Ketika menghitung dalam teknik frekuensi tinggi menggunakan sistem pemantulan cermin (cermin parabola), tugas untuk selalu menemukan pusat fase antena (FCA) selalu muncul, karena Pengoperasian cermin yang benar hanya dimungkinkan jika antena (disebut feed, feeder, feedhorn) dalam fokus dan memiliki fase depan gelombang dalam bentuk bola, dan pusat bola ini berada dalam fokus cermin. Dengan penyimpangan apa pun, baik bentuk fase depan dari bola dan perpindahan PCA dari fokus cermin, efisiensi sistem cermin berkurang, karena pola radiasi yang terdistorsi.
Meskipun topik pencarian FCA cukup relevan bahkan dalam kehidupan sehari-hari, karena selain antena TV satelit tradisional, antena parabola untuk WiFi, WiMAX dan komunikasi seluler (UMTS / 3G, LTE / 4G) juga tersebar luas - namun demikian, topik seperti itu tidak banyak dibahas dalam literatur dan pengguna sering bingung pola fasa dengan pola radiasi yang biasa.
Dalam video tentang program simulasi komputer, kadang-kadang Anda dapat menemukan instruksi praktis tentang cara mencari FCA, tetapi biasanya tidak ada penjelasan minimal tentang apa yang kami cari dan apa yang kami dapatkan.
Karena itu, untuk mengisi kekosongan, kami akan menulis artikel pendek dengan contoh-contoh praktis.
Pola radiasi fase adalah ketergantungan fase medan elektromagnetik yang dipancarkan oleh antena pada koordinat sudut.
(A.P. Pudovkin, Yu.N. Panasyuk, A.A. Ivankov -
Dasar -
dasar teori antena )
Karena vektor medan E dan H berada dalam fase di zona jauh antena, sinar fase sama-sama terkait dengan komponen listrik dan magnetik medan elektromagnetik yang dipancarkan oleh antena.
Pola fase ditunjuk oleh huruf Yunani Psi:
Ψ = Ψ (θ, φ) , untuk r = const.
Jika Ψ (θ, φ) = const at r = const, maka ini berarti bahwa antena membentuk fase depan gelombang dalam bentuk bola.
Pusat bola ini, tempat asal sistem koordinat berada, disebut pusat fase antena (FCA).
Pusat fase antena adalah titik di mana Anda dapat menempatkan emitor tunggal dari gelombang bola, setara dengan sistem antena yang dimaksud sehubungan dengan fase bidang yang dibuat.
(Drabkin A.L., Zuzenko V.L.
Perangkat pengumpan antena )
FCA tidak memiliki semua antena. Untuk antena yang memiliki pusat fase dan balok amplitudo multi-lobus dengan nol di antaranya, fase medan di lobus yang berdekatan berbeda oleh π (180 °).
Hubungan antara amplitudo dan pola radiasi fasa antena yang sama diilustrasikan
Dalam antena nyata, pusat fase biasanya dipertimbangkan dalam sudut terbatas dari lobus utama dari pola radiasi. Posisi pusat fase tergantung pada frekuensi sinyal yang digunakan, arah radiasi / penerimaan antena, polarisasi dan faktor lainnya. Beberapa antena tidak memiliki pusat fase dalam arti konvensional.
Dalam kasus yang paling sederhana, misalnya, untuk antena parabola, pusat fase bertepatan dengan fokus parabola dan dapat ditentukan dari pertimbangan geometris. Dalam kasus yang lebih kompleks, seperti antena tanduk, posisi pusat fase tidak jelas dan memerlukan pengukuran yang tepat.
Pengukuran skala penuh dari pusat fase sangat memakan waktu (terutama di pita frekuensi lebar).
Dalam CAD-simulator bidang elektromagnetik, menghitung FCA adalah tugas yang sangat sederhana, tetapi masih memerlukan beberapa manipulasi manual, karena itu dilakukan oleh brute force dan membutuhkan sedikit pengaturan awal dari fungsi yang akan kita brute force.
Untuk perhitungan praktis, kami mengambil irradiator parabola nyata untuk rentang Ku-band - LNB dari pabrikan Inverto, seri Black Ultra.
Pengumpan ini memiliki formulir ini (di bagian)
Sebuah bola seukuran kacang polong - ini akan menjadi FCA, tapi kami masih tidak tahu ini dan tugas kami adalah menemukan posisinya.
Dalam contoh ini, kita akan menggunakan input berikut:
- frekuensi perhitungan 11538.5 MHz (panjang gelombang 25.982 mm)
- polarisasi horisontal linier (pada sumbu Y)
- antena itu sendiri diarahkan sepanjang sumbu X, mis. arah radiasi utama θ = 90, φ = 0
Perhitungan parameter Far Field tradisional di Ansys HFSS memberikan pola radiasi dalam 3D dan 2D
Nilai instan dari kekuatan medan listrik (Volt / meter) (E-field) tergantung pada fase
Kekuatan bidang-E integral (untuk> 1 revolusi gelombang)
Semua parameter seperti medan jauh (Far-Field) baik dalam pengukuran skala penuh dan dalam simulasi CAD dihitung pada bidang yang tak terbatas - Ruang Tak Terbatas. Antena uji atau model komputernya ditempatkan di pusat bola tersebut, dan probe pengukur bergerak di sepanjang lingkaran bola tersebut dan mengukur amplitudo, polarisasi (amplitudo salah satu komponen) dan fase gelombang EM. Probe dapat diperbaiki stasioner dan memutar antena yang sedang diuji.
Yang utama adalah:
- jaraknya selalu sama (mis. justru bola pengukur)
- jari-jari bola cukup besar sehingga pengukuran hanya dilakukan di wilayah ruang itu di mana vektor medan listrik E dan H magnetik berada dalam fase, yaitu tidak ada komponen yang mendominasi dan tidak bergeser fase (tidak memiliki reaktivitas) karena pembawa muatan yang berada dalam konduktor logam antena atau karena molekul dielektrik bermuatan.
Di
Ansys HFSS, untuk melakukan pengukuran medan jauh, Anda harus membuat setidaknya satu bola tak terbatas: Radiasi -> Sisipkan Pengaturan Bidang Jauh -> Bola Tak Terbatas
φ dan θ selalu dapat ditentukan dari 0 hingga 360, tetapi untuk menghemat waktu dalam perhitungan, terkadang rasional untuk membatasi sudut yang diteliti untuk sektor tertentu. Ketika mengatur langkah ke 1 derajat, bola penuh akan menempati 360 * 360 = 129.600 titik desain, dan pada langkah 0,1 derajat hampir 13 juta. Untuk membuat laporan pola radiasi 3D / 2D, langkah 2-3 derajat biasanya cukup (14.400 titik desain pada langkah 3 derajat). Langkah 1 derajat atau kurang, masuk akal untuk digunakan hanya untuk analisis irisan
Pada tab "Sistem Koordinat", setiap lingkup tentu memiliki pusat koordinat sendiri. Secara default, selalu ada pusat koordinat proyek global [0, 0, 0]. Jika diinginkan, Anda dapat menambahkan sejumlah koordinat relatif lainnya. Kedua elemen geometri model dan bola yang ditentukan pengguna "Bola Tak Terbatas" dapat ditugaskan relatif ke pusat koordinat global atau relatif ke yang ditentukan pengguna. Kami akan menggunakan ini di bawah ini.
Fase divergen depan gelombang terlihat dalam animasi bidang-E di atas. Gelombang EM membentuk lingkaran konsentris, mirip dengan lingkaran di atas air dari batu yang ditinggalkan. Pusat fase adalah titik di mana batu seperti itu dilemparkan. Dapat dilihat bahwa posisinya ada di suatu tempat di mulut juru bicara, tetapi posisinya yang tepat tidak jelas.
Metode pencarian PCA didasarkan pada fakta bahwa kita melihat arah vektor bidang-E (fase-nya) di atas permukaan bola yang jauh jauh.
Untuk demonstrasi, kami akan membuat 2 animasi dengan vektor bidang-E pada bola dengan jari-jari 4 lambda (ini bukan bola yang tak terbatas, tetapi untuk skala gambar yang lebih baik, jari-jari seperti itu sudah cukup).
Pada animasi pertama, pusat bola ditempatkan tepat di FCA
Dalam animasi kedua, pusat terletak pada titik proyek 0, 0, 0 (melihat ke depan, katakanlah itu 25,06 mm di belakang PCA)
Pada permukaan bola pertama (itu adalah kurva, itu bukan bidang), dapat dilihat bahwa vektor bergerak secara serempak. Amplitudo (magnitudo) mereka berbeda, karena dasar antena memiliki maksimum di tengah (hingga 14,4 dBi) yang secara bertahap memudar 2 kali (-3 dB) pada sudut ± 20 °.
Kami tidak tertarik pada warna / panjang, tetapi pada arah vektor. Sehingga mereka semua bergerak secara sinkron (dalam fase).
Dalam animasi pertama, semua vektor bergerak secara serempak, seolah bola berputar ke kanan dan ke kiri.
Dalam animasi kedua, vektor tidak sinkron, beberapa sudah mengubah arah gerak, yang lain belum. Permukaan bola ini secara konstan mengalami tegangan / deformasi permukaan.
Bola pertama terletak di FCA, yang kedua tidak di FCA.
Tugas mencari PCA menggunakan metode ini adalah untuk memindahkan (brute force) Infinite Sphere dengan langkah kecil hingga fase menyebar di bidang yang menarik bagi kami (kami hanya tertarik pada lobus radiasi utama) menjadi minimal (idealnya, nol).
Tetapi sebelum beralih ke kekerasan, pertama-tama kita akan melihat bagaimana fase HF dapat ditampilkan dalam HFSS.
Dalam laporan bidang jauh "Hasil -> Buat Laporan Bidang Jauh", kita dapat menampilkan grafik segi empat tradisional (plot segi empat) atau grafik lingkaran 2D (pola radiasi) di mana pada satu sumbu (misalnya X) kita memperoleh ketergantungan koordinat sudut (misalnya θ), dan sepanjang sumbu Y, nilai fasa pada sudut-sudut ini θ.
Laporan yang kami butuhkan adalah rE - “radiated E field”.
Untuk setiap sudut [φ, θ] pada bola tak terhingga, bilangan kompleks (vektor) medan listrik dihitung.
Saat membuat grafik amplitudo biasa (pola radiasi, distribusi daya radiasi dalam arah), kami tertarik pada amplitudo (mag) bidang ini, yang dapat diperoleh baik sebagai mag (rE) atau langsung menggunakan Gain variabel yang lebih nyaman (daya diberikan relatif terhadap daya pada port eksitasi dan relatif terhadap emitor isotropik).
Ketika membangun fase DN, kami tertarik pada bagian imajiner dari bilangan kompleks (fase vektor) dalam notasi polar (dalam derajat). Untuk melakukan ini, gunakan fungsi matematika ang_deg (angle_in_ derajat) atau cang_deg (akumulasi_ angle_in_degrees)
Untuk antena LNA Inverto Black Ultra, pola fase pada bidang XZ (φ = 0) dengan polarisasi eksitasi horisontal (rEY) memiliki bentuk ini
Sudut Theta = 90 adalah radiasi ke depan, Theta = 0 ke atas, Theta = 180 ke bawah.
Nilai
Ang_deg bervariasi dari -180 hingga +180, sudut 181 ° adalah sudut -179 °, sehingga grafik memiliki bentuk gergaji ketika melewati titik ± 180 °.
Nilai
- nilai
cang_deg diakumulasikan jika arah perubahan fase konstan. Jika fase telah mencapai 3 putaran penuh (melewati 180 ° 6 kali), maka nilai akumulasi mencapai 1070 °.
Seperti yang ditulis di awal artikel, fase dan pola amplitudo antena biasanya terhubung satu sama lain. Dalam lobus amplitudo yang berdekatan (balok), fase berbeda 180 °.
Kami menempatkan satu di grafik grafik fase (merah / hijau muda) dan amplitudo (ungu)
Benjolan pada DN amplitudo jelas mengikuti fraktur fase, seperti yang tertulis dalam buku.
Kami tertarik pada fase depan hanya di sektor ruang tertentu, dalam lobus radiasi utama (lobus yang tersisa masih bersinar melewati cermin parabola).
Oleh karena itu, kami membatasi grafik hanya untuk sektor 90 ± 45 ° (45-135 °).
Tambahkan ke penanda grafik MIN (m1) dan MAX (m2) yang menunjukkan penyebaran fase terbesar di sektor yang diteliti.
Selain itu, kami menambahkan fungsi matematika pk2pk () yang secara otomatis mencari minimum dan maksimum pada seluruh bagan dan menunjukkan perbedaannya.
Pada grafik di atas, perbedaan m2-m1 = pk2pk = 3.839 °
Tugas menemukan FCA adalah memindahkan Infinite Sphere dengan langkah kecil hingga nilai fungsi pk2pk (cang_deg (rE)) diminimalkan.
Untuk memindahkan Infinite Sphere, Anda perlu membuat sistem koordinat tambahan lain:
Pemodel -> Sistem Koordinat -> Buat -> CS Relatif -> Offsetkarena kita jelas tahu bahwa untuk klakson simetris PCA akan berada pada sumbu X (Z = Y = 0), maka untuk Z dan Y kita menetapkan 0, dan itu hanya akan bergerak sepanjang sumbu X, di mana kita menetapkan variabel Pos (dengan nilai awal 0 mm)
Untuk mengotomatiskan proses brute force, buat tugas optimasi.
Optimetrik -> Tambah -> Parametrik , dan atur pitch variabel Pos ke 1 mm, dalam rentang dari 0 hingga 100 mm
Pada tab "
Perhitungan -> Pengaturan Perhitungan " kami memilih jenis laporan "Far Field" dan fungsi pk2pk (cang_deg (rEY)). Pada tombol "Fungsi Rentang", tentukan rentang dari -45 hingga +45 derajat (atau yang menarik lainnya)
Jalankan
ParametricSetup1 -> Analisis .
Perhitungannya cukup cepat, karena Semua perhitungan far-field adalah Pasca-Pemrosesan dan tidak perlu menyelesaikan kembali model.
Setelah perhitungan selesai, klik
ParametricSetup1 -> Lihat hasil analisis .
Kami melihat minimum yang jelas pada jarak X = 25mm
Untuk akurasi yang lebih tinggi, kami mengedit analisis parametrik dalam kisaran 25.0-25.1 mm dengan langkah 0,01 mm
Kami mendapatkan minimum yang jelas pada X = 25,06 mm
Untuk mengevaluasi secara visual di mana FCA telah berubah dalam model, Anda dapat menggambar bola (Non-model) atau titik.
Di sini, pada titik X = 25,06 mm 2 bola ditempatkan (dengan jari-jari 2 dan 4 lambda)
Berikut ini hal yang sama dalam animasi
Ini adalah closeup pesawat yang lebih besar dan kacang polong pada titik X = 25,06
Dipercaya secara luas bahwa dalam HFSS (dan program lain, seperti CST), ketika plot 3D Plot diterapkan pada geometri antena, plot tersebut secara otomatis ditempatkan di PCA.
Sayangnya tidak demikian. Grafik 3D selalu ditumpangkan di tengah sistem koordinat yang digunakan ketika mengatur "Bola Tak Terbatas" untuk grafik ini. Jika sistem koordinat global default [0, 0, 0] digunakan, maka 3D Plot akan ditempatkan pada 0,0,0 (bahkan jika antena itu sendiri jauh).
Untuk menggabungkan grafik, dalam pengaturan 3D Plot Anda harus memilih "Infinite Sphere" (buat yang lain) yang mana "Relative CS" diatur pada titik PCA yang kami temukan secara manual.
Perlu dicatat bahwa overlay seperti itu hanya berlaku untuk sektor yang diteliti (misalnya, balok utama balok), di sisi dan belakang lobus FC, dapat di tempat lain atau tidak berbentuk bola.
Perhatikan juga bahwa pengaturan Infinite Sphere tidak ada hubungannya dengan kondisi batas Radiasi. Lapisan Rad dapat didefinisikan sebagai persegi panjang, kerucut, silinder, bola, ellipsoid rotasi, dan gerakkan posisi, bentuk, dan rotasi sesuai keinginan Anda. Posisi dan bentuk Infinite Sphere tidak akan berubah. Itu akan selalu menjadi bola (bola) dengan jari-jari tak terbatas (cukup besar) dan berpusat di sistem koordinat yang diberikan.
File model LNB_InvertoBlackUltra.aedt untuk studi tersedia di:
https://goo.gl/RzuWxW (Google Drive). Ansys Electronics Desktop v19 atau lebih tinggi diperlukan untuk membuka file (tidak lebih rendah dari 2018.1)