Al calcular en la técnica de alta frecuencia utilizando sistemas de reflejo de espejo (espejos parabólicos), siempre surge la tarea de buscar el centro de fase de la antena (FCA), porque El funcionamiento correcto del espejo solo es posible si la antena (llamada alimentación, alimentador, bocina de alimentación) está enfocada y tiene una fase frontal de la onda en forma de esfera, y el centro de esta esfera está enfocado en el espejo. Con cualquier desviación, tanto la forma del frente de fase de la esfera como el desplazamiento del PCA del foco del espejo, la eficiencia del sistema del espejo disminuye, porque su patrón de radiación está distorsionado.
Aunque el tema de la búsqueda FCA es bastante relevante incluso en la vida cotidiana, porque además de las antenas de TV satelitales tradicionales, las antenas parabólicas para WiFi, WiMAX y comunicaciones celulares (UMTS / 3G, LTE / 4G) también están muy extendidas; sin embargo, este tema está poco cubierto en la literatura y los usuarios a menudo confundir el patrón de fase con el patrón de radiación habitual.
En los videos sobre programas de simulación por computadora, a veces puede encontrar instrucciones prácticas sobre cómo buscar FCA, pero por lo general ni siquiera hay una explicación mínima de lo que estamos buscando y de lo que obtenemos.
Por lo tanto, para llenar el vacío, escribiremos un breve artículo con ejemplos prácticos.
El patrón de radiación de fase es la dependencia de la fase del campo electromagnético emitido por la antena en las coordenadas angulares.
(A.P. Pudovkin, Yu.N. Panasyuk, A.A. Ivankov -
Fundamentos de la teoría de antenas )
Dado que los vectores del campo E y H están en fase en la zona lejana de la antena, el haz de fase está igualmente relacionado con el componente eléctrico y magnético del campo electromagnético emitido por la antena.
El patrón de fase está designado por la letra griega Psi:
Ψ = Ψ (θ, φ) , para r = const.
Si Ψ (θ, φ) = const en r = const, esto significa que la antena forma un frente de fase de la onda en forma de esfera.
El centro de esta esfera, en el que se encuentra el origen del sistema de coordenadas, se denomina centro de fase de la antena (FCA).
El centro de fase de la antena es el punto en el que puede colocar un solo emisor de una onda esférica, equivalente al sistema de antena en cuestión con respecto a la fase del campo creado.
(Drabkin A.L.,
dispositivos alimentadores de antena Zuzenko V.L.)
FCA no tiene todas las antenas. Para antenas que tienen un centro de fase y un haz de amplitud multilóbulo con ceros distintos entre ellas, la fase del campo en los lóbulos adyacentes difiere en π (180 °).
Se ilustra la relación entre los patrones de radiación de amplitud y fase de la misma antena.
En antenas reales, el centro de fase generalmente se considera dentro de los ángulos limitados del lóbulo principal del patrón de radiación. La posición del centro de fase depende de la frecuencia de la señal utilizada, la dirección de radiación / recepción de la antena, su polarización y otros factores. Algunas antenas no tienen un centro de fase en el sentido convencional.
En los casos más simples, por ejemplo, para una antena parabólica, el centro de fase coincide con el foco del paraboloide y puede determinarse a partir de consideraciones geométricas. En casos más complejos, como antenas de bocina, la posición del centro de fase no es obvia y requiere mediciones apropiadas.
Las mediciones a gran escala del centro de fase requieren mucho tiempo (especialmente en una banda de frecuencia amplia).
En simuladores CAD de campos electromagnéticos, calcular el FCA es una tarea muy simple, pero aún requiere varias manipulaciones manuales, porque se realiza por fuerza bruta y requiere una pequeña configuración inicial de la función a la que vamos a aplicar fuerza bruta.
Para cálculos prácticos, tomamos un irradiador de parábola real para la gama de bandas Ku - LNB del fabricante Inverto, la serie Black Ultra.
Este alimentador tiene este formulario (en la sección)
Una pelota del tamaño de un guisante: esta será la FCA, pero aún no lo sabemos y nuestra tarea es encontrar su posición.
En el ejemplo, utilizaremos la siguiente entrada:
- frecuencia de cálculo 11538.5 MHz (longitud de onda 25.982 mm)
- polarización horizontal lineal (en el eje Y)
- la antena misma se dirige a lo largo del eje X, es decir Dirección principal de radiación θ = 90, φ = 0
El cálculo de los parámetros tradicionales de campo lejano en Ansys HFSS proporciona dicho patrón de radiación en 3D y 2D
Valores instantáneos de la intensidad del campo eléctrico (voltios / metro) (campo E) según la fase
Intensidad integral del campo E (para> 1 revolución de la ola)
Todos estos parámetros del campo lejano (Campo lejano) tanto en mediciones a gran escala como en simulaciones CAD se calculan en una esfera infinita: Esfera infinita. La antena de prueba o su modelo de computadora se coloca en el centro de dicha esfera, y la sonda de medición se mueve a lo largo del perímetro de dicha esfera y mide la amplitud, la polarización (amplitud de uno de los componentes) y la fase de la onda EM. La sonda puede ser fija estacionaria y girar la antena bajo prueba.
Lo principal es:
- la distancia siempre fue la misma (es decir, era precisamente la esfera de medición)
- el radio de la esfera era lo suficientemente grande como para que las mediciones se llevaran a cabo solo en esa región del espacio donde los vectores del campo eléctrico E y H magnético están en fase, es decir ninguno de los componentes predomina y no se desplaza en fase (no tiene reactividad) debido a los portadores de carga que se encuentran en los conductores metálicos de la antena o debido a las moléculas dieléctricas cargadas.
En
Ansys HFSS, para realizar mediciones de campo lejano, debe crear al menos una esfera infinita: Radiación -> Insertar configuración de campo lejano -> Esfera infinita
φ y θ siempre se pueden especificar de 0 a 360, pero para ahorrar tiempo en los cálculos, a veces es racional limitar el ángulo en estudio a un determinado sector. Si especifica un paso de 1 grado, la esfera completa ocupará 360 * 360 = 129,600 puntos de diseño, y en un paso de 0.1 grados casi 13 millones. Para crear informes de patrones de radiación 3D / 2D, un paso de 2-3 grados suele ser suficiente (14,400 puntos de diseño en un paso 3 grados). Paso 1 grado o menos, tiene sentido usar solo para el análisis de la porción
En la pestaña "Sistema de coordenadas", cada esfera necesariamente tiene su propio centro de coordenadas. Por defecto, siempre está el centro global de coordenadas del proyecto [0, 0, 0]. Si lo desea, puede agregar cualquier número de otras coordenadas relativas. Ambos elementos de la geometría del modelo y la esfera definida por el usuario "Esfera infinita" se pueden asignar en relación con el centro de coordenadas global o relativo al definido por el usuario. Usaremos esto a continuación.
El frente de fase divergente de la ola se vio en la animación del campo E de arriba. La onda EM forma círculos concéntricos, similares a los círculos en el agua de una piedra abandonada. El centro de fase es el punto en el que se arrojó dicha piedra. Se puede ver que su posición está en algún lugar de la boca de la boquilla, pero su posición exacta no es obvia.
El método de búsqueda de PCA se basa en el hecho de que observamos la dirección del vector de campo E (su fase) sobre la superficie de una esfera infinitamente remota.
Para la demostración, crearemos 2 animaciones con vectores de campo E en una esfera con un radio de 4 lambda (esta no es una esfera infinita, pero para una mejor escala de la imagen, dicho radio es suficiente).
En la primera animación, el centro de la esfera se coloca exactamente en el FCA
En la segunda animación, el centro está ubicado en el punto 0, 0, 0 del proyecto (mirando hacia adelante, digamos que está 25.06 mm detrás del PCA)
En la superficie de la primera esfera (es una curva, no es un plano) se puede ver que los vectores se mueven sincrónicamente. Su amplitud (magnitud) es diferente, porque la parte inferior de la antena tiene un máximo en el centro (hasta 14.4 dBi) que se desvanece gradualmente 2 veces (-3 dB) en ángulos de ± 20 °.
No estamos interesados en el color / longitud, sino en la dirección del vector. Para que todos se muevan sincrónicamente (en fase).
En la primera animación, todos los vectores se mueven sincrónicamente, como si la pelota girara hacia la derecha y hacia la izquierda.
En la segunda animación, los vectores no son sincrónicos, algunos ya han cambiado la dirección del movimiento, otros aún no. La superficie de esta esfera sufre constantemente tensión / deformación superficial.
La primera esfera está ubicada en la FCA, la segunda no está en la FCA.
La tarea de buscar el PCA usando este método es mover (fuerza bruta) la Esfera Infinita con un pequeño paso hasta que la fase se extienda en el área de interés para nosotros (estamos interesados solo en el lóbulo de radiación principal) se vuelve mínima (idealmente, cero).
Pero antes de pasar a la fuerza bruta, primero veremos cómo se puede mostrar la fase HF en HFSS.
En los informes del campo lejano "Resultados -> Crear informe de campo lejano" podemos mostrar un gráfico rectangular tradicional (gráfico rectangular) o un gráfico circular 2D (patrón de radiación) donde en un eje (por ejemplo X) derivamos la dependencia de la coordenada angular (por ejemplo θ), y a lo largo del eje Y, los valores de fase en estos ángulos θ.
El informe que necesitamos es rE - "campo E irradiado".
Para cada ángulo [φ, θ] en una esfera infinita, se calcula el número complejo (vector) del campo eléctrico.
Al construir los gráficos de amplitud habituales (patrón de radiación, distribución de la potencia de radiación en la dirección), estamos interesados en la amplitud (mag) de este campo, que puede obtenerse como mag (rE) o inmediatamente utilizando la ganancia variable más conveniente (la potencia se da en relación con la potencia en el puerto de excitación y en relación con emisor isotrópico).
Al construir la fase DN, estamos interesados en la parte imaginaria del número complejo (fase vectorial) en notación polar (en grados). Para hacer esto, use la función matemática ang_deg (ángulo_en_ grados) o cang_deg (acumulado_ ángulo_en_grados)
Para la antena LNA Inverto Black Ultra, el patrón de fase en el plano XZ (φ = 0) con polarización de excitación horizontal (rEY) tiene esta forma
El ángulo Theta = 90 es la radiación hacia adelante, Theta = 0 hacia arriba, Theta = 180 hacia abajo.
Los valores de
Ang_deg varían de -180 a +180, un ángulo de 181 ° es un ángulo de -179 °, por lo que el gráfico tiene la forma de una sierra al pasar por los puntos ± 180 °.
Los valores de
cang_deg se acumulan si la dirección del cambio de fase es constante. Si la fase ha realizado hasta 3 revoluciones completas (cruzada 180 ° 6 veces), el valor acumulado alcanza 1070 °.
Como se escribió al comienzo del artículo, los patrones de fase y amplitud de las antenas generalmente están conectados entre sí. En lóbulos de amplitud adyacentes (haz), las fases difieren en 180 °.
Superponemos uno sobre otro gráficos de los DN de fase (rojo / verde claro) y amplitud (púrpura)
Las jorobas en la amplitud DN siguen claramente las fracturas de fase, como está escrito en los libros.
Estamos interesados en el frente de fase solo en un determinado sector del espacio, dentro del lóbulo de radiación principal (los lóbulos restantes aún brillan más allá del espejo parabólico).
Por lo tanto, restringimos el gráfico solo al sector 90 ± 45 ° (45-135 °).
Agregue a los marcadores del gráfico MIN (m1) y MAX (m2) que muestran la mayor extensión de fase en el sector estudiado.
Además, agregamos la función matemática pk2pk () que busca automáticamente el mínimo y el máximo en todo el gráfico y muestra la diferencia.
En el gráfico anterior, la diferencia m2-m1 = pk2pk = 3.839 °
La tarea de encontrar el FCA es mover la Esfera Infinita con un pequeño paso hasta que el valor de la función pk2pk (cang_deg (rE)) se minimice.
Para mover Infinite Sphere, debe crear otro sistema de coordenadas adicional:
Modelador -> Sistema de coordenadas -> Crear -> CS relativo -> Desplazamientoya que obviamente sabemos que para una bocina simétrica, la PCA estará en el eje X (Z = Y = 0), luego para Z e Y estableceremos 0, y solo se moverá a lo largo del eje X, para lo cual asignamos la variable Pos (con el valor inicial 0 mm)
Para automatizar el proceso de fuerza bruta, cree una tarea de optimización.
Optimetrics -> Add -> Parametric , y establece el paso variable Pos a 1 mm, en el rango de 0 a 100 mm
En la pestaña "
Cálculos -> Configurar cálculo " seleccionamos el tipo de informe "Campo lejano" y la función pk2pk (cang_deg (rEY)). En el botón "Funciones de rango", especifique un rango de -45 a +45 grados (o cualquier otro interesante)
Ejecute
ParametricSetup1 -> Analyze .
El cálculo es lo suficientemente rápido, porque Todos los cálculos de campo lejano son Postprocesamiento y no requieren volver a resolver el modelo.
Una vez completado el cálculo, haga clic en
ParametricSetup1 -> Ver resultados de análisis .
Vemos un mínimo claro a una distancia de X = 25 mm
Para mayor precisión, editamos el análisis paramétrico en el rango de 25.0-25.1 mm con un paso de 0.01 mm
Obtenemos un mínimo claro en X = 25.06 mm
Para evaluar visualmente dónde ha resultado la FCA en el modelo, puede dibujar esferas (No modelo) o puntos.
Aquí en el punto X = 25.06 mm se colocan 2 esferas (con un radio de 2 y 4 lambda)
Aquí es lo mismo en animación
Aquí hay un primer plano más grande del avión y el guisante en el punto X = 25.06
En general, se cree que en HFSS (y otros programas, como CST), cuando se aplica un diagrama de trazado 3D a la geometría de la antena, dicho diagrama se coloca automáticamente en el PCA.
Lamentablemente esto no es así. El gráfico 3D siempre se superpone en el centro del sistema de coordenadas que se usó al configurar la "Esfera infinita" para este gráfico. Si se usó el sistema de coordenadas global predeterminado [0, 0, 0], el diagrama 3D se colocará en 0,0,0 (incluso si la antena está muy lejos).
Para combinar los gráficos, en la configuración de Trazado 3D debe seleccionar la “Esfera infinita” (cree otra) para la cual se establezca “CS relativo” en el punto de la PCA que encontramos manualmente.
Cabe señalar que dicha superposición será verdadera solo para el sector en estudio (por ejemplo, el haz principal del haz), en los lóbulos laterales y traseros del FC, puede estar en otro lugar o ser no esférico.
También tenga en cuenta que la configuración de Esfera infinita no tiene nada que ver con la condición de límite del límite de radiación. La capa Rad se puede definir como un rectángulo, cono, cilindro, bola, elipsoide de rotación, y mover su posición, forma y rotación a su gusto. La posición y la forma de la Esfera Infinita no cambiarán. Siempre será una esfera (bola) con un radio infinito (suficientemente grande) y centrada en un sistema de coordenadas dado.
El archivo de modelo LNB_InvertoBlackUltra.aedt para estudio está disponible en:
https://goo.gl/RzuWxW (Google Drive). Se requiere Ansys Electronics Desktop v19 o superior para abrir el archivo (no inferior a 2018.1)