Ao calcular na técnica de alta frequência usando sistemas refletores de espelho (espelhos parabólicos), sempre surge a tarefa de encontrar sempre o centro de fase da antena (FCA), porque A operação correta do espelho é possível apenas se a antena (chamada alimentação, alimentador, feedhorn) estiver em foco e tiver uma fase frontal da onda na forma de uma esfera, e o centro dessa esfera estiver no foco do espelho. Com todos os desvios, tanto a forma da fase anterior da esfera quanto o deslocamento do PCA do foco do espelho, a eficiência do sistema de espelhos diminui, porque seu padrão de radiação é distorcido.
Embora o tópico da pesquisa da FCA seja bastante relevante, mesmo na vida cotidiana, porque, além das antenas tradicionais de TV via satélite, as antenas parabólicas para WiFi, WiMAX e comunicações celulares (UMTS / 3G, LTE / 4G) também são comuns - no entanto, esse tópico é pouco abordado na literatura e os usuários geralmente confunda o padrão de fase com o padrão de radiação usual.
Em vídeos sobre programas de simulação em computador, às vezes você pode encontrar instruções práticas sobre como procurar a FCA, mas geralmente não há sequer uma explicação mínima do que estamos procurando e do que obtemos.
Portanto, para preencher a lacuna, escreveremos um pequeno artigo com exemplos práticos.
O padrão de radiação de fase é a dependência da fase do campo eletromagnético emitida pela antena nas coordenadas angulares.
(A.P. Pudovkin, Yu.N. Panasyuk, A.A. Ivankov -
Fundamentos da teoria das antenas )
Como os vetores do campo E e H estão em fase na zona distante da antena, o feixe de fase está igualmente relacionado ao componente elétrico e magnético do campo eletromagnético emitido pela antena.
O padrão de fase é designado pela letra grega Psi:
Ψ = Ψ (θ, φ) , para r = const.
Se Ψ (θ, φ) = const em r = const, isso significa que a antena forma uma frente de fase da onda na forma de uma esfera.
O centro desta esfera, no qual está localizada a origem do sistema de coordenadas, é chamado de centro de fase da antena (FCA).
O centro de fase da antena é o ponto em que você pode colocar um único emissor de uma onda esférica, equivalente ao sistema de antena em questão em relação à fase do campo criado.
(Drabkin A.L., Zuzenko V.L.
Dispositivos alimentadores de antena )
A FCA não possui todas as antenas. Para antenas com um centro de fase e um feixe de amplitude de múltiplos lobos com zeros distintos entre eles, a fase do campo nos lobos adjacentes difere em π (180 °).
A relação entre os padrões de amplitude e radiação de fase da mesma antena é ilustrada
Em antenas reais, o centro de fase é geralmente considerado dentro dos ângulos limitados do lobo principal do padrão de radiação. A posição do centro da fase depende da frequência do sinal utilizado, da direção da radiação / recepção da antena, de sua polarização e de outros fatores. Algumas antenas não têm um centro de fase no sentido convencional.
Nos casos mais simples, por exemplo, para uma antena parabólica, o centro da fase coincide com o foco do parabolóide e pode ser determinado a partir de considerações geométricas. Em casos mais complexos, como antenas de corneta, a posição do centro da fase não é óbvia e requer medições apropriadas.
As medições em escala completa do centro de fase consomem muito tempo (especialmente em uma ampla faixa de frequência).
Em simuladores CAD de campos eletromagnéticos, o cálculo do FCA é uma tarefa muito simples, mas ainda exige várias manipulações manuais, porque é realizada por força bruta e requer uma pequena configuração inicial da função que vamos usar para força bruta.
Para cálculos práticos, usamos um irradiador de parábola real para a faixa Ku-band - LNB do fabricante Inverto, a série Black Ultra.
Este alimentador possui este formulário (na seção)
Uma bola do tamanho de uma ervilha - essa será a FCA, mas ainda não sabemos disso e nossa tarefa é encontrar sua posição.
No exemplo, usaremos a seguinte entrada:
- frequência de cálculo 11538,5 MHz (comprimento de onda 25.982 mm)
- polarização horizontal horizontal (no eixo Y)
- a própria antena é direcionada ao longo do eixo X, ou seja, direção principal da radiação θ = 90, φ = 0
O cálculo dos parâmetros tradicionais do Far Far no Ansys HFSS fornece um padrão de radiação em 3D e 2D
Valores instantâneos da intensidade do campo elétrico (Volt / metro) (campo E), dependendo da fase
Intensidade do campo E integral (para> 1 revolução da onda)
Todos esses parâmetros do campo distante (Far-Field), tanto em medições em larga escala quanto em simulações de CAD, são calculados em uma esfera infinita - Esfera Infinita. A antena de teste ou seu modelo de computador é colocado no centro de uma esfera e a sonda de medição se move ao longo do perímetro de uma esfera e mede a amplitude, a polarização (amplitude de um dos componentes) e a fase da onda EM. A sonda pode ser fixa e estacionária e girar a antena em teste.
O principal é:
- a distância era sempre a mesma (ou seja, era precisamente a esfera de medição)
- o raio da esfera era grande o suficiente para que as medições fossem realizadas apenas na região do espaço em que os vetores do campo elétrico E e H magnético estão em fase, ou seja, nenhum dos componentes predomina e não é alterado de fase (não possui reatividade) devido a portadores de carga que estão nos condutores de metal da antena ou devido a moléculas dielétricas carregadas.
No
Ansys HFSS, para executar medições de campos distantes, você deve criar pelo menos uma esfera infinita: Radiação -> Inserir Configuração de Campo Distante -> Esfera Infinita
φ e θ sempre podem ser especificados de 0 a 360, mas, para economizar tempo nos cálculos, às vezes é racional limitar o ângulo em estudo a um determinado setor. Ao definir a etapa para 1 grau, a esfera inteira ocupará 360 * 360 = 129.600 pontos de projeto e, na etapa de 0,1 grau, quase 13 milhões.Para criar relatórios de padrões de radiação 3D / 2D, geralmente é suficiente uma etapa de 2-3 graus (14.400 pontos de projeto na etapa 3 graus). Etapa 1 grau ou menos, faz sentido usar apenas para a análise da fatia
Na guia "Sistema de coordenadas", cada esfera necessariamente tem seu próprio centro de coordenadas. Por padrão, sempre existe o centro de coordenadas do projeto global [0, 0, 0]. Se desejar, você pode adicionar qualquer número de outras coordenadas relativas. Ambos os elementos da geometria do modelo e a esfera definida pelo usuário "Esfera infinita" podem ser atribuídos em relação ao centro de coordenadas global ou em relação ao definido pelo usuário. Vamos usar isso abaixo.
A fase divergente da frente da onda foi vista na animação do campo E acima. A onda EM forma círculos concêntricos, semelhantes aos círculos na água de uma pedra abandonada. O centro da fase é o ponto em que essa pedra foi lançada. Pode-se ver que sua posição está em algum lugar da boca do bocal, mas sua posição exata não é óbvia.
O método de busca PCA baseia-se no fato de observarmos a direção do vetor do campo E (sua fase) sobre a superfície de uma esfera infinitamente remota.
Para demonstração, criaremos 2 animações com vetores de campo E em uma esfera com um raio de 4 lambda (essa não é uma esfera infinita, mas para uma melhor escala da imagem, esse raio é suficiente).
Na primeira animação, o centro da esfera é colocado exatamente na FCA
Na segunda animação, o centro está localizado no ponto do projeto 0, 0, 0 (olhando para frente, digamos que esteja 25,06 mm atrás do PCA)
Na superfície da primeira esfera (é uma curva, não é um plano), pode-se ver que os vetores se movem de forma síncrona. Sua amplitude (magnitude) é diferente, porque o fundo da antena possui um máximo no centro (até 14,4 dBi), que gradualmente desaparece 2 vezes (-3 dB) em ângulos de ± 20 °.
Não estamos interessados em cor / comprimento, mas na direção do vetor. Para que todos eles se movam de forma síncrona (em fase).
Na primeira animação, todos os vetores se movem de forma síncrona, como se a bola girasse para a direita e para a esquerda.
Na segunda animação, os vetores não são síncronos, alguns já mudaram a direção do movimento, outros ainda não. A superfície desta esfera sofre constantemente tensão / deformação superficial.
A primeira esfera está localizada na FCA, a segunda não está na FCA.
A tarefa de procurar o PCA usando esse método é mover (força bruta) a Esfera Infinita com um pequeno passo até que a fase espalhada na área de interesse para nós nesta esfera (estamos interessados apenas no lobo principal da radiação) se torne mínima (idealmente, zero).
Mas antes de passar à força bruta, primeiro veremos como a fase HF pode ser exibida no HFSS.
Nos relatórios do campo remoto "Resultados -> Criar relatório de campo distante", podemos exibir um gráfico retangular tradicional (plotagem retangular) ou um gráfico circular 2D (padrão de radiação), onde em um eixo (por exemplo X) derivamos a dependência da coordenada angular (por exemplo, θ) e ao longo do eixo Y, os valores de fase nesses ângulos θ.
O relatório que precisamos é rE - "campo E irradiado".
Para cada ângulo [φ, θ] em uma esfera infinita, o número complexo (vetor) do campo elétrico é calculado.
Ao construir gráficos comuns de amplitude (padrão de radiação, distribuição de energia de radiação na direção), estamos interessados na amplitude (mag) desse campo, que pode ser obtida como mag (rE) ou imediatamente usando a variável mais conveniente Gain (a potência é dada em relação à potência na porta de excitação e em relação a emissor isotrópico).
Ao construir a fase DN, estamos interessados na parte imaginária do número complexo (fase vetorial) na notação polar (em graus). Para fazer isso, use a função matemática ang_deg (angle_in_ degrees) ou cang_deg (acumulated_ angle_in_degrees)
Para a antena LNA Inverto Black Ultra, o padrão de fase no plano XZ (φ = 0) com polarização de excitação horizontal (rEY) tem esta forma
O ângulo Theta = 90 é a radiação para a frente, Theta = 0 para cima, Theta = 180 para baixo.
Os valores de
Ang_deg variam de -180 a +180, um ângulo de 181 ° é um ângulo de -179 °, portanto o gráfico tem o formato de uma serra ao passar pelos pontos ± 180 °.
Os valores
cang_deg são acumulados se a direção da mudança de fase for constante. Se a fase tiver realizado até 3 rotações completas (cruzadas 180 ° 6 vezes), o valor acumulado alcançará 1070 °.
Como foi escrito no início do artigo, os padrões de fase e amplitude das antenas geralmente são conectados entre si. Nos lobos de amplitude adjacentes (feixe), as fases diferem em 180 °.
Sobrepomos um ao outro gráficos dos DNs de fase (vermelho / verde claro) e de amplitude (roxo)
As curvas no DN de amplitude seguem claramente as fraturas de fase, como está escrito nos livros.
Estamos interessados na frente de fase apenas em um determinado setor do espaço, dentro do lóbulo principal da radiação (os lóbulos restantes ainda brilham além do espelho parabólico).
Portanto, restringimos o gráfico apenas ao setor 90 ± 45 ° (45-135 °).
Acrescente ao gráfico os marcadores MIN (m1) e MAX (m2) que apresentam a maior dispersão de fase no setor estudado.
Além disso, adicionamos a função matemática pk2pk (), que procura automaticamente o mínimo e o máximo em todo o gráfico e mostra a diferença.
No gráfico acima, a diferença m2-m1 = pk2pk = 3,839 °
A tarefa de encontrar o FCA é mover a Esfera Infinita com um pequeno passo até que o valor da função pk2pk (cang_deg (rE)) seja minimizado.
Para mover a Esfera Infinita, você precisa criar outro sistema de coordenadas adicional:
Modelador -> Sistema de Coordenadas -> Criar -> CS Relativo -> Deslocamentocomo sabemos obviamente que, para um chifre simétrico, o PCA estará no eixo X (Z = Y = 0), então para Z e Y configuramos 0, e ele somente se moverá ao longo do eixo X, para o qual atribuímos a variável Pos (com o valor inicial 0 mm)
Para automatizar o processo de força bruta, crie uma tarefa de otimização.
Optimetrics -> Add -> Parametric e defina o passo variável Pos como 1 mm, na faixa de 0 a 100 mm
Na guia "
Cálculos -> Configuração do cálculo ", selecionamos o tipo de relatório "Campo distante" e a função pk2pk (cang_deg (rEY)). No botão "Funções de intervalo", especifique um intervalo de -45 a +45 graus (ou qualquer outro interessante)
Execute
ParametricSetup1 -> Analisar .
O cálculo é rápido o suficiente, porque Todos os cálculos de campo remoto são pós-processamento e não requerem a resolução do modelo.
Após a conclusão do cálculo, clique em
ParametricSetup1 -> Visualizar resultados da análise .
Vemos um mínimo claro a uma distância de X = 25mm
Para maior precisão, editamos a análise paramétrica na faixa de 25,0-25,1 mm com uma etapa de 0,01 mm
Temos um mínimo claro em X = 25,06 mm
Para avaliar visualmente onde o FCA saiu no modelo, você pode desenhar esferas (Não modelo) ou pontos.
Aqui, no ponto X = 25,06 mm, são colocadas 2 esferas (com um raio de 2 e 4 lambda)
Aqui é o mesmo em animação
Aqui está um close maior do avião e da ervilha no ponto X = 25.06
Acredita-se amplamente que, no HFSS (e em outros programas, como o CST), quando um gráfico 3D Plot é aplicado à geometria da antena, esse gráfico é automaticamente colocado no PCA.
Infelizmente isso não é verdade. O gráfico 3D é sempre sobreposto no centro do sistema de coordenadas usado ao definir a "Esfera Infinita" para este gráfico. Se o sistema de coordenadas globais padrão [0, 0, 0] foi usado, o gráfico 3D será colocado em 0,0,0 (mesmo que a própria antena esteja distante).
Para combinar os gráficos, nas configurações da plotagem 3D, é necessário selecionar a “Esfera Infinita” (criar outra) para a qual “Relative CS” é definido no ponto do PCA que encontramos manualmente.
Note-se que tal sobreposição será verdadeira apenas para o setor em estudo (por exemplo, a viga principal da viga), nos lóbulos laterais e traseiros da FC, ela pode estar em outro local ou não ser esférica.
Observe também que as configurações da Esfera infinita não têm nada a ver com a condição de limite do limite de radiação. A camada Rad pode ser definida como um retângulo, cone, cilindro, bola, elipsóide de rotação e mover sua posição, forma e rotação conforme desejado. A posição e a forma da Esfera Infinita não serão alteradas. Será sempre uma esfera (bola) com um raio infinito (suficientemente grande) e centrada em um determinado sistema de coordenadas.
O arquivo de modelo LNB_InvertoBlackUltra.aedt para estudo está disponível em:
https://goo.gl/RzuWxW (Google Drive). O Ansys Electronics Desktop v19 ou superior é necessário para abrir o arquivo (não inferior a 2018.1)