Lors du calcul dans la technique à haute fréquence utilisant des systèmes de réflexion de miroir (miroirs paraboliques), la tâche de toujours trouver le centre de phase de l'antenne (FCA) se pose toujours, car Le bon fonctionnement du miroir n'est possible que si l'antenne (appelée alimentation, alimentateur, corne d'alimentation) est au point et a un front de phase de l'onde sous la forme d'une sphère, et que le centre de cette sphère est au centre du miroir. Avec tous les écarts, à la fois la forme du front de phase de la sphère et le déplacement du PCA du foyer du miroir, l'efficacité du système de miroir diminue, car son diagramme de rayonnement est déformé.
Bien que le sujet de la recherche FCA soit tout à fait pertinent même dans la vie quotidienne, car en plus des antennes de télévision par satellite traditionnelles, les antennes paraboliques pour WiFi, WiMAX et les communications cellulaires (UMTS / 3G, LTE / 4G) sont également très répandues - néanmoins, un tel sujet est mal couvert dans la littérature et les utilisateurs souvent confondre le diagramme de phase avec le diagramme de rayonnement habituel.
Dans les vidéos sur les programmes de simulation informatique, vous pouvez parfois trouver des instructions pratiques sur la façon de rechercher le FCA, mais généralement il n'y a même pas une explication minimale de ce que nous recherchons et de ce que nous obtenons.
Par conséquent, pour combler le vide, nous écrirons un court article avec des exemples pratiques.
Le diagramme de rayonnement de phase est la dépendance de la phase du champ électromagnétique émis par l'antenne sur les coordonnées angulaires.
(A.P. Pudovkin, Yu.N. Panasyuk, A.A. Ivankov -
Principes fondamentaux de la théorie de l'antenne )
Les vecteurs du champ E et H étant en phase dans la zone éloignée de l'antenne, le faisceau de phase est également lié à la composante électrique et magnétique du champ électromagnétique émis par l'antenne.
Le motif de phase est désigné par la lettre grecque Psi:
Ψ = Ψ (θ, φ) , pour r = const.
Si Ψ (θ, φ) = const à r = const, cela signifie que l'antenne forme un front de phase de l'onde sous la forme d'une sphère.
Le centre de cette sphère, dans lequel se trouve l'origine du système de coordonnées, est appelé le centre de phase de l'antenne (FCA).
Le centre de phase de l'antenne est le point auquel vous pouvez placer un seul émetteur d'une onde sphérique, équivalent au système d'antenne en question par rapport à la phase du champ créé.
(Drabkin A.L.,
dispositifs d'alimentation d'antenne Zuzenko V.L.)
FCA n'a pas toutes les antennes. Pour les antennes ayant un centre de phase et un faisceau d'amplitude multi-lobe avec des zéros distincts entre elles, la phase du champ dans les lobes adjacents diffère de π (180 °).
La relation entre les diagrammes de rayonnement d'amplitude et de phase d'une même antenne est illustrée
Dans les antennes réelles, le centre de phase est généralement considéré dans les angles limités du lobe principal du diagramme de rayonnement. La position du centre de phase dépend de la fréquence du signal utilisé, de la direction de rayonnement / réception de l'antenne, de sa polarisation et d'autres facteurs. Certaines antennes n'ont pas de centre de phase au sens conventionnel.
Dans les cas les plus simples, par exemple, pour une antenne parabolique, le centre de phase coïncide avec le foyer du paraboloïde et peut être déterminé à partir de considérations géométriques. Dans les cas plus complexes, comme les antennes à cornet, la position du centre de phase n'est pas évidente et nécessite des mesures appropriées.
Les mesures à grande échelle du centre de phase prennent beaucoup de temps (en particulier dans une large bande de fréquences).
Dans les simulateurs CAD de champs électromagnétiques, le calcul de la FCA est une tâche très simple, mais elle nécessite encore plusieurs manipulations manuelles, car il est effectué par force brute et nécessite une petite configuration initiale de la fonction que nous allons utiliser en force brute.
Pour les calculs pratiques, nous prenons un véritable irradiateur parabole pour la gamme en bande Ku - LNB du fabricant Inverto, la série Black Ultra.
Ce feeder a ce formulaire (dans la section)
Une balle de la taille d'un pois - ce sera la FCA, mais nous ne le savons toujours pas et notre tâche est de trouver sa position.
Dans l'exemple, nous utiliserons l'entrée suivante:
- fréquence de calcul 11538,5 MHz (longueur d'onde 25,982 mm)
- polarisation horizontale linéaire (dans l'axe Y)
- l'antenne elle-même est dirigée le long de l'axe X, c'est-à-dire direction de rayonnement principale θ = 90, φ = 0
Le calcul des paramètres traditionnels du champ lointain dans Ansys HFSS donne un tel diagramme de rayonnement en 3D et 2D
Valeurs instantanées de l'intensité du champ électrique (Volt / mètre) (champ E) selon la phase
Intensité du champ E intégré (pour> 1 tour de l'onde)
Tous ces paramètres du champ lointain (Far-Field) à la fois dans les mesures à grande échelle et dans les simulations CAO sont calculés sur une sphère infinie - Infinite Sphere. L'antenne de test ou son modèle informatique est placée au centre d'une telle sphère, et la sonde de mesure se déplace le long du périmètre d'une telle sphère et mesure l'amplitude, la polarisation (amplitude de l'un des composants) et la phase de l'onde EM. La sonde peut être fixe et faire pivoter l'antenne testée.
L'essentiel est:
- la distance était toujours la même (c'est-à-dire que c'était précisément la sphère de mesure)
- le rayon de la sphère était suffisamment grand pour que les mesures soient effectuées uniquement dans la région de l'espace où les vecteurs du champ électrique E et magnétique H sont en phase, c'est-à-dire aucun des composants ne prédomine et n'est pas déphasé (n'a aucune réactivité) en raison de porteurs de charge qui sont dans les conducteurs métalliques de l'antenne ou en raison de molécules diélectriques chargées.
Dans
Ansys HFSS, pour effectuer des mesures en champ lointain, vous devez créer au moins une sphère infinie: Radiation -> Insert Far Field Setup -> Infinite Sphere
φ et θ peuvent toujours être spécifiés de 0 à 360, mais pour gagner du temps sur les calculs, il est parfois rationnel de limiter l'angle étudié à un certain secteur. Lorsque vous définissez le pas à 1 degré, la sphère entière occupera 360 * 360 = 129 600 points de conception, et au pas de 0,1 degré près de 13 millions. Pour créer des rapports de diagramme de rayonnement 3D / 2D, une étape de 2-3 degrés est généralement suffisante (14 400 points de conception à l'étape 3 degrés). Étape 1 degré ou moins, il est logique de l'utiliser uniquement pour l'analyse de la tranche
Dans l'onglet «Système de coordonnées», chaque sphère a nécessairement son propre centre de coordonnées. Par défaut, il y a toujours le centre de coordonnées global du projet [0, 0, 0]. Si vous le souhaitez, vous pouvez ajouter un nombre quelconque d'autres coordonnées relatives. Les deux éléments de la géométrie du modèle et de la sphère définie par l'utilisateur "Sphère infinie" peuvent être attribués par rapport au centre de coordonnées global ou par rapport à celui défini par l'utilisateur. Nous utiliserons ceci ci-dessous.
Le front de phase divergent de l'onde a été vu dans l'animation du champ E ci-dessus. L'onde EM forme des cercles concentriques, similaires aux cercles sur l'eau d'une pierre abandonnée. Le centre de phase est le point où une telle pierre a été lancée. On peut voir que sa position est quelque part dans la bouche de l'embout buccal, mais sa position exacte n'est pas évidente.
La méthode de recherche PCA est basée sur le fait que nous regardons la direction du vecteur de champ E (sa phase) sur la surface d'une sphère infiniment éloignée.
Pour démonstration, nous allons créer 2 animations avec des vecteurs de champ E sur une sphère avec un rayon de 4 lambda (ce n'est pas une sphère infinie, mais pour une meilleure échelle de l'image, un tel rayon suffit).
Sur la première animation, le centre de la sphère est placé exactement dans le FCA
Dans la deuxième animation, le centre est situé au point de projet 0, 0, 0 (en regardant vers l'avant, disons qu'il est à 25,06 mm derrière le PCA)
A la surface de la première sphère (c'est une courbe, ce n'est pas un plan), on voit que les vecteurs se déplacent de manière synchrone. Leur amplitude (magnitude) est différente, car le fond de l'antenne a un maximum au centre (jusqu'à 14,4 dBi) qui s'estompe progressivement 2 fois (-3 dB) à des angles de ± 20 °.
Nous ne nous intéressons pas à la couleur / longueur, mais à la direction du vecteur. Pour qu'ils se déplacent tous de manière synchrone (en phase).
Dans la première animation, tous les vecteurs se déplacent de manière synchrone, comme si la balle tournait à droite et à gauche.
Dans la deuxième animation, les vecteurs ne sont pas synchrones, certains ont déjà changé la direction du mouvement, d'autres pas encore. La surface de cette sphère subit constamment une tension / déformation de surface.
La première sphère est située dans le FCA, la seconde n'est pas dans le FCA.
La tâche de recherche de l'APC en utilisant cette méthode est de déplacer (force brute) la sphère infinie avec un petit pas jusqu'à ce que la phase se propage dans la zone qui nous intéresse dans cette sphère (nous ne sommes intéressés que par le lobe de rayonnement principal) devient minimale (idéalement, zéro).
Mais avant de passer à la force brute, nous allons d'abord voir comment la phase HF peut être affichée dans HFSS.
Dans les rapports du champ lointain «Résultats -> Créer un rapport de champ lointain», nous pouvons afficher soit un graphique rectangulaire traditionnel (tracé rectangulaire) ou un graphique circulaire 2D (motif de rayonnement) où sur un axe (par exemple X) nous dérivons la dépendance de la coordonnée angulaire (par exemple θ), et le long de l'axe Y, les valeurs de phase à ces angles θ.
Le rapport dont nous avons besoin est rE - «champ E rayonné».
Pour chaque angle [φ, θ] sur une sphère infinie, le nombre complexe (vecteur) du champ électrique est calculé.
Lors de la construction de graphiques d'amplitude ordinaires (diagramme de rayonnement, distribution de la puissance de rayonnement dans la direction), nous nous intéressons à l'amplitude (mag) de ce champ, qui peut être obtenue soit sous forme de mag (rE), soit immédiatement en utilisant la variable de gain plus pratique (la puissance est donnée par rapport à la puissance au port d'excitation et par rapport à émetteur isotrope).
Lors de la construction de la phase DN, nous nous intéressons à la partie imaginaire du nombre complexe (phase vectorielle) en notation polaire (en degrés). Pour ce faire, utilisez la fonction mathématique ang_deg (angle_in_ degrés) ou cang_deg (accumulated_ angle_in_degrees)
Pour l'antenne LNA Inverto Black Ultra, le diagramme de phase dans le plan XZ (φ = 0) avec polarisation d'excitation horizontale (rEY) a cette forme
L'angle Theta = 90 est le rayonnement vers l'avant, Theta = 0 vers le haut, Theta = 180 vers le bas.
Les valeurs
Ang_deg varient de -180 à +180, un angle de 181 ° est un angle de -179 °, donc le graphique a la forme d'une scie en passant par les points ± 180 °.
Les valeurs
cang_deg sont accumulées si la direction du changement de phase est constante. Si la phase a effectué jusqu'à 3 tours complets (croisés 180 ° 6 fois), la valeur cumulée atteint 1070 °.
Comme cela a été écrit au début de l'article, les diagrammes de phase et d'amplitude des antennes sont généralement connectés les uns aux autres. Dans les lobes d'amplitude adjacents (faisceau), les phases diffèrent de 180 °.
On superpose les uns sur les autres les graphes des DN de phase (rouge / vert clair) et d'amplitude (violet)
Les bosses sur l'amplitude DN suivent clairement les fractures de phase, comme il est écrit dans les livres.
Nous ne nous intéressons au front de phase que dans un certain secteur de l'espace, à l'intérieur du lobe de rayonnement principal (les lobes restants brillent toujours devant le miroir parabolique).
Par conséquent, nous limitons le graphique uniquement au secteur 90 ± 45 ° (45-135 °).
Ajoutez au graphique les marqueurs MIN (m1) et MAX (m2) qui montrent la plus grande dispersion de phase dans le secteur étudié.
De plus, nous ajoutons la fonction mathématique pk2pk () qui recherche automatiquement le minimum et le maximum sur tout le graphique et montre la différence.
Dans le graphique ci-dessus, la différence m2-m1 = pk2pk = 3,839 °
La tâche de trouver le FCA est de déplacer la sphère infinie d'un petit pas jusqu'à ce que la valeur de la fonction pk2pk (cang_deg (rE)) soit minimisée.
Pour déplacer Infinite Sphere, vous devez créer un autre système de coordonnées supplémentaire:
Modeler -> Coordinate System -> Create -> Relative CS -> Offsetpuisque nous savons évidemment que pour une corne symétrique le PCA sera sur l'axe X (Z = Y = 0), alors pour Z et Y nous mettons 0, et il se déplacera seulement le long de l'axe X, pour lequel nous assignons la variable Pos (avec la valeur initiale 0 mm)
Pour automatiser le processus de force brute, créez une tâche d'optimisation.
Optimetrics -> Add -> Parametric , et définissez le pas variable Pos sur 1 mm, dans une plage de 0 à 100 mm
Dans l'onglet «
Calculs -> Configuration du calcul », nous sélectionnons le type de rapport «Champ lointain» et la fonction pk2pk (cang_deg (rEY)). Dans le bouton "Fonctions de plage", spécifiez une plage de -45 à +45 degrés (ou tout autre intéressant)
Exécutez
ParametricSetup1 -> Analyze .
Le calcul est assez rapide, car Tous les calculs en champ lointain sont du post-traitement et ne nécessitent pas de re-résoudre le modèle.
Une fois le calcul terminé, cliquez sur
ParametricSetup1 -> Afficher les résultats de l'analyse .
Nous voyons un minimum clair à une distance de X = 25 mm
Pour une plus grande précision, nous modifions l'analyse paramétrique dans la plage de 25,0-25,1 mm avec un pas de 0,01 mm
On obtient un minimum clair à X = 25,06 mm
Afin d'évaluer visuellement où le FCA s'est avéré dans le modèle, vous pouvez dessiner des sphères (non-modèle) ou des points.
Ici au point X = 25,06 mm 2 sphères sont placées (avec un rayon de 2 et 4 lambda)
Voici la même chose en animation
Voici un gros plan plus gros de l'avion et du pois au point X = 25,06
Il est largement admis que dans HFSS (et d'autres programmes, tels que CST), lorsqu'un tracé de tracé 3D est appliqué à la géométrie de l'antenne, un tel tracé est automatiquement placé dans l'ACP.
Ce n'est malheureusement pas le cas. Le graphique 3D est toujours superposé au centre du système de coordonnées utilisé lors du réglage de la "sphère infinie" pour ce graphique. Si le système de coordonnées globales par défaut [0, 0, 0] a été utilisé, le tracé 3D sera placé à 0,0,0 (même si l'antenne elle-même est loin).
Pour combiner les graphiques, dans les paramètres du tracé 3D, vous devez sélectionner la «sphère infinie» (créez-en une autre) pour laquelle «CS relatif» est défini au point de l'ACP que nous avons trouvé manuellement.
Il convient de noter qu'une telle superposition ne sera vraie que pour le secteur à l'étude (par exemple, le faisceau principal du faisceau), dans les lobes latéraux et arrière du FC, elle peut être à un autre endroit ou être non sphérique.
Notez également que les paramètres Infinite Sphere n'ont rien à voir avec la condition aux limites de rayonnement. La couche Rad peut être définie comme un rectangle, un cône, un cylindre, une boule, un ellipsoïde de rotation et déplacer sa position, sa forme et sa rotation comme vous le souhaitez. La position et la forme de la sphère infinie ne changeront pas. Ce sera toujours une sphère (boule) avec un rayon infini (suffisamment grand) et centrée dans un système de coordonnées donné.
Le fichier modèle LNB_InvertoBlackUltra.aedt pour étude est disponible sur:
https://goo.gl/RzuWxW (Google Drive). Ansys Electronics Desktop v19 ou supérieur est requis pour ouvrir le fichier (pas inférieur à 2018.1)