build from the same raw material ‐ 

a thermoplastic carbon based composite ‐and is manufactured using a single automated production 

processes, or a variation on it. 

 

Figure 2 Overview symmetric reflector design 

 

 

 

All the stiffeners will be build up from relative simple parts which are welded together, see Figure 3. 

The T‐stiffener consists of a web, a girder, two corner profiles connecting the girder to the web, and 

two corner profiles to connect the stiffener to the skin. The blade stiffener consists of only a web 

and two corner profiles to connect it to the skin.  

A  T‐stiffener  is more  efficient  (higher  bending  stiffness  per mass) when  compared  to  the  blade‐

stiffener,  it  is however also more difficult to produce. Therefore, the T‐stiffener  is selected for the 

more critical and higher  loaded  regions, whereas  the blade‐stiffener  is used  in  regions with  lower 

requirements.  

Page 23: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 23 of 50   

 

   

Figure 3 Stiffener cross‐sections. Left: T‐stiffener. Right: Blade stiffener 

 

The stiffeners are also dimensioned differently so all the material  is used as effectively as possible. 

Below the different type of stiffeners are listed, starting in the centre moving out radial, see Figure 4.  

Tangential stiffeners: 

Ring 1: non‐critical blade stiffener 

Centre: Critical blade stiffener, reflector is mounted on this ring to the pedestal 

Mid‐ring: low, non‐critical blade stiffener in the centre 

Outer ring: Semi‐critical blade stiffener  

Radial stiffeners: 

Radial mid‐ring: low, non‐critical blade stiffener in the centre 

Quadra pod stiffeners section 1: Critical and relative heavy T‐stiffener 

Non‐quadra pod stiffener section 1: semi‐critical T‐stiffener 

Quadra pod stiffeners section 2: Critical and relative heavy T‐stiffener 

Non‐quadra pod stiffener section 2: semi‐critical blade‐stiffener   

Page 24: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 24 of 50   

 

Figure 4 Overview of different stiffeners depicting one quarter of the reflector 

 

The  selected material and geometry ensure a  stiff structure with a  low  sensitivity  to  temperature 

changes. This results in a total weight of the integrated reflector structure of only 1580kg. 

5.3 Structural analysis 

The current design is analyzed using a Finite Element Analysis (FEA) with MSC Marc & Mentat 2010. 

First  the  different  load  cases  are  discussed  followed  by  the  FEA  results.  The  final  subsection 

describes the rms performance of the current design for different (combinations of) load cases. 

5.3.1 Material properties 

As mentioned previously, the reflector will be build  from a carbon  fibre based composite material 

(Carbon Fibre Reinforced Plastic CFRP). The typical properties of a carbon based composite material 

are tabulated below in Table 2. 

 

Concurrently  with  the  preliminary  design  phase,  the  Technical  University  of  Delft  has  been 

characterising  the mechanical  properties  of  the  proposed material.  So  far  the  standard material 

Page 25: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 25 of 50   

properties at room temperature, and at an elevated temperature, have been tested. The results of 

these tests have been used as input for the structural analysis.  

Property  Value  [Unit] 

Modulus of elasticity of uni directional CFRP (E11)  90 [GPa]

Modulus of elasticity of 0/90 ply CFRP  45 [GPa]

Modulus of elasticity of Quasi Isotropic CFRP  32 [GPa] 

Tensile / compressive strength 0/90 ply CFRP  700 [MPa] 

CTE carbon fibres  ‐3.6 ∙ 10‐7 [1/°C]

CTE matrix material  3.0 – 7.0 ∙ 10‐5 [1/°C] 

CTE CFRP  3.0 – 7.0 ∙ 10‐6 [1/°C] 

Material density  1550 [kg/m3]

Table 2 Typical CFRP material properties 

The CTE properties of  the composite material are mostly dependent on  the CTE properties of  the 

carbon fibres. The fibre properties are already known and therefore the expected CTE properties of 

the composite material can be estimated relatively accurate. The CTE values used for the structural 

analysis  are  based  on  the  experience  from  previous  projects.  A worst  case  CTE  value  has  been 

calculated and used  in an extra structural analysis to mitigate the risk associated with an  incorrect 

assumption for the CTE value. The resulting performance of the reflector is still admissible. 

Creep for the pure thermoplastic material is unknown and could be an issue, but since it is combined 

with  carbon‐fibers  (which  have  very  little  creep)  the  effect  is  minimized.  Currently  the  CF/TP 

material is being tested at the TU Delft for creep properties, both at room‐temperature and elevated 

temperature. Creep is higher for increased temperatures, so it is necessary to pay extra attention to 

the properties at increased temperatures at which the telescopes will function. Relatively low loads 

in  the  structure  –  as  the  design  is  optimised  for  stiffness  –  help  the  material  against  creep 

occurrence. 

The material  test programme  is ongoing  at  the Technical University of Delft  and  soon  results  for 

creep, creep at elevated temperature, CTE, and influence of environmental conditions are expected. 

Additional design iteration is required to investigate the influence of the tested values. 

 

5.3.2 Load cases 

5.3.2.1 Gravity 

The gravity is modelled with different elevations. Using these results it is possible to calculate rms as 

function of elevation. 

Page 26: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 26 of 50   

5.3.2.2 Thermal loading 

From calculations with the given weather parameters and measurements done on painted reflector 

surfaces, several thermal load cases are modelled to investigate the influence on the performance of 

the reflector. In a typical situation, with an ambient temperature of 30 [°C], a solar irradiation of 750 

[Watt/m2],  and  a wind  speed of 4  [m/s],  it  is expected  that  the  skin will  reach  a  temperature of 

approximately 33 [°C] while the backup structure reaches 37 [°C]. 

A temperature of 58 degrees  is calculated as the worst case when no convection or conduction  is 

taken  into account and solar radiation  is at the maximum with 100% humidity. An additional worst 

case load case of 70 degrees is added to represent built up of dust etc. on the surface. 

It  is  difficult  to  predict  the  temperature  distribution within  the  reflector  structure  due  to  solar 

radiation,  and  during  warming  up  and  cooling  down.  Therefore,  a  conservative  temperature 

difference between  the  reflector  skin  and backup  structure of approximately 20°C  is modelled.  It 

should be noted that such a high temperature difference is not expected and unlikely to occur. 

The following thermal load cases have been modelled: 

Thermal load case 1: Skin temperature of 33 [°C] and backup structure of 37 [°C] 

Thermal load case 2: Constant temperature of 58 [°C] 

Thermal load case 3: Constant temperature of 70 [°C] 

Thermal load case 4: Skin temperature of 40 [°C] and backup structure of 58 [°C]  

Thermal load case 5: Skin temperature of 50 [°C] and backup structure of 70 [°C]  

5.3.2.3 Wind loading 

At  this  stage  there  are  no  accurate  aerodynamic  loads  for  the  current  design  available.  The 

preliminary wind loading assumed a constant pressure on the reflector. The next wind load cases are 

based  on  an  aerodynamic  data  as measured  by  Kron  [24].  These measurements were  however 

performed on a model with an f/D ratio of 0.33 instead of 0.42 which is used for the current design. 

However, from earlier work of Levy and Kurtz (1970) [25] it is known that the loading on a reflector 

with  a  lower  f/D  ratio  is  actually  higher,  and  therefore  this  load  case  is  conservative.  The 

aerodynamic  pressures were measured  for  several  elevation  angles.  From  the work  of  Levy  and 

Kurtz (1970)  it  is known that the worst case axial force and pitching moment combinations can be 

expected for an elevation of 60° and 120°. Therefore, the following wind load cases were modelled: 

 

Wind load case 1: An elevation of 60 [°] [24], wind speed of 4 [m/s] 

Wind load case 2: An elevation of 120 [°] [24] , wind speed of 4 [m/s] 

Wind load case 3: An elevation of 60 [°] [24], wind speed of 12 [m/s] 

Wind load case 4: An elevation of 120 [°] [24] , wind speed of 12 [m/s] 

Page 27: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 27 of 50   

 

5.3.3 FEA results 

Some  typical  FEA  displacement  results  are  depicted  in  Figure  5.  The  replacement  results  of  the 

reflector surface are subsequently used to determine the rms performance of the reflector. 

The  design  is  also  checked  for  buckling  to  ensure  the  stability  of  the  structure.  At  a worst  case 

loading situation, e.g. wind load case 2 + thermal load case 4 + gravity at an elevation of 60 degrees, 

the structure still has a reserve factor of 3.0 with respect to buckling. 

 

 

Figure 5 FEA displacement results. Left: Displacement results wind load case 2. Top right: Displacements for 

thermal load case 4. Bottom right: gravity at 0 degree elevation 

5.3.4 Performance 

To evaluate the performance of the current design the deformation of the reflector  is analyzed for 

different  (combinations  of)  load  cases.  With  these  deformations,  the  root‐mean‐square  half‐

pathlength  errors  (rms)  have  been  analyzed.  At  this  stage,  the  displacement  of  the  feed  due  to 

external loading is not considered. 

Based on the deformation a homologic design  is considered  to better understand  the  influence of 

the deformations on  the  sensitivity of  the antenna. First of all,  the pointing error  induced by  the 

gravitational deformations  is considered. The  rms value caused by gravity, adjusted  for gravity  re‐

Page 28: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 28 of 50   

pointing,  is plotted  for  the  required elevation  range  in Figure 6.   Also,  the  required  re‐pointing  is 

depicted on the secondary axis. 

The maximum  rms caused by gravity  is 0.49  [mm] and occurs when  the elevation  is 90  [degrees]. 

From the analysis  it  is apparent that the gravitational  load of the  feed and  its support  is  the most 

important  contributor  to  the  deformation.  It  is  expected  that  this  contribution  can  be  reduced 

significantly with more design iterations, without increasing the total structural mass. 

 

Figure 6 rms and pointing error as function of elevation 

Secondly,  the  influence  of  the  axial  and  lateral  defocus  are  considered  by  determining  the  rms 

performance with respect to the best  fit parabolic surface, based on the six homology parameters 

described  by  von  Hoerner  in  [26].  The  remaining  rms  value  can  be  considered  as  real  random 

deformations.  The  effects  of  axial  or  lateral  defocus  are  less  severe when  compared  to  random 

deformations;  they however still  influence  the performance. The  total effect  is hence comparable 

with  an  rms  value  somewhere between  the best  fitted  value,  and  the  value  including  gravity  re‐

pointing. 

Until here only the deviations from the perfect reflector surface due to external  loading have been 

considered. The  requirements however dictate  the performance of  the  reflector as built,  implying 

that the manufacturing and assembly imperfections have to be considered as well. At this stage the 

attainable manufacturing  and  assembly  accuracy  is not  known.  The  assembly process  is however 

designed  such  that  the  imperfections  incurred by  the manufacturing  process do not  accumulate. 

Therefore,  and  from  experience  with  similar  products,  it  is  expected  that  an  rms  value  due  to 

manufacturing  and  assembly  of  0.4  [mm]  is  realistic.  To  be  conservative  a  value  of  0.5  [mm]  is 

assumed. This assumption will be validated by manufacturing and measuring several reflector panels 

for the Westerbork Synthesis Radio Telescope (WSRT). 

Page 29: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 29 of 50   

The rms performance for different typical load cases are tabulated in Table 3. The total typical values 

are calculated by combining the displacement results of the different load cases and then calculating 

the  rms  value.  The  total  typical  value  including  the manufacturing  and  assembly  imperfections  is 

calculated as the root of the sum of squares: 

 

Description rms original surface 

rms incl. gravity re­pointing 

rms fitted surface 

Gravity 15 degrees elevation 

0.71  0.25  0.25 

Gravity 60 degrees elevation 

0.47  0.37  0.34 

Gravity 90 degrees elevation 

0.49  0.49  0.44 

Typical thermal (thermal load case 1) 

0.05  ‐  0.04 

Typical wind (4 [m/s]), 60 degrees elevation. (wind load case 1) 

0.09  ‐  0.06 

Typical wind (4 [m/s]), 120 degrees elevation. (wind load case 2) 

0.07  ‐  0.02 

Total typical (thermal + wind + gravity, 60 degrees elevation) 

0.53  0.44  0.41 

Manufacturing and assembly accuracy 

0.5  0.5  0.5 

Total typical incl. manufacturing and assembly 

0.73  0.67  0.65 

Table 3 rms performance during typical conditions 

 

Page 30: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 30 of 50   

From  the  results  presented  in  Table  3  it  can  be  seen  that  the  maximum  expected  rms  value 

(including  gravity  re‐pointing)  is 0.67  [mm]  and  therefore  it  can be  concluded  that during  typical 

conditions the current design will meet the requirements easily. 

Next, the performance of the current design during more extreme conditions has been analyzed. The 

results  in Table 4 show  that  the current design will meet  the  requirement of an rms  lower than 1 

[mm] even in unrealistically extreme combination of worst case load cases. 

 

Description  rms original surface  rms fitted surface 

Thermal load case 2  0.38  0.07 

Thermal load case 3  0.52  0.1 

Thermal load case 4  0.22  0.20 

Thermal load case 5  0.22  0.21 

Wind 12 [m/s], 60 degrees elevation. (wind load case 3) 

0.78  0.55 

Wind 12 [m/s], 120 degrees elevation. (wind load case 4) 

0.65  0.17 

Total extreme conditions (thermal load case 4 + gravity + wind 12 [m/s] (wind load case 3), elevation of 60 [degrees]) 

0.79  0.73 

Total extreme conditions typical incl. manufacturing and 

assembly 

0.93  0.88 

Table 4 rms values for more extreme conditions. * rms value including gravity re‐pointing  

 

Page 31: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 31 of 50   

6 Antenna mount design 

There are  in principal two mount concepts: equatorial mount and the altazimuth mount. The main 

reason for choosing the altazimuth mount for SKA dish telescopes is that that the telescope location 

varies, which means that in case of and equatorial mount each telescope needs a different polar axis 

angle depending on its  latitude location. The disadvantage of an altazimuth mount is that it cannot 

track the sky without  introducing a field rotation. This could be solved by adding a third axis which 

counter rotates the whole dish including the feed system. In this stage the choice has been made not 

to add  the  third  rotating axis  since  it  is not clear whether  this  is necessary. The  third axis  can be 

added at a later stage when necessary. 

6.1 Pedestal design 

The pedestal has got the following functions: 

Creating vertical distance such that the dish can track the sky without impacting the ground 

Strong and stiff support to accommodate the dish 

Support the azimuth and altitude axis and drive system 

Housing for drive and signal electronics  

The pedestal has got a cone shape to minimize material use and maximize stability also  it ensures 

that the azimuth and alt axis are as close as possible to the dish feed system centre of mass. 

The pedestal will interface with the 3m diameter supporting ring of the dish. 

 

 Figure 7: Dish and pedestal 

 

6.2 Balancing  

The mass  on  the  alt  axis  (dish  plus  feed  system)  needs  to  be  balanced  so  that  the  load  on  the 

bearings and drive system is minimised and play/flexure in the drive system does not give a sudden 

movement when the dish is moving through zenith. 

Page 32: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 32 of 50   

6.3 Drive system 

The drive system for both axes are based on a commercial available components baseline concept is 

based  on  an  electric motor with  for  instance  a worm‐gear  drive.  Same  approach  applies  for  the 

control unit will also be based on standard components. The type of control soft‐ and hardware is to 

be defined, but should be relative robust and stable  like plc based systems or any other  industrial 

system suitable for the requirements of the telescope. 

 

7 Telescope Electro‐magnetic design 

This  chapter offers quantitative aspects of  the electromagnetic  . and RF design primarily done by 

Chalmers Technical University (Chalmers)  in collaboration with Onsala Space Observatory (OSO). As 

we wished to do an overall Radio performance assessment, we choose a symmetric dish with an F/D 

(=focal  distance  to  dish  diameter)  ratio  of  0.42  within  a  range  of  optimal  (although  smooth) 

performance  of  the  feed  allowing  for  optimized  sensitivity  performance  for  low  noise  receiver 

systems. The structural design therefore  is based on this F/D ratio although not critically depended 

on  it.  For  illustration  purposes  some  performance  results  are  compared  with  the  results  of  a 

representative offset Gregorian design all using the same so called eleven feed from Chalmers. 

 

7.1 Telescope Electro‐magnetic analysis 

This chapter briefly describes some initial results of the end‐to‐end telescope‐feed performance. 

7.1.1 Eleven feed 

The  so‐called Eleven antenna  feed used  in  this  study  results  from years of  intensive development 

work  at  the  Chalmers  antenna  group  lead  by  Prof.  Per‐Simon  Kildal.  The  electromagnetic  

performance of this multi‐octave feed is most suitable for antennas with F/D ratios  around 0.35‐0.5, 

and the simulations presented here were done by OSO/Chalmers.  

Our simulations consider different receiver noise levels which realistically can be seen as maximum  

and minimum values while assuming a  fixed F/D of 0.4  i.e essentially  the  same as  the  symmetric 

mechanical design of  this  study. Results are  shown depicting  the performance of  the “sensitivity” 

(being defined as the effective aperture area to system noise ratio) against e.g. elevation angle. 

Page 33: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 33 of 50   

 

7.1.2 Overview of Results 

 

Figure 8: Sensitivity and system noise temperature versus elevation angle for the symmetric dish 

Shown are the system noise and the sensitivity as defined earlier as a function of the elevation angle 

for the Eleven antenna feed in combination with a symmetric prime focus dish studied here at a spot 

frequency of  5.6GHz. As  in  the  curves  below,  the  receiver  noise  is  a  parameter  in  the  plots  and 

realistically varies between 10‐20K (for  very high performance low noise cooled receivers) and  20‐

30K for less sensitive uncooled systems . 

Page 34: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 34 of 50   

 

Figure 9: Sensitivity and system noise versus elevation for a Gregorian dish 

The plots show similar graphs as before now pertaining to a representative offset Gregorian design. 

Not unexpectedly  the graphs show strong elevation dependence of  the system noise  temperature 

and sensitivity..  

 

Figure  10:  Comparative  sensitivity  performance  versus  elevation  angle  between  symmetric  and  offset 

Gregorian antenna systems 

Page 35: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 35 of 50   

The  graphs  show  sensitivity  plots  versus  elevation  for  both  designs  for  different  receiver  noise 

contributions.  Although  only  preliminary  results  are  shown,  the  results  for  both  dish  types  are 

roughly comparable showing  improved relative performance for symmetric dishes for  low and high 

elevation angles over approximately 90 degrees. The consequences of this may be  relevant  to  the 

science to be done e.g. performance for all sky surveys will be approximately equal for both designs. 

Inserted in the diagram are two plots of the aperture efficiencies versus frequency of the dual offset 

and the symmetric dish both  illuminated with a wide band  (i.e. eleven‐)  feed.   As predicted, while 

the dual reflector system shows a much 10‐15% higher efficiency, the overall sensitivity  is not that 

different; see the discussion above. 

 

Figure 11: Antenna far field pattern for both dish types illuminated with the Eleven antenna feed 

Note: the inherent a‐symmetry of the offset Gregorian antenna pattern that remains for all elevation 

angles. The sensitivity effects of the earlier plots originate from these a‐symmetries weighted by the 

warm earth temperature.  

The diagram  illustrates the relatively  large a‐symmetry of the offset dual reflector as compared to 

the  symmetric design. The  simulations have been done over  all elevation  angles  and  frequencies 

between 2 and 16 GHz and essentially show the same behaviour over the  elevation angles. Aspects 

like  these  are  important  in  a  final  dish  assessment  from  the  perspective  of  high  dynamic  range 

imaging.    

 

Page 36: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 36 of 50   

 

7.2 Feed selection mechanism 

A  feed  selection  mechanism  will  offer  the  possibility  to  switch  two  different  types  of  feeds. 

Depending on  the  appearance of both  feeds  a mechanism  can be designed  aiming  for  simplicity, 

reliability and low cost. The mechanism will be a distance controlled system allowing switching feeds 

instantaneous. Different concepts for switching mechanisms are available which can rotate or turn‐ 

over another feed in focus. Since only between two feeds need to be switched, the mechanism can 

be rather simple and lightweight, unlike the revolver unit used by the WSRT which contains receivers 

for eight frequency bands. ASTRON also has experience with lightweight tumble mechanisms which 

allows switching quickly to another receiver. 

7.3 Feed box struts  

The  feed box struts will be made out of off‐the‐shelf carbon  fibre composite tubes. The struts will 

form a basic truss structure. These structures will have a  length of around 8.5 meters to reach the 

focal point of the telescope. Carbon‐fibre is needed to reach the stiffness and the low CTE such that 

the  requirements  can be  fulfilled. Any  struts will  cause a disturbance  in  the  signal;  therefore  it  is 

necessary to make the frontal area as small as possible. The weight estimation for the four feed box 

struts is 90 kg in total. 

The carbon‐fibre composite tubes can also be made in an oval shape, which will decrease the frontal 

area of the struts. 

Page 37: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 37 of 50   

 

7.4 Dish performance 

Within the TC‐SKAR project various composites were investigated. During the selection for dish material at first the dielectric properties were measured. The measured relative dielectric constant of the base material is approximately 4.2. The loss tangent is around 0.01 for frequencies less than 4 GHz. The measurement is not influenced significantly by the orientation of the sample. At higher frequencies the measurement is less reproducible. The dielectric properties were measured since the reflective layer within the composite (metal mesh) is embedded and not entirely at the surface. The document available on these measurements is SKA‐ASTRON‐RP‐463.  To determine the surface resistivity of the composite materials a circular cavity made of aluminium is used. With this cavity a reference measurement can be done. The surface resistivity is calculated from the measured resonance frequency, quality factor and loss. The details of the measurement method are described in ASTRON‐PR‐466.  To first order, the surface resistivity can be used to calculate the contribution to the noise temperature if the material is used as reflector for a parabolic dish antenna. This contribution Tn can be calculated by  

phen TT2

1                      (1) 

 with Γe the effective reflection coefficient of the reflector and Tph the physical temperature of the material, The effective reflection coefficient Γe is calculated by  

0

41

s

e

R

                    (2)  with Rs the surface resistivity and η0 the wave impedance of vacuum (approximated by 120π).  To check if a material is leaky each sample is measured two times. One measurement is performed with the sample on an RF absorber. A second measurement is performed with the sample on an aluminium plate. If the sample is not transparent both measurements must give the same result. If a material is leaky the effect of the absorber or aluminium plate influences the measurement. The two materials with the lowest noise temperature contribution may contribute between 1‐1.5 K.  In theory the measurements are independent of the orientation of the sample because the field distribution of the mode that is measured is independent of azimuthal direction. To check this, rough measurements were done with all the samples. Four samples showed a dependency on the orientation. The measured S21 at resonance shows a difference of about 5 dB if these samples are rotated 90 degrees. These samples were investigated further. This variation does not have a significant effect on calculated noise temperature contribution. More details on the resistivity can be found in SKA‐ASTRON‐RP‐465  Since  the dish will be assembled out of multiple panels  the  influence of gaps between  the panels 

were studied. It turns out that for small gaps the effective area is linear to panel area thus amount of 

gaps. For large gaps other parameters have influence and the rule of thumb doesn’t apply anymore. 

Page 38: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 38 of 50   

This  requires  further  investigation. At  this point only  simulations up  to  5 GHz were  done due  to 

limitations of the simulator. Panel size and gap size are currently under investigation. Simulations at 

this point show gaps can be expected to be less than 10mm. 

 

Dish parameters simulation 

 

Dish:  diameter:  10  m,  F/D‐ratio:  0.35,  radii  of 

circular gaps: 1, 2 and 4 m 

 

Feed: simple tapered pattern (exponential taper, 

taper  ‐20  dB @  55  degrees  (edge  of  the  dish), 

Xpol: ‐600 dB, linear polarization 

 

Tground=300 K, Tsky=0 K 

 

 

 

Figure 12: Dish parameter simulation results 

Page 39: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 39 of 50   

 

8 Manufacturing cost estimate 

This chapter describes the manufacturing process and all  its supporting efforts which combine  in a 

total recurring cost for the complete reflector structure. Additionally the costs for the feed struts are 

described and a generic approach for packaging, transportation and integration on site is given.  

8.1 Manufacturing process  

Skin sections 

The composite reflector skin is build up with 5 types (different shape) of skin panels with an average 

area of about 2 m2 (around 90 panels), which are at different distances from the centre. Each type 

has multiple panels per reflector, which enables high volume production. The panels are made with 

a  press  forming  technique,  which  gives  them  the  desired  curvature  and  which  integrates  the 

reflective mesh in one production step. Each panel is then trimmed to final size with an automated 

process, ready to be assembled.  

Centre ring 

This composite ring structure supports the base of the ribs and connects with a metal frame to the 

pedestal. Within this centre ring there  is a small rib & ring structure  (ring 1) purely to support the 

middle section of the skin. 

Ribs 

The integrated frame of the reflector is made with rib structures. These ribs are tapered (high at the 

Inner hub connection and low at the outer rim) I‐shaped beams. The rib structure is made with press 

forming  the  required material  in a close  to size panel, which  is  then  trimmed  to  final size with an 

automated cutting process. This final shape follows the required skin curvature of the reflector, so it 

can be directly mounted on the back of the skin structure. The girder on T‐stiffener ribs is attached 

with  an  automated welding process before  attaching  the  rib  to  the  skin.  The blade  stiffener  ribs 

don’t have a girder. As with the skin panels there are multiple  identical ribs per reflector and final 

mounting is done by automated welding as described in the assembly paragraph. 

Mid & outer ring 

The mid & outer rings give extra strength to the whole structure and are made from a strip of curved 

material. Sections of this material are welded around the assembly of skin and rib structures.  

Assembly 

Reflector assembly starts with automated  lay‐up of all the skin panels on an assembly mould. First 

the  skin panels  in  the middle  section  are welded  together  creating  a 3 meter dish  followed with 

attaching the  inner hub and the small rib & ring structure. Then for each of the rotational  identical 

sections  (on  the outside of  the 3 meter diameter  inner  ring)  the  skins  and  ribs  are  automatically 

placed  and welded by  a  robot and  the middle  ring  is placed  to  further  stiffen  this  structure. The 

Page 40: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 40 of 50   

assembly mould can rotate for easy access to all ‘pie’ sections. In the final assembly step the outer 

ring is attached followed by coating all surfaces. 

The dimension of skin panels are chosen  in such a way that the connection between the panels  in 

the radial direction  is always directly under a rib. This decreases the amount of weld‐meters (since 

the rib also has to be welded to the skin). The same holds for the connection between the panels at 

the middle circumferential rib. The panels in the centre of the telescope (rib & ring structure, ring 1) 

are not part of the ‘pie’ sections, because of the required width‐length ratio for the wavelength. 

8.2 Recurring costs 

Reflector 

The recurring costs for manufacturing a reflector dish include all the following activities: 

Organising management, manufacturing, quality assurance, supporting and enabling processes:  

Project management  

Quality management (QA)  

Engineering support  

Work preparation  

Facility planner  

Production team leader  Manufacturing:  

Material cutting  Mesh cutting Blanks preparation Press forming Trimming  Sub assembly & final assembly (welding) 

Coating 

 

Materials: 

Carbon composite 

Metal mesh 

Coating 

Other materials (grounding wire etc) 

 NDI and measurements:

Laser tracker measurements incl. reporting Sample verification QA documentation

 

The  total  price  for  a  fully  finished &  integrated  reflector  structure, which  bolts on  to  a  pedestal 

(excluding  feed and  feed  support)  is now  calculated  to be €106.000 or €599 euro per m2, with  a 

potential for reduction up to about 20% as explained in the following paragraphs. 

Page 41: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 41 of 50   

Further optimising the design when more details are known on structural requirements can lead to a 

reduction in required stiffener material. Additionally a feedbox and feed struts weight reduction will 

further reduce the use of composite material. Combined this can lead up to 3‐5% reduction in costs.   

Further optimising the integrated production process by tuning machine capacities, running at more 

optimised settings etc. will have a potential to reduce the price with another 3‐8% 

The  current  set  of  production  processes  are  well‐known  and  low  risk.  There  are  some  new 

developments  in  the  automation  and  processing  of  thermoplastic material with  potential  to  be 

faster  and  cheaper  to  run. These processes will become available over  the next 2‐3  years. When 

these new more advanced processes are taken  into account, a potential reduction of the recurring 

costs can occur with an additional 5‐10%. 

Materials price within this cost estimate is based on 2011 prices for normal volumes, so the material 

prices  in our  calculations are  conservative as with  large volumes better prices  can be negotiated. 

These  materials  are  not  yet  very  common  in  large  volumes.  Suppliers  cannot  yet  give  price 

estimations for 4‐5 years ahead. 

Feed support structure 

The  recurring  costs  for manufacturing  the  feed  support  structure  include  the  following  activities: 

(project management costs are within reflector costs) 

Manufacturing:  

Material cutting 

Assembly 

Coating 

 

Materials: 

Carbon composite pre formed tubes 

Coating 

Injection moulded connector parts 

 

Measurements:  

Sample verification 

 

The price for a complete feed support structure is calculated to be €10.000. 

Pedestal 

The  pedestal  cost  is  not  being  detailed  out  in  this  study  and  will  probably  be  similar  to  other 

concepts 

 

8.3 Logisitics: 

On logistics the design of the telescope is rather flexible.  

Page 42: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 42 of 50   

For  the  pedestal  and  its  internal  structure  we  aim  for  construction  and  production  any  place 

convenient in relation to cost of production and cost of shipment to site. The unit might be split in 2 

or 3 pieces for shipment and easy assembly. Eventual a shipment as full assembly might be possible 

in  horizontal  position  of  the  pedestal,  but  this  is  depending  on  cost  of  shipment,  assembly  and 

technical risk and not the baseline. Eventual storage might be in open air, with some protection for 

the drive head. The founding for the pedestal we see as infrastructure. 

Production of the dish surface parts, the ribs and the struts can be any place convenient in relation 

to  cost  of  production  and  cost  of  shipment  to  site.  The  dish  surface  parts  are  produced  with 

moulding machines and can be semi automatic. Up to now we foresee the dish surface parts have 

size <2.5 meter, so suitable for transportation and storage within containers. The ribs and struts will 

be rather long, but slim and also these parts are expected to be transportable and stored pretty easy 

in standard containers. 

Assembly of the dish will be close to the site. The assembly is rather quick with a mould as reference. 

No further special equipment or high energy amounts are required for this assembly, besides lifting 

tools  and  transportation  trucks  for  the  full  assembly  dish.  We  are  studying  the  possibility  to 

assemble  on  site,  right  near  the  pedestal,  with  only  the  need  of  special  transportation  of  the 

assembly mould. 

The  feed unit needs are  typical high end units  to be produced any place convenient  in  relation  to 

production cost, quality and transportation issues. Multiple feed units are expected to fit in standard 

containers for transportation and storage. 

Page 43: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 43 of 50   

9 Plans for Further Development 

The  consortium  presenting  this  symmetric  dish  study  focussed  onto  the main  issues  within  the 

concept design: dish, feed and design. Depending on the outcome of the CoDR, this consortium aims 

to continue this project towards a larger consortium. It is open for any participation of industrial or 

non‐industrial international partners. Several contacts are ongoing e.g. for motor drive and control, 

pedestal construction, assembly of the dishes, construction of the telescope and others. By default 

the potential partners are European partners, but the consortium is not limited to this geographical 

boundary. Typical  such project will be  let by an  Industrial partner, with prime  input,  support and 

reviewing by the astronomical institutes like ASTRON on technical and astronomical issues. 

Financing  of  an  eventual  succeeding  study will most  likely  be,  as  the  running  TC‐SKAR  project,  a 

combination of national or international subsidies and industrial financed research of the partners. 

Funding of a full scale telescope demonstrator is to be negotiated to be part of the succeeding study 

project or financed on other ways. 

Below an overall schedule is presented. 

 

Figure 13: Overall schedule 

The required manpower is not detailed yet, but expected to be rather low, because the telescope is 

a  classical  design  and  knowledge  is  available  through  the  astronomical  institutes  operating  such 

telescopes. The main work packages are again the dish design, the construction and the feed design 

and electronics but other work packages will be started on the  feed production, material disposal, 

motors and drives, pedestal and foundation. 

Page 44: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 44 of 50   

 

9.1 Technology to be developed 

The main issues for further development are on the dish and feed: 

9.1.1 Further detailing the dish material performance and coating.  

The production of the dish parts is not seen as risky. A lot of knowledge is already available and can 

be used. Thermo plastic materials are more and more used in industry for airplanes. We will take a 

next step  in this, by selection of different type of thermoplastics, what will be  in potential cheaper 

and suitable for use in e.g. telescopes and automotive. The required development is towards the use 

of the other type of thermoplastic materials. Typical UV, coating, mechanical stability and thermal 

stability  need  to  be  studied  further. Also  production  can  be  optimized.  Tests  on  performance  of 

some  single dish panels within  the Westerbork  radio  telescope are  foreseen within 2011. Further 

development is required to push the cost further down and check on quality. Several demonstrator 

steps  are  expected.  This  development  is  expected  to  benefit  from  developments  within  the 

aerospace and automotive industry. 

9.1.2 Detailing the assembly of the dish 

Dish assembly out of several panels with aid of a reference mould is done more often. For example 

the backing structure of  the ALMA dish  is made out of several assembled  large composite panels. 

The proposed assembly will be based on smaller panels with sizes up to 2.5 meter, but also  larger 

panels of about 7.5 meter by 2 meter are in study. This assembly needs further development to find 

the optimal assembly and correct stability and will need to be finalized within about 2 years. 

9.1.3 Feed 

Test  and  development  of  the  eleven  feed  and  optimizing  its  performance;  the  feed  is  seen  as 

development  trajectory  with  relative  low  risk,  but  still  significant  items  to  address.  Typical  its 

sensitivity over the bandwidth should be pushed to the  limits, this  in relation to relative small and 

lightweight  construction and possibly  cooling. We expect  to develop  this  further over  the  coming 

years and not on the critical path. 

Page 45: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 45 of 50   

 

9.2 Partners in the Thermoplastic Composite SKA Reflector project (TC SKAR) 

9.2.1 Airborne  www.airborne.nl 

Airborne  manufactures  the  back‐up  structure  of  12‐meter  diameter 

carbon  fibre reinforced plastic  (CFRP) reflector for the ALMA project  in 

Chile  including  the  Quadra‐pods  and  other  CFRP  parts.  Airborne  also 

specialises  in high‐end  composite products  for other markets  as  aerospace,  space, machines  and 

composite piping  for oil & gas  industry. For a project  called TC‐SKAR Airborne  serves as  the man 

contractor. TC‐SKAR studies the production of an off‐axis Gregorian 

9.2.2 Dutch thermoplastic components  www.composites.nl 

DTC is a parts manufacturer specialized in press forming and machining of advanced 

thermoplastic composites. Their high performance parts are used in aero structures 

and demanding industrial applications. 

9.2.3 Kok en van Engelen  www.kve.nl 

KVE has developed an induction welding process for thermoplastic materials, which 

is now being used  in  several markets,  like  automotive,  space  and  the  aerospace 

sector as assembly process. 

9.2.4 Delft University of Technology   www.tudelft.nl 

TU  Delft  has  a  record  of  accomplishment  in  simulating,  testing  and 

constructing with  composite materials  and  performs  the material  research 

within this project. 

9.2.5 ASTRON   www.astron.nl 

ASTRON  is the Dutch  Institute for Radio Astronomy.  Its mission  is to 

make discoveries in radio astronomy happen, via the development of 

novel and innovative technologies, the operation of world‐class radio 

astronomy facilities, and the pursuit of fundamental astronomical research. 

ASTRON was supported by Chalmers University.    www.chalmer.se 

Page 46: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 46 of 50   

 

9.3 Risk assessment and mitigation 

The  risk  assessment  is  focussing on  the  technical  issues within  this  study. The more  systems  and 

science related risks are seen as low or known; because the presented concept is rather classical and 

wide spread knowledge is available for this system concept. 

No  Risk  Short description  Impact  Proposed mitigation 

1  Dish 

1.1  Wavelength 

range 

The specified wavelength range is 1-10 GHz. This wavelength range is not matching the baseline specification for SKA-phase 1

The lower frequencies (0.45 – 3 GHz), as specified for SKA phase 1, will change the feed design and feed mount design. It can also impact the dish material choice. Due to lower freq.range the requirements are more relaxed and cost might decrease.

 

Early input for this concept and the defined wavelength range is required. With that new (more relaxed) tolerances can be provided to industry.

1.2  Cost  The cost of the dish is driving the total cost. This cost is defined by industry by aid of costing tools and by industry expressed as realistic. The feed design is not costed in detail and need further study. Certainly the type of cooling is one of this issues in costing and performance

The impact is rather low. The main risk is in the feed, what is not the most driving element in the total cost.

Early definition of the 

wavelength range is 

important. Detailed study 

and test needed in near 

future on feed‐cost. 

1.3  Lifetime  The material of the dish is a thermoplastic material, which is not yet used in telescopes as mirror as far as we know. This dish (and its material) is dominating the cost of the telescope. Other parts are seen as more

Failure of the 30 year lifespan of the dish would be dramatic for SKA. This really needs to be excluded (see mitigation).

 

Measuring/testing of the performance over time and the defined environment is crucial. These tests are nowadays standard and reliable to perform, but testing in the real environment would be the ultimate test. Industry already measured several

Page 47: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 47 of 50   

classical and low in risk parameters of this material e.g. e.m. absorption, index of refraction, reflection coeff.. Out of the basic material specifications some extrapolations can be made for the applied materials, but an extensive test and validation programme will be done within the next phase. 

1.4  Environmental 

unknowns 

Although some information has been gathered and was submitted during the site bids, more information is required especially with regard to extreme events and unknowns (such as animal life and flooding). Lightning strikes could also be a hazard for the exposed PAF feed elements.

Failing to understand and include these requirements in the design will most probably result in rework and retrofit. Given the scale of the SKA, this will be very costly.

Experience gained with the ASKAP system will be invaluable, and lessons learned must be transferred to the SKA system.

 

1.5  Lightning  Lightning is a serious issue. Up to now a connection between antenna elements of the dish is foreseen. A study is required to see if this will be beneficial for the design in cost and performance. Biggest change on lightning impact is the feedbox. It is advised to protect at least the feedbox for lightning.

Lightning damage of the feedbox is probably more costly then damage of the mirror (exchange some elements). Damage of the feedbox will stop the full telescope. Local damage of the disc will reduced performance, but not necessarily stops the observing.

Lightning protection of the feedbox as minimum requirement. Eventual simple electrical connection of the dish elements can be provided if necessary.

1.6  Remote 

operations 

The fact that the SKA will be deployed, operated and supported on a very remote site poses many challenges in almost every aspect of the system, especially quality aspects. Other examples are reliability, availability,

If the requirements for remote operations and support are not part of the design from the outset, the cost of rework and upgrades may be excessive.

Investigate all aspects that will influence remote operations and support. Evaluate different options. Keep full lifecycle aspects in mind. Ensure that requirements are flowed down into the design and budgeted for.

Experience in operating

Page 48: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 48 of 50   

maintainability, monitoring and control, support from a distance, safety etc.

ASKAP will be valuable, although care will be needed in scaling the outcomes to the SKA.

1.7  Scope  of 

logistics  and 

support 

To be able to operate and support the SKA over its lifetime will require well designed and supplied logistics and support. So far, this aspect has not received much attention. Specific moving parts are subject of maintenance and failure.

Due to the scale of the SKA, the logistics and support requirements will be significant and will call for large numbers of people, spares, tools, test equipment, support equipment, facilities, training etc.

Specific design towards low maintenance and high reliability is crucial. Focus on moving parts and UV-protection of sun-loaded parts (e.g. dish).

1.8  Damage  During manufacturing, transport, installation or operation, damage can occur.

Depending on the damage, the functionality or performance of the antenna can be reduced.

Reliable and adequate repair method needs to be developed. Airborne has experience with repair techniques of thermoplastic structures, for example for offshore operations.

Furthermore, the concept uses smaller elements that are assembled into the final reflector. A method to replace such an element when damaged could be used.

  Creep  Continuous load on the material structure may incur creep of the material.

The performance of the dish will decrease over time.

Extensive test are being performed at different conditions to map the material properties. Design will be adapted to embed the allowable loads.

   

2  Feed

2.1  Performance  The performances of the feed design is depending on the design and probably also temperature of the feed and LNA. Cooling concepts might be important for a good balance of performance

The feed is a driving element in the total Aeff/ Tsys specification, the main parameter of the telescope. Improving the Aeff/Tsys can lower the overall cost and

Study the type of feed (Eleven feed) in more detail. In principle the systems are well known, but a correct balance between technology, cost performance and risk is important.

Page 49: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 49 of 50   

and cost. improve the operations overhead.

2.2   

3  Pedestal

3.1  Lifetime  Has not been studied in any detail.

3.2   

3.3   

 

Page 50: CONCEPT DESCRIPTION: SYMMETRIC DISH … · Approved for release as part of dish CoDR ... For example press‐forming and ... design, to analysis and calculation up to production of

Revision 2.0, May 2011:  

 

    Page 50 of 50   

 

Annex I  Gregorian offset reflector design 

In  a  previous  phase  a  Gregorian  offset  reflector was  designed.  Several  concepts were  analyzed, 

firstly a simple un‐stiffened skin with a truss support structure, see Figure 14. In the initial stage this 

concept seemed infeasible, particularly because of thermal stability issues.  

 

Figure 14 Gregorian offset reflector with a truss support 

Figure 15 Gregorian offset reflector with a 

stiffened skin 

 

Secondly, a stiffened skin design was analyzed, see Figure 15. The feed support design and weights 

are  based  on  the USSKA  design  as  presented  in  [27].  It  should  be  noted  that  this  is  significantly 

different from the assumption on which the symmetric design, as presented in this report, is based.  

The analysis showed that the design of approximately 3.6 [tons] would have an rms performance of 

around 1.1 [mm] (including thermal, wind, and gravity loading). This increase in mass, and decrease 

in  accuracy, with  respect  to  the  symmetric design  can only partly be explained by  the  significant 

difference in the feed design. The large overhang of the a‐symmetric dish on one side and the loads 

from the feed struts on the other make this design less accurate especially concerning gravity loads.