Prije toga držao je nekoliko pozicija kao istraživač na Norveškom sveučilištu tehnologije i znanosti (Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet), ELAB i SINTEF, sve u Trondheimu, Norveška. Prof. Kildal je imao čudesnu sposobnost shvaćanja novih pojmova, gledati širu sliku i istovremeno se udubiti u matematičke detalje vezano uz modeliranje promatrane elektromagnetske strukture.

Kildal se već na početku karijere vezao uz projektiranje reflektorskih antenskih sustava za radioastronomiju. U potrazi za temom za istraživanje kontaktirao je dr. Tora Hagforsa, jednog od najvećih norveških stručnjaka za radioastronomiju i pionira u istraživanju interakcije plazme i elektromagnetskih valova. Hagfors mu je ponudio dizajn paraboličnog cilindričnog reflektorskog sustava u VHF frekvencijskom području (slika 1) za radarsko mjerenje raspršenja od Zemljine ionosfere. Prema vlastitim riječima, mladi student Per-Simon ljutito je odbio tako (po njegovu mišljenju) glupu temu istraživanja, no nakon tjedan dana ponovo je pokucao na vrata Hagforsova kabineta i upitao je li ta tema istraživanja i dalje slobodna. Sam radarski sustav je postavljen na sjeveru Norveške kao dio EISCAT (European Incoherent Scatter Scientific Association) radarskog mjeriteljskog sustava. Specifičnost dizajna je umetanje dva cilindara duljine 120 metara koji su kao kutni reflektori osigurali da dugačka cilindrična antena zrači val kružne polarizacije (sami antenski elementi bili su izvedeni u obliku parova okomitih dipola). U svrhu konstrukcije te antene prof. Kildal je razvio metodu analize koja je omogućila da se složena antena može analizirati pomoću niza dvodimenzionalnih problema.

Desetak godina kasnije Tor Hagfors, tada direktor Nacionalnog centra za astronomiju i ionosferu na Sveučilištu Cornell, SAD, koji je također upravljao radioastronomskim centrom Arecibo, Portoriko, ponudio je prof. Kildalu da sudjeluje u konstruiranju novog pobudnog sustava tada najveće pojedinačne antene na svijetu. Glavni instrument radioastronomskog centra Arecibo bila je sferna reflektorska antena promjera 305 m (1000 stopa) ugrađena u prirodnu vrtaču, s upravljivim prijemnikom postavljenim na čeličnu kabelsku konstrukciju iznad sfernog reflektora (slika 2). Kada je dovršen 1963., bio je to najveći svjetski radio-teleskop s jednim otvorom sve do 2016. godine kada je razvijena veća antena u Kini. Nakon prekida kabela koji su podržavali platformu prijamnika sredinom 2020. godine, teleskop je stavljen izvan upotrebe, a potpuni kolaps teleskopa dogodio se 1. prosinca 2020. godine.

Pobudni sustav (odnosno prijamni sustav) bio je montiran na čeličnu konstrukciju iznad sfernog reflektora i mogao se pomicati po azimutu i elevaciji i time usmjeravati glavnu laticu dijagrama zračenja, odnosno odabrati smjer iz kojeg je primano zračenje iz svemira. Glavni problem pobudnog antenskog sustava bio je kako kompenzirati sfernu aberaciju pa je prvobitni pobudni sustav bio linijskog oblika (slika 3). Treba napomenuti da sferni reflektori fokusiraju prijemni elektromagnetski val u fokalnu liniju, a ne u fokalnu točku kao što to radi parabolični reflektor. Stoga je linijski pobudni sustav bio pobudno rješenje – različiti dijelovi linijskog sustava pobuđivali su različite dijelove primarnog sfernog reflektora. Također treba napomenuti da antene imaju ista svojstva kada rade u predajnom i prijemnom načinu rada, tako da je u većini slučajeva dizajn razmatrane antene i pripadajuća terminologija vezana uz predajni način rada.

Tijekom korištenja teleskopa došli su do ideje razviti novi pobudni sustav reflektorskog tipa koji će omogućiti veće frekvencijsko radno područje (gornja radna frekvencija je povećana s 2.5 GHz na 8 GHZ; sama radna frekvencija odabirala se jednostavnim mijenjanjem lijevak antene u fokusu sustava) i time povećati osjetljivost radioastronomskih mjerenja 2 do 4 puta i osjetljivost kod radarskih mjerenja 10 do 40 puta. Novim pobudnim sustavom također je riješen problem premale iluminacije centralnog dijela glavnog reflektora, što je uzrokovalo povećane sekundarne latice u dijagramu zračenja antenskog sustava.

Novi antenski sustav sastajao se je od dva sub-reflektora. Kako se pozicija sub-reflektora nalazi dalje od fokusa, dizajniran je reflektorski sustav tipa Gregorian, što je omogućilo veći radni frekvencijski pojas, manje gubitke i bolju iluminaciju glavnog reflektora. Ideja zamjene pobudnog sustava razvijala se godinama, s nekoliko inicijalnih dizajna (konceptualni dizajn prikazan je na slici 4; inicijalni dizajn dva sub-reflektora s kružnom obasjanom površinom napravio je Lynn Baker). No, kod razvoja tako složenog sustava nije smjelo biti greške - svi dizajni složenih reflektorskih sustava rađeni su pomoću računalnih programa koji su inherentno sadržavali različite aproksimacije, npr. aproksimacije svojstvene geometrijskoj optici. Prof. Kildal razvio je programsku podršku za dizajn velikih reflektorskih sustava koja se sastojala od dva koraka. U prvom koraku, izračunato je preslikavanje između dijagrama zračenja pobudne antene (u praksi lijevak antene) i željene distribucije elektromagnetskog polja na otvoru glavnog reflektora. U drugom koraku određen je dvostruki reflektorski sustav, što je zahtijevalo da preslikavanje iz prvog koraka bude modificirano. Taj proces je iterativno ponavljan dok nisu dobivene zadovoljavajuće karakteristike. Slika razvijenog sustava dana je na slici 5.

Treba primijetiti da su sekundarni reflektori pomaknuti jedan u odnosu na drugi i na poziciju pobudne antene kako ne bi stvarali sjenu jedan drugome. S dizajniranim geometrijskim oblikom sekundarnih reflektora omogućena je željena iluminacija glavnog reflektora (izbjegnut je tzv. inverzni oblik pobudnog polja) koji bi se dogodio s reflektorima klasičnog oblika s točkama fokusa između reflektora (kao i u slučaju linijskog pobudnog sustava). Primjer iluminacije glavnog reflektora dan je na slici 6. Treba uočiti da pobudna antena ne obasjava cijeli primarni sferni reflektor – obasjana je eliptična površina promjera otprilike 213m x 237m. Također, pobudna antena postavljena je na poziciju na kojoj ju je lako mijenjati, odnosno montirati primarnu antenu pogodnu za specifična mjerenja.

Osim u dizajnu reflektorskih antena i antena za pobuđivanje reflektorskih sustava, Prof. Per-Simon Kildal dao je značajan doprinos u mnogim drugim područjima u primijenjenom elektromagnetizmu. On je začetnik koncepta mekih i tvrdih površina, što je nedavno rezultiralo razvojem tehnologije valovoda s periodičkim strukturama u zabranjenom frekvencijskom pojasu, posebno zanimljive tehnologije za izradu elektromagnetskih komponenata u milimetarskom valnom području (ujedno je i pokrenu je tvrtku Gapwaves AB).

Također je dao pionirski doprinos razvoju reverberacijske komore kao preciznog sustava za mjerenje antena i bežičnih terminala u uvjetima višestaznog rasprostiranja (opisanog Rayleigh-ovom distribucijom), koji je uspješno komercijaliziran u tvrtki Bluetest AB. Sukladno tome, imao je mnoštvo patenata za reflektorske antene, dipolne antene, reverberacijske komore, primjene metamaterijala, itd. Napomenimo da je Per-Simon Kildal bio nekoliko puta u Hrvatskoj (prvi put davne 1971. godine unutar programa studenske razmjene) te da je imao značajnu suradnju s Antenskom grupom na Fakultetu elektrotehnike i računarstva Sveučilišta u Zagrebu (dva takva susreta dana su na slici 7).

Na kraju spomenimo da je Arecibo teleskop bio dio nekoliko filmskih ostvarenja (slika 8). U serijalu o tajnom agentu James Bondu (u filmu Zlatno oko) teleskop je služio za komunikaciju sa satelitom u Zemljinoj orbiti, što je tehnički gledano veliko pretjerivanje (komunikaciju je moguće ostvariti s antenom puno manjih dimenzija). U filmu Kontakt antenski sustav korišten je u ispravnu svrhu – za „osluškivanje“ svemira.

Literatura:

1. P.-S. Kildal, L. Baker, T. Hagfors: „Development of a dual-reflector feed for the Arecibo radio telescope: an overview“, IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 33, No. 5, pp. 12-18, 1991.

2. P.-S. Kildal, L. Baker, T. Hagfors: „The Arecibo upgrading: electrical design and expected performance of the dual-reflector feed system“, Proceedings of the IEEE, Vol. 82, pp. 714 – 7124, 1994.

3. T. Hagfors, P.-S. Kildal, H. J. Kärcher, B. Liesenkötter and G. Schröer: „VHF parabolic cylinder antenna for incoherent scatter radar research“, Radio Science, Vol. 17, pp. 1607-1621, 1982.