عند الحساب باستخدام تقنية التردد العالي باستخدام أنظمة تعكس المرآة (المرايا المكافئة) ، تنشأ دائمًا مهمة العثور دائمًا على مركز طور الهوائي (FCA) ، لأن لا يمكن التشغيل الصحيح للمرآة إلا إذا كان الهوائي (يُسمى التغذية ، وحدة التغذية ، بوق التغذية) في بؤرة التركيز ويكون له واجهة طور الموجة على شكل كرة ، وكان مركز هذه الكرة في بؤرة المرآة. مع أي انحرافات ، فإن شكل واجهة المرحلة من المجال وإزاحة PCA من محور المرآة ، تتناقص كفاءة نظام المرآة ، لأن نمط الإشعاع الخاص به مشوه.
على الرغم من أن موضوع بحث FCA مناسب تمامًا حتى في الحياة اليومية ، لأنه بالإضافة إلى هوائيات القنوات الفضائية التقليدية ، فإن الهوائيات المكافئة للواي فاي و WiMAX والاتصالات الخلوية (UMTS / 3G و LTE / 4G) منتشرة على نطاق واسع - ومع ذلك ، فإن هذا الموضوع يتم تغطيته بشكل سيء في الأدب والمستخدمين غالبًا تخلط بين نمط المرحلة مع نمط الإشعاع المعتاد.
في مقاطع الفيديو حول برامج محاكاة الكمبيوتر ، يمكنك في بعض الأحيان العثور على إرشادات عملية حول كيفية البحث عن FCA ، ولكن عادة لا يوجد حتى الحد الأدنى من التفسير لما نبحث عنه وما نحصل عليه.
لذلك ، لسد الفجوة ، سنكتب مقالة قصيرة مع أمثلة عملية.
مخطط إشعاع الطور هو اعتماد طور المجال الكهرومغناطيسي المنبعث من الهوائي على الإحداثيات الزاوية.
(A.P. Pudovkin ، Yu.N. Panasyuk ، A.A Ivankov -
أساسيات نظرية الهوائي )
نظرًا لأن متجهي المجالين E و H في مرحلة في المنطقة البعيدة من الهوائي ، فإن حزمة الطور مرتبطة بالتساوي بالمكون الكهربائي والمغناطيسي للحقل الكهرومغناطيسي المنبعث من الهوائي.
تم تحديد نمط الطور بالحروف اليونانية Psi:
Ψ = Ψ (θ، φ) ، بالنسبة لـ r = const.
إذا كانت Ψ (θ، φ) = const عند r = const ، فهذا يعني أن الهوائي يشكل واجهة طور الموجة في شكل كرة.
يُطلق على مركز هذا المجال ، حيث يوجد أصل نظام الإحداثيات ، مركز طور الهوائي (FCA).
مركز طور الهوائي هو النقطة التي يمكنك عندها إرسال باعث واحد لموجة كروية ، أي ما يعادل نظام الهوائي المعني فيما يتعلق بمرحلة الحقل المُنشأ.
(Drabkin A.L.، Zuzenko V.L.
Antenna-feeder devices )
FCA لم يكن لديك كل الهوائيات. بالنسبة للهوائيات التي لها مركز طور وحزمة سعة متعددة الفصوص مع أصفار مميزة بينهما ، تختلف مرحلة الحقل في الفصوص المجاورة بمقدار π (180 درجة).
تم توضيح العلاقة بين مخططات إشعاع الاتساع والطور لهوائي واحد
في الهوائيات الحقيقية ، يتم اعتبار مركز الطور عادةً داخل الزوايا المحدودة للفص الرئيسي لنمط الإشعاع. يعتمد موضع مركز الطور على تردد الإشارة المستخدمة واتجاه الإشعاع / استقبال الهوائي واستقطابه وعوامل أخرى. بعض الهوائيات ليس لديها مركز طور بالمعنى التقليدي.
في أبسط الحالات ، على سبيل المثال ، بالنسبة للهوائي المكافئ ، يتزامن مركز الطور مع محور القطع المكافئ ويمكن تحديده من خلال الاعتبارات الهندسية. في الحالات الأكثر تعقيدًا ، مثل هوائيات القرن ، يكون موضع مركز الطور غير واضح ويتطلب قياسات مناسبة.
تستهلك القياسات الكاملة لمركز الطور الكثير من الوقت (خاصة في نطاق التردد العريض).
في محاكاة CAD للحقول الكهرومغناطيسية ، يعد حساب FCA مهمة بسيطة للغاية ، لكنه لا يزال يتطلب العديد من التلاعب اليدوي ، لأنه يتم تنفيذها بواسطة القوة الغاشمة وتتطلب إعدادًا أوليًا صغيرًا للوظيفة التي سنقوم بها.
لإجراء العمليات الحسابية ، نأخذ مشعًا مكافئًا حقيقيًا لمجموعة Ku-band - LNB من الشركة المصنعة Inverto ، سلسلة Black Ultra.
هذه الوحدة لديها هذا النموذج (في القسم)
كرة بحجم حبة البازلاء - ستكون هذه هي FCA ، لكننا ما زلنا لا نعرف ذلك ومهمتنا هي إيجاد موقعها.
في المثال ، سوف نستخدم المدخلات التالية:
- تردد الحساب MHz 11538.5 (الطول الموجي 25.982 مم)
- الاستقطاب الأفقي الخطي (في المحور ص)
- يتم توجيه الهوائي نفسه على طول المحور X ، أي اتجاه الإشعاع الرئيسي θ = 90 ، φ = 0
حساب معلمات المجال الأقصى التقليدي في Ansys HFSS يعطي مثل هذا النمط من الإشعاع في 3D و 2D
القيم الآنية لشدة المجال الكهربائي (فولت / متر) (المجال الإلكتروني) حسب المرحلة
شدة المجال الإلكتروني المتكامل (لثورة واحدة من الموجة)
يتم حساب كل هذه المعلمات الخاصة بالحقل البعيد (المجال البعيد) سواء في القياسات الشاملة أو في عمليات محاكاة CAD على كرة لا حصر لها - المجال اللانهائي. يتم وضع هوائي الاختبار أو طراز الكمبيوتر الخاص به في مركز مثل هذا الكرة ، ويتحرك مسبار القياس على طول محيط مثل هذا المجال ويقيس السعة والاستقطاب (سعة أحد المكونات) ومرحلة الموجة EM. يمكن أن يكون المسبار ثابتًا ويدور الهوائي قيد الاختبار.
الشيء الرئيسي هو:
- كانت المسافة هي نفسها دائمًا (أي أنها كانت بالضبط مجال القياس)
- كان نصف قطر الكرة كبيرًا بدرجة كافية بحيث أجريت القياسات فقط في تلك المنطقة من الفضاء حيث تكون متجهات المجال الكهربائي E و H المغناطيسي في الطور ، أي لا يسود أي من المكونات ولا يتم إزاحة الطور (ليس له تفاعل) بسبب حاملات الشحن الموجودة في الموصلات المعدنية للهوائي أو بسبب جزيئات العزل الكهربائي المشحونة.
في
Ansys HFSS ، لإجراء قياسات مجال بعيد ، يجب عليك إنشاء مجال لا حصر له على الأقل: الإشعاع -> إدراج إعداد Far Far -> Infinite Sphere
يمكن دائمًا تحديد φ و from من 0 إلى 360 ، ولكن لتوفير الوقت في العمليات الحسابية يكون من المنطقي أحيانًا قصر الزاوية قيد الدراسة على قطاع معين. إذا حددت خطوة من 1 درجة ، فسيشغل المجال بالكامل 360 * 360 = 129،600 نقطة تصميم ، وفي خطوة تبلغ 0.1 درجة تقريبًا 13 مليونًا. لإنشاء تقارير أنماط الإشعاع ثلاثية الأبعاد / 2D ، تكون الخطوة من 2-3 درجات كافية عادة (14400 نقطة تصميم في خطوة 3 درجات). الخطوة 1 درجة أو أقل ، فمن المنطقي أن تستخدم فقط لتحليل الشريحة
في علامة التبويب "نظام الإحداثيات" ، يكون لكل كرة بالضرورة مركز إحداثيات خاص بها. افتراضيًا ، يوجد دائمًا مركز تنسيق المشروع العالمي [0 ، 0 ، 0]. إذا رغبت في ذلك ، يمكنك إضافة أي عدد من الإحداثيات النسبية الأخرى. يمكن تعيين كلاً من عنصري هندسة النموذج والمجال المعرفة من قبل المستخدم "Infinite Sphere" بالنسبة لمركز الإحداثيات العالمي أو بالنسبة إلى المعرف المحدد من قبل المستخدم. سوف نستخدم هذا أدناه.
شوهدت المرحلة الطليعة الأمامية للموجة في الرسوم المتحركة للحقل E أعلاه. تشكل موجة EM دوائر متحدة المركز ، تشبه الدوائر الموجودة على الماء من الحجر المهجور. مركز المرحلة هو النقطة التي ألقيت مثل هذا الحجر. يمكن أن نرى أن موقعه في مكان ما في فم الناطقة بلسانه ، لكن وضعه الدقيق غير واضح.
تعتمد طريقة بحث PCA على حقيقة أننا ننظر إلى اتجاه ناقل المجال E (مرحلته) على سطح الكرة البعيدة بلا حدود.
من أجل العرض التوضيحي ، سنقوم بإنشاء رسمتين مع ناقل E-field على كرة نصف قطرها 4 لامدا (هذه ليست كرة لا حصر لها ، ولكن لنطاق أفضل للصورة ، يكفي أن يكون نصف القطر كافيًا).
في أول رسم متحرك ، يتم وضع مركز الكرة تمامًا في FCA
في الرسوم المتحركة الثانية ، يقع المركز عند نقطة المشروع 0 ، 0 ، 0 (بالنظر إلى الأمام ، دعنا نقول أنه يقع على مسافة 25.06 ملم من PCA)
على سطح الكرة الأولى (إنه منحنى ، إنه ليس طائرة) ، يمكن ملاحظة أن المتجهات تتحرك بشكل متزامن. يختلف اتساعها (حجمها) ، لأن قاع الهوائي له حد أقصى في الوسط (يصل إلى 14.4 ديسيبل) والذي يتلاشى تدريجياً مرتين (-3 ديسيبل) بزاوية ± 20 درجة.
نحن لسنا مهتمين باللون / الطول ، ولكن في اتجاه المتجه. بحيث تتحرك جميعها بشكل متزامن (في الطور).
في الرسوم المتحركة الأولى ، تتحرك جميع الموجهات بشكل متزامن ، كما لو كانت الكرة تدور إلى اليمين وإلى اليسار.
في الرسوم المتحركة الثانية ، ناقلات ليست متزامنة ، وبعضها قد غير بالفعل اتجاه الحركة ، والبعض الآخر لم يغير بعد. يخضع سطح هذه الكرة باستمرار للتوتر / التشوه السطحي.
يقع المجال الأول في FCA ، والثاني ليس في FCA.
تتمثل مهمة البحث عن PCA باستخدام هذه الطريقة في تحريك (القوة الغاشمة) في Infinite Sphere بخطوة صغيرة حتى ينتشر الطور في المنطقة التي تهمنا (نحن مهتمون فقط بفص الإشعاع الرئيسي) إلى الحد الأدنى (من الناحية المثالية ، الصفر).
ولكن قبل الانتقال إلى القوة الغاشمة ، سننظر أولاً في كيفية عرض المرحلة HF في HFSS.
في تقارير الحقل البعيد "النتائج -> إنشاء تقرير حقل بعيد" يمكننا عرض إما رسم بياني مستطيل تقليدي (مؤامرة مستطيلة) أو رسم بياني دائري ثنائي الأبعاد (نمط إشعاع) حيث نشتق اعتماد الإحداثي الزاوي (على سبيل المثال ، X) ، على طول المحور Y ، قيم الطور عند هذه الزوايا θ.
التقرير الذي نحتاجه هو "مجال E مشع".
لكل زاوية [φ ، θ] على الكرة اللانهائية ، يتم حساب العدد المركب (المتجه) للحقل الكهربائي.
في بناء الرسوم البيانية السعة المعتادة (مخطط الإشعاع ، وتوزيع القدرة الإشعاعية في الاتجاه) ، نحن مهتمون بالسعة (mag) لهذا المجال ، والتي يمكن الحصول عليها إما كـ mag (rE) أو على الفور باستخدام كسب متغير أكثر ملاءمة (يتم إعطاء القدرة بالنسبة إلى القدرة في منفذ الإثارة ونسبة إلى باعث الخواص).
عند إنشاء المرحلة DN ، نحن مهتمون بالجزء التخيلي من الرقم المركب (المرحلة المتجهة) بترميز قطبي (بالدرجات). للقيام بذلك ، استخدم الدالة الرياضية ang_deg (angle_in_ degrees) أو cang_deg (cumulated_ angle_in_degrees)
بالنسبة لهوائي LNA Inverto Black Ultra ، يحتوي هذا النموذج على مخطط الطور في مستوى XZ (φ = 0) مع استقطاب الإثارة الأفقي (rEY)
الزاوية Theta = 90 هي الإشعاع للأمام ، Theta = 0 للأعلى ، Theta = 180 للأسفل.
تختلف قيم
Ang_deg من -180 إلى +180 ، وزاوية 181 ° هي زاوية -179 درجة ، وبالتالي فإن الرسم البياني له شكل منشار عند المرور عبر النقاط ± 180 درجة.
يتم
تجميع قيم
cang_deg إذا كان اتجاه تغيير الطور ثابتًا. إذا كانت الطور قد صنعت ما يصل إلى 3 ثورات كاملة (تقاطع 180 درجة 6 مرات) ، فإن القيمة المتراكمة تصل إلى 1070 درجة.
كما هو مكتوب في بداية المقال ، عادة ما تكون أنماط الطور والهوائيات مرتبطة ببعضها البعض. في فصوص السعة المجاورة (الحزمة) ، تختلف المراحل بمقدار 180 درجة.
نقوم بتركيب واحد على الرسوم البيانية الأخرى للمرحلة (الأحمر / الضوء الأخضر) والسعة (الأرجواني) DNs
تتبع الحدبات على السعة DN بوضوح كسور الطور ، كما هو مكتوب في الكتب.
نحن مهتمون بجبهة المرحلة فقط في قطاع معين من الفضاء ، داخل الفص الإشعاعي الرئيسي (الفصوص المتبقية لا تزال تتألق خلف المرآة المكافئة).
لذلك ، فإننا نقصر الرسم البياني فقط على القطاع 90 ± 45 درجة (45-135 درجة).
أضف إلى علامات الرسم البياني MIN (m1) و MAX (m2) والتي تظهر أكبر انتشار للطور في قطاع الدراسة.
بالإضافة إلى ذلك ، نضيف الوظيفة الرياضية pk2pk () التي تبحث تلقائيًا عن الحد الأدنى والحد الأقصى على الرسم البياني بأكمله وتظهر الفرق.
في الرسم البياني أعلاه ، يكون الفرق m2-m1 = pk2pk = 3.839 °
تتمثل مهمة العثور على FCA في نقل Infinite Sphere بخطوة صغيرة حتى يتم تقليل قيمة الدالة pk2pk (cang_deg (rE)).
لنقل Infinite Sphere ، تحتاج إلى إنشاء نظام إحداثيات إضافي آخر:
Modeler -> Coordinate System -> Create -> Relative CS -> Offsetنظرًا لأننا ندرك تمامًا أنه بالنسبة للقرن المتماثل ، فإن PCA سيكون على المحور X (Z = Y = 0) ، ثم بالنسبة Z و Y حددنا 0 ، وسوف يتحرك فقط على المحور X ، الذي نخصص له Pos (المتغير) 0 مم)
لأتمتة عملية القوة الغاشمة ، قم بإنشاء مهمة تحسين.
Optimetrics -> Add -> Parametric ، واضبط درجة متغيرة Pos إلى 1 مم ، في النطاق من 0 إلى 100 مم
في علامة التبويب "
الحسابات -> إعداد الحساب " ، حدد نوع التقرير "الحقل البعيد" والوظيفة pk2pk (cang_deg (rEY)). في زر "وظائف النطاق" ، حدد نطاقًا من -45 إلى +45 درجة (أو أي اهتمام آخر)
تشغيل
ParametricSetup1 -> تحليل .
الحساب سريع بما فيه الكفاية ، لأن جميع الحسابات الميدانية البعيدة هي مرحلة ما بعد المعالجة ولا تتطلب إعادة حل النموذج.
بعد اكتمال الحساب ، انقر فوق
ParametricSetup1 -> عرض نتائج التحليل .
نرى حد أدنى واضح على مسافة X = 25mm
لدقة أعلى ، نقوم بتحرير التحليل حدودي في حدود 25.0-25.1 ملم مع خطوة 0.01 ملم
نحصل على الحد الأدنى الواضح عند X = 25.06 مم
من أجل التقييم المرئي للمكان الذي تحولت به FCA في النموذج ، يمكنك رسم المجالات (غير النموذجية) أو النقاط.
هنا عند النقطة X = 25.06 مم يتم وضع 2 كرات (بنصف قطر 2 و 4 لامدا)
هنا هو نفسه في الرسوم المتحركة
هنا هو المقربة أكبر من الطائرة والبازلاء في النقطة X = 25.06
من المعتقد على نطاق واسع أنه في HFSS (والبرامج الأخرى ، مثل CST) ، عندما يتم تطبيق مؤامرة ثلاثية الأبعاد على هندسة الهوائي ، يتم وضع هذه المؤامرة تلقائيًا في PCA.
للأسف هذا ليس كذلك. يتم تثبيت الرسم البياني ثلاثي الأبعاد دائمًا في مركز نظام الإحداثيات الذي تم استخدامه عند تعيين "Infinite Sphere" لهذا الرسم البياني. إذا تم استخدام نظام الإحداثيات العالمي الافتراضي [0 ، 0 ، 0] ، فسيتم وضع 3D Plot في 0،0،0 (حتى إذا كان الهوائي نفسه بعيدًا).
لدمج الرسوم البيانية ، في إعدادات 3D Plot ، تحتاج إلى تحديد "Infinite Sphere" (إنشاء واحد آخر) الذي تم تعيين "Relative CS" عليه عند نقطة PCA التي وجدناها يدويًا.
تجدر الإشارة إلى أن مثل هذا التراكب سيكون صحيحًا فقط للقطاع قيد الدراسة (على سبيل المثال ، الحزمة الرئيسية للحزمة) ، في الفصوص الجانبية والخلفية للـ FC ، يمكن أن تكون في مكان آخر أو تكون غير كروية.
لاحظ أيضًا أن إعدادات Infinite Sphere لا علاقة لها بشرط حدود حدود الإشعاع. يمكن تعريف طبقة Rad بأنها مستطيل ، مخروط ، أسطوانة ، كرة ، بيضاوي الشكل الدوراني ، وتحريك موقعه وشكله وتدويره كما تريد. لن يتغير موقع وشكل Infinite Sphere. سيكون دائمًا كرة (كرة) بنصف قطر لا نهائي (كبير بما فيه الكفاية) ويتركز في نظام إحداثي محدد.
يتوفر الملف النموذجي LNB_InvertoBlackUltra.aedt للدراسة على:
https://goo.gl/RzuWxW (Google Drive). مطلوب Ansys Electronics Desktop v19 أو أعلى لفتح الملف (لا يقل عن 2018.1)