Bei der Berechnung in der Hochfrequenztechnik mit spiegelreflektierenden Systemen (Parabolspiegeln) entsteht immer die Aufgabe, immer das Phasenzentrum der Antenne (FCA) zu finden, weil Ein korrekter Betrieb des Spiegels ist nur möglich, wenn die Antenne (Feed, Feeder, Feedhorn genannt) scharfgestellt ist und eine Phasenfront der Welle in Form einer Kugel aufweist und der Mittelpunkt dieser Kugel im Fokus des Spiegels liegt. Bei Abweichungen, sowohl der Form der Phasenfront von der Kugel als auch der Verschiebung der PCA vom Fokus des Spiegels, nimmt die Effizienz des Spiegelsystems ab, da sein Strahlungsmuster verzerrt ist.
Obwohl das Thema der FCA-Suche auch im Alltag sehr relevant ist, sind neben herkömmlichen Satellitenfernsehantennen auch Parabolantennen für WiFi, WiMAX und Mobilfunk (UMTS / 3G, LTE / 4G) weit verbreitet - dennoch wird ein solches Thema in der Literatur und den Nutzern häufig nur unzureichend behandelt Verwechseln Sie das Phasenmuster mit dem üblichen Strahlungsmuster.
In Videos über Computersimulationsprogramme finden Sie manchmal praktische Anweisungen zur Suche nach FCA, aber normalerweise gibt es nicht einmal eine minimale Erklärung dafür, wonach wir suchen und was wir bekommen.
Um diese Lücke zu schließen, werden wir daher einen kurzen Artikel mit praktischen Beispielen schreiben.
Das Phasenstrahlungsmuster ist die Abhängigkeit der Phase des von der Antenne emittierten elektromagnetischen Feldes von den Winkelkoordinaten.
(A. P. Pudovkin, Yu N. Panasyuk, A. A. Ivankov -
Grundlagen der Antennentheorie )
Da die Vektoren des Feldes E und H in der Fernzone der Antenne in Phase sind, hängt der Phasenstrahl gleichermaßen mit der elektrischen und magnetischen Komponente des von der Antenne emittierten elektromagnetischen Feldes zusammen.
Das Phasenmuster wird mit dem griechischen Buchstaben Psi bezeichnet:
Ψ = Ψ (θ, φ) für r = const.
Wenn Ψ (θ, φ) = const bei r = const ist, bedeutet dies, dass die Antenne eine Phasenfront der Welle in Form einer Kugel bildet.
Das Zentrum dieser Kugel, in dem sich der Ursprung des Koordinatensystems befindet, wird als Phasenzentrum der Antenne (FCA) bezeichnet.
Das Phasenzentrum der Antenne ist der Punkt, an dem Sie einen einzelnen Emitter einer Kugelwelle platzieren können, der dem betreffenden Antennensystem in Bezug auf die Phase des erzeugten Feldes entspricht.
(Drabkin A. L., Zuzenko V. L.
Antenna-Feeder-Geräte )
FCA hat nicht alle Antennen. Bei Antennen mit einem Phasenzentrum und einem Mehrkeulenamplitudenstrahl mit unterschiedlichen Nullen zwischen ihnen unterscheidet sich die Phase des Feldes in benachbarten Keulen um π (180 °).
Die Beziehung zwischen den Amplituden- und Phasenstrahlungsmustern derselben Antenne ist dargestellt
Bei realen Antennen wird das Phasenzentrum normalerweise innerhalb der begrenzten Winkel der Hauptkeule des Strahlungsmusters betrachtet. Die Position des Phasenzentrums hängt von der Frequenz des verwendeten Signals, der Strahlungs- / Empfangsrichtung der Antenne, ihrer Polarisation und anderen Faktoren ab. Einige Antennen haben kein Phasenzentrum im herkömmlichen Sinne.
In den einfachsten Fällen, zum Beispiel für eine Parabolantenne, fällt das Phasenzentrum mit dem Fokus des Paraboloids zusammen und kann aus geometrischen Überlegungen bestimmt werden. In komplexeren Fällen wie Hornantennen ist die Position des Phasenzentrums nicht offensichtlich und erfordert geeignete Messungen.
Messungen des Phasenzentrums in Originalgröße sind sehr zeitaufwändig (insbesondere in einem breiten Frequenzband).
In CAD-Simulatoren für elektromagnetische Felder ist die Berechnung des FCA eine sehr einfache Aufgabe, die jedoch immer noch mehrere manuelle Manipulationen erfordert Es wird durch Brute Force ausgeführt und erfordert eine kleine anfängliche Einrichtung der Funktion, die wir mit Brute Force ausführen werden.
Für praktische Berechnungen nehmen wir einen echten Parabelbestrahler für die Ku-Band-Reihe - LNB vom Inverto-Hersteller, die Black Ultra-Serie.
Dieser Feeder hat diese Form (im Abschnitt)
Eine Kugel von der Größe einer Erbse - dies wird die FCA sein, aber wir wissen das immer noch nicht und unsere Aufgabe ist es, ihre Position zu finden.
Im Beispiel verwenden wir die folgende Eingabe:
- Berechnungsfrequenz 11538,5 MHz (Wellenlänge 25,982 mm)
- lineare horizontale Polarisation (in der Y-Achse)
- die Antenne selbst ist entlang der X-Achse gerichtet, d.h. Hauptstrahlungsrichtung θ = 90, φ = 0
Die Berechnung der traditionellen Fernfeldparameter in Ansys HFSS ergibt ein solches Strahlungsmuster in 3D und 2D
Momentanwerte der elektrischen Feldstärke (Volt / Meter) (E-Feld) je nach Phase
Integrale E-Feldstärke (für> 1 Umdrehung der Welle)
Alle diese Parameter des Fernfeldes (Fernfeld) werden sowohl bei Messungen im Vollmaßstab als auch in CAD-Simulationen auf einer unendlichen Kugel - der unendlichen Kugel - berechnet. Die Testantenne oder ihr Computermodell befindet sich in der Mitte einer solchen Kugel, und die Messsonde bewegt sich entlang des Umfangs einer solchen Kugel und misst die Amplitude, Polarisation (Amplitude einer der Komponenten) und die Phase der EM-Welle. Die Sonde kann stationär fixiert werden und die zu testende Antenne drehen.
Die Hauptsache ist:
- der Abstand war immer gleich (d. H. Es war genau die Messkugel)
- der Radius der Kugel war groß genug, so dass Messungen nur in dem Raumbereich durchgeführt wurden, in dem die Vektoren des elektrischen Feldes E und des magnetischen H in Phase sind, d.h. Keine der Komponenten überwiegt und ist aufgrund von Ladungsträgern, die sich in den Metallleitern der Antenne befinden, oder aufgrund geladener dielektrischer Moleküle nicht phasenverschoben (hat keine Reaktivität).
In
Ansys HFSS müssen Sie zur Durchführung von Fernfeldmessungen mindestens eine unendliche Kugel erstellen: Strahlung -> Fernfeld-Setup einfügen -> unendliche Kugel
φ und θ können immer von 0 bis 360 angegeben werden. Um jedoch Zeit bei Berechnungen zu sparen, ist es manchmal sinnvoll, den untersuchten Winkel auf einen bestimmten Sektor zu beschränken. Wenn Sie einen Schritt von 1 Grad angeben, belegt die gesamte Kugel 360 * 360 = 129.600 Entwurfspunkte und bei einem Schritt von 0,1 Grad fast 13 Millionen. Um 3D / 2D-Strahlungsmusterberichte zu erstellen, ist normalerweise ein Schritt von 2-3 Grad ausreichend (14.400 Entwurfspunkte pro Schritt) 3 Grad). Schritt 1 Grad oder weniger, ist es sinnvoll, nur für die Analyse der Scheibe zu verwenden
Auf der Registerkarte „Koordinatensystem“ hat jede Kugel notwendigerweise ein eigenes Koordinatenzentrum. Standardmäßig steht immer das globale Projektkoordinatenzentrum [0, 0, 0]. Falls gewünscht, können Sie eine beliebige Anzahl anderer relativer Koordinaten hinzufügen. Beide Elemente der Modellgeometrie und die benutzerdefinierte Kugel "Unendliche Kugel" können relativ zum globalen Koordinatenzentrum oder relativ zum benutzerdefinierten zugewiesen werden. Wir werden dies unten verwenden.
Die divergierende Phasenfront der Welle wurde in der Animation des obigen E-Feldes gesehen. Die EM-Welle bildet konzentrische Kreise, ähnlich wie Kreise auf Wasser aus einem verlassenen Stein. Das Phasenzentrum ist der Punkt, an dem ein solcher Stein geworfen wurde. Es ist zu sehen, dass sich seine Position irgendwo im Mund des Mundstücks befindet, aber seine genaue Position ist nicht offensichtlich.
Die PCA-Suchmethode basiert auf der Tatsache, dass wir die Richtung des E-Feldvektors (seiner Phase) über der Oberfläche einer unendlich entfernten Kugel betrachten.
Zur Demonstration werden wir 2 Animationen mit E-Feld-Vektoren auf einer Kugel mit einem Radius von 4 Lambda erstellen (dies ist keine unendliche Kugel, aber für eine bessere Skalierung des Bildes reicht ein solcher Radius aus).
Bei der ersten Animation wird der Mittelpunkt der Kugel genau in der FCA platziert
In der zweiten Animation befindet sich das Zentrum am Projektpunkt 0, 0, 0 (mit Blick auf die Zukunft sagen wir, dass es 25,06 mm hinter der PCA liegt)
Auf der Oberfläche der ersten Kugel (es ist eine Kurve, es ist keine Ebene) ist zu sehen, dass sich die Vektoren synchron bewegen. Ihre Amplitude (Größe) ist unterschiedlich, da der Antennenboden in der Mitte ein Maximum aufweist (bis zu 14,4 dBi), das bei Winkeln von ± 20 ° zweimal (-3 dB) allmählich ausgeblendet wird.
Wir interessieren uns nicht für Farbe / Länge, sondern für die Richtung des Vektors. Damit sie sich alle synchron (in Phase) bewegen.
In der ersten Animation bewegen sich alle Vektoren synchron, als ob sich der Ball nach rechts und links dreht.
In der zweiten Animation sind die Vektoren nicht synchron, einige haben bereits die Bewegungsrichtung geändert, andere noch nicht. Die Oberfläche dieser Kugel unterliegt ständig einer Oberflächenspannung / -verformung.
Die erste Kugel befindet sich in der FCA, die zweite nicht in der FCA.
Die Aufgabe der Suche nach der PCA mit dieser Methode besteht darin, die unendliche Kugel mit einem kleinen Schritt zu bewegen (Brute Force), bis die Phasenausbreitung in dem für uns interessierenden Bereich in dieser Sphäre (wir interessieren uns nur für die Hauptstrahlungskeule) minimal wird (idealerweise Null).
Bevor wir jedoch zu Brute Force übergehen, werden wir uns zunächst ansehen, wie die Phase HF in HFSS angezeigt werden kann.
In den Berichten des Fernfelds „Ergebnisse -> Fernfeldbericht erstellen“ können wir entweder ein traditionelles rechteckiges Diagramm (rechteckiges Diagramm) oder ein 2D-kreisförmiges Diagramm (Strahlungsmuster) anzeigen, wobei wir auf einer Achse (z. B. X) die Abhängigkeit der Winkelkoordinate (z. B. θ) und ableiten entlang der Y-Achse sind die Phasenwerte bei diesen Winkeln θ.
Der Bericht, den wir brauchen, ist rE - "bestrahltes E-Feld".
Für jeden Winkel [φ, θ] auf einer unendlichen Kugel wird die komplexe Zahl (Vektor) des elektrischen Feldes berechnet.
Bei der Erstellung gewöhnlicher Amplitudengraphen (Strahlungsmuster, Strahlungsleistungsverteilung in Richtung) interessiert uns die Amplitude (mag) dieses Feldes, die entweder als mag (rE) oder sofort unter Verwendung der bequemeren variablen Verstärkung erhalten werden kann (die Leistung wird relativ zur Leistung am Anregungsport und relativ zu angegeben) isotroper Emitter).
Bei der Konstruktion der Phase DN interessiert uns der Imaginärteil der komplexen Zahl (Vektorphase) in polarer Notation (in Grad). Verwenden Sie dazu die mathematische Funktion ang_deg (angle_in_ Grad) oder cang_deg (akkumulierter_ Winkel_in_ Grad).
Für die LNA Inverto Black Ultra-Antenne hat das Phasenmuster in der XZ-Ebene (φ = 0) mit horizontaler Anregungspolarisation (rEY) diese Form
Der Winkel Theta = 90 ist die Strahlung vorwärts, Theta = 0 nach oben, Theta = 180 nach unten.
Ang_deg- Werte variieren von -180 bis +180, ein Winkel von 181 ° ist ein Winkel von -179 °, sodass die Grafik beim Durchlaufen der Punkte ± 180 ° die Form einer Säge hat.
Die
cang_deg- Werte
werden akkumuliert, wenn die Richtung der Phasenänderung konstant ist. Wenn die Phase bis zu 3 volle Umdrehungen gemacht hat (6-mal um 180 ° gekreuzt), erreicht der akkumulierte Wert 1070 °.
Wie am Anfang des Artikels geschrieben, sind die Phasen- und Amplitudenmuster von Antennen normalerweise miteinander verbunden. In benachbarten Amplitudenkeulen (Strahl) unterscheiden sich die Phasen um 180 °.
Wir überlagern einander Diagramme der Phasen- (rot / hellgrün) und Amplituden- (lila) DNs
Die Buckel auf der Amplitude DN folgen eindeutig den Phasenbrüchen, wie in den Büchern geschrieben.
Wir interessieren uns für die Phasenfront nur in einem bestimmten Bereich des Raums innerhalb der Hauptstrahlungskeule (die verbleibenden Keulen leuchten immer noch am Parabolspiegel vorbei).
Daher beschränken wir den Graphen nur auf den Sektor 90 ± 45 ° (45-135 °).
Fügen Sie zu den Diagrammmarkierungen MIN (m1) und MAX (m2) hinzu, die die größte Phasenausbreitung im untersuchten Sektor zeigen.
Zusätzlich fügen wir die mathematische Funktion pk2pk () hinzu, die automatisch nach dem Minimum und Maximum im gesamten Diagramm sucht und den Unterschied anzeigt.
In der obigen Grafik ist die Differenz m2-m1 = pk2pk = 3,839 °
Die Aufgabe, die FCA zu finden, besteht darin, die unendliche Kugel mit einem kleinen Schritt zu bewegen, bis der Wert der Funktion pk2pk (cang_deg (rE)) minimiert ist.
Um Infinite Sphere zu verschieben, müssen Sie ein weiteres zusätzliches Koordinatensystem erstellen:
Modeler -> Koordinatensystem -> Erstellen -> Relative CS -> OffsetDa wir offensichtlich wissen, dass sich die PCA für ein symmetrisches Horn auf der X-Achse befindet (Z = Y = 0), setzen wir für Z und Y 0 und bewegen uns nur entlang der X-Achse, für die wir die Variable Pos (mit dem Anfangswert 0) zuweisen mm)
Erstellen Sie eine Optimierungsaufgabe, um den Brute-Force-Prozess zu automatisieren.
Optimetrics -> Add -> Parametric und stellen Sie die variable Tonhöhe Pos auf 1 mm im Bereich von 0 bis 100 mm ein
Auf der Registerkarte „
Berechnungen -> Berechnung einrichten “ wählen wir den Berichtstyp „Fernfeld“ und die Funktion pk2pk (cang_deg (rEY)). Geben Sie in der Schaltfläche "Bereichsfunktionen" einen Bereich von -45 bis +45 Grad (oder einen anderen interessanten) an.
Führen Sie
ParametricSetup1 -> Analyze aus .
Die Berechnung ist schnell genug, weil Alle Fernfeldberechnungen werden nachbearbeitet und erfordern keine erneute Lösung des Modells.
Klicken Sie nach Abschluss der Berechnung auf
ParametricSetup1 -> Analyseergebnisse anzeigen .
Wir sehen ein klares Minimum in einem Abstand von X = 25 mm
Für eine höhere Genauigkeit bearbeiten wir die parametrische Analyse im Bereich von 25,0 bis 25,1 mm mit einem Schritt von 0,01 mm
Wir erhalten ein klares Minimum bei X = 25,06 mm
Um visuell zu bewerten, wo sich die FCA im Modell herausgestellt hat, können Sie Kugeln (Nichtmodell) oder Punkte zeichnen.
Hier werden am Punkt X = 25,06 mm 2 Kugeln platziert (mit einem Radius von 2 und 4 Lambda)
Hier ist das gleiche in der Animation
Hier ist eine größere Nahaufnahme der Ebene und der Erbse am Punkt X = 25.06
Es wird allgemein angenommen, dass in HFSS (und anderen Programmen wie CST), wenn ein 3D-Plot-Plot auf die Antennengeometrie angewendet wird, ein solches Plot automatisch in der PCA platziert wird.
Leider ist das nicht so. Das 3D-Diagramm wird immer in der Mitte des Koordinatensystems überlagert, das beim Einstellen der "unendlichen Kugel" für dieses Diagramm verwendet wurde. Wenn das globale Standardkoordinatensystem [0, 0, 0] verwendet wurde, wird das 3D-Diagramm bei 0,0,0 platziert (auch wenn die Antenne selbst weit entfernt ist).
Um die Diagramme zu kombinieren, müssen Sie in den 3D-Plot-Einstellungen die „Unendliche Sphäre“ auswählen (eine andere erstellen), für die „Relative CS“ an der Stelle der PCA festgelegt ist, die wir manuell gefunden haben.
Es ist zu beachten, dass eine solche Überlagerung nur für den untersuchten Sektor (z. B. den Hauptstrahl des NAM) gilt. In den Seiten- und Hinterkeulen des FC kann sie sich an einer anderen Stelle befinden oder nicht sphärisch sein.
Beachten Sie auch, dass die Einstellungen für die unendliche Kugel nichts mit der Randbedingung der Strahlungsgrenze zu tun haben. Die Rad-Ebene kann als Rechteck, Kegel, Zylinder, Kugel, Rotationsellipsoid definiert werden und ihre Position, Form und Rotation nach Belieben verschieben. Die Position und Form der Unendlichen Kugel ändert sich nicht. Es wird immer eine Kugel (Kugel) mit einem unendlichen (ausreichend großen) Radius sein, die in einem gegebenen Koordinatensystem zentriert ist.
Die Modelldatei LNB_InvertoBlackUltra.aedt für das Studium ist verfügbar unter:
https://goo.gl/RzuWxW (Google Drive). Zum Öffnen der Datei ist Ansys Electronics Desktop v19 oder höher erforderlich (nicht niedriger als 2018.1).