Самоучитель Ansoft HFSS - файл Glava_10_Dalnie polja.doc

приобрести
Самоучитель Ansoft HFSS
скачать (24934.6 kb.)
Доступные файлы (17):
Glava_10_Dalnie polja.doc20722kb.10.12.2007 11:17скачать
Glava_11_Kalkul.doc11966kb.06.04.2007 16:54скачать
Glava_12_Param an.doc30755kb.08.10.2007 15:05скачать
Glava_13_Optimetric.doc19040kb.27.09.2007 21:40скачать
Glava_14_Theory.doc8265kb.28.03.2007 11:41скачать
Glava_15_FAR.doc13593kb.13.01.2008 23:00скачать
Glava_1_Interfeis.doc16637kb.20.04.2007 15:27скачать
Glava_2_Vyrazhenija.doc10503kb.17.12.2005 15:49скачать
Glava_3_Cherchenie.doc33482kb.27.01.2007 21:30скачать
Glava_4_Materialy.doc6406kb.02.12.2006 10:30скачать
Glava_5_Nazn_graniz.doc29308kb.21.12.2005 14:20скачать
Glava_6_Ust_na_reshen.doc20789kb.21.12.2005 19:37скачать
Glava_6_Ust_na_reshen.txt73kb.06.03.2008 09:44скачать
Glava_7_Primer T-raz.doc30567kb.22.12.2005 15:28скачать
Glava_8_Postobrab.doc34360kb.18.01.2008 13:27скачать
Glava_9_Blizhnee.doc14282kb.20.04.2007 15:48скачать
HFSS_Vvedenie 09.05.doc15708kb.30.09.2005 22:25скачать
Победи орков

Доступно в Google Play

Glava_10_Dalnie polja.doc

Глава 10

Расчет диаграммы направленности и характеристик антенной системы

Для расчета поля излучения, и диаграммы направленности, HFSS вычисляет значения полей по поверхности излучения в пространстве, окружающем устройство. Исследуемое пространство обычно разбивается на две области — ближняя зона и дальняя зона. Ближняя зона - область, самая близкая к источнику. В общем случае электрическое поле E (x, y, z) внешнее к области, ограниченной замкнутой поверхностью Radiate (рис. 10.1) может быть написано как

(10.1)

где

S поверхности границы излучения,

j мнимая единица,

•  круговая частота, 2f,

• 0 относительная магнитная проницаемость в свободном пространстве,

Htan компонента магнитного поля, тангенциальная поверхности,

Enormal компонента электрического поля, нормальная к поверхности S,

Etan компонента электрического поля, тангенциальная к поверхности S,

G функция Грина в свободном пространстве, заданная выражением

(10.2)

где

k0 = волновое число свободного пространства,  - угловая частота, 2f;

r и r представляют точки, в которой рассчитывается поле и точка источника на поверхности.




Рис. 10.1. Задание границы излучения Rad1 антенны, состоящей из отрезка волновода

В дальнем поле, где r >> r' (и обычно r >> 0), функция Грина может быть аппроксимирована как

(10.3)

Когда G в форме (10.3) используется в расчетах дальнего поля, поля имеют сомножитель, зависящий от r:


(10.4)
Эта зависимость от r характерна для сферической волны в дальней зоне. Поле в дальней зоне - сферическая TEM волна, электрическое и магнитное поле которой связано уравнением:
(10.5)
где 0 – импеданс свободного пространства, - радиус-вектор распространения волны в дальнем поле.
При вычислении ближних полей, HFSS использует то же выражение, данное уравнением (10.1). При этом задается радиус r, который используется, чтобы вычислить поля на сфере произвольного радиуса от излучаемой структуры (рис. 10.2, слева). Этот параметр может быть полезен в задачах электромагнитной совместимости.
Заметим, что если HFSS вычисляет ближние поля в задаче, содержащей падающую волну, очень важен радиус поверхости, на которой рассчитывается поле. Если радиус мал и поверхность находится внутри области решения, то рассчитываемые поля являются или полными полями или полями рассеяния, в зависимости от выбора. Если радиус больше области анализа, то рассчитываются только поля рассеяния.







Рис. 10.2. Окно задания параметров сферы для расчета ближнего и дальнего поля


HFSS может вычислить такие параметры антенны, как максимальную интенсивность, максимальную направленность, максимальное усиление, и эффективность (КПД) антенны. При анализе ближнего поля, HFSS может также вычислять такие параметры, как максимум полного E-поля и максимум E-поля в направлении осей.
При вычислении ближнего и дальнего полей, в проекте нужно задать по или границу излучения (рис. 10.2) или границу PML.


Итак, когда Вы выбираете команду Radiation/Compute/Near Field, для расчета ближнего поля используется общее выражение (10.1). В этом случае нужно задать радиус r. Если радиус находится вне области решения, то расчет поля проводится только для поля рассеяния. Задание радиуса при расчете поля на расстоянии от излучающей структуры, может быть полезно при решении задач электромагнитной совместимости, т.е при расчете конструкций с несколькими источниками, возбуждающими поля с различными типами волн.
Когда выбирается команда Radiation/Compute/Far Field, то используется приближение дальнего поля, и результат верен только для точек в области дальней зоны излучения.


Когда Вы устанавливаете сферическую поверхность, чтобы анализировать ближнее и дальнее поле, то нужно задать диапазон и шаг изменения и . Они указывают сферическое направление, в котором Вы хотите рассчитать поля излучения. Для каждого значения имеется соответствующий диапазон значений для . Это создает сферическую сетку. Каждая точка сетки указывает направление по линии, которая простирается от центра сферы через точку сетки. Излучаемое поле рассчитывается в этом направлении.
Число точек сетки определяется размером шага для и (рис. 10.3).

Сфера может быть определена в любой системе координат и прежде или после того, как решение было получено.







Рис. 10.3. Сферическая система координат

Рис. 10.4. Диаграмма направленности антенны



Когда HFSS рассчитывает поле излучения, требуется по крайней мере два направления, чтобы составить график полей. Поэтому, если размер шага для угла равен нулю, то размер шага для должен быть больше нуля и наоборот.

При установке сферы, углы и должны быть заданы между -360 (deg) и 360 (deg), или эквивалентами в радианах (рад). Если не заданы ни deg, ни rad, HFSS предполагает, что значение будет в градусах.

Дадим рекомендации для определения угла (Phi) в окне Near Field Radiation Sphere Setup или в окне Far Field Radiation Sphere Setup.


Start

Точка, где начинается угол . Величина Start должна быть больше, чем или больше, чем единица.

Stop

Точка, в которой угол заканчивается. Величина Stop должна быть больше, чем величина Start и меньше, чем 360. Если величина Stop равна величине Start , тогда HFSS полагает, что только рассматривается один угол и величина Step Size игнорируется.

Step Size

Число градусов или радиан (точки сферической сетки) между сканированиями . Например, чтобы разделить диапазон углов от 0 к 180 с шагом 10, нужно ввести 18. Введение Step Size=0 приводит к тому, чето свипирование выполняется в одной, начальной точке. Если Step Size=0, тогда HFSS полагает, что будет использоваться только один угол.

Следующие дополнительные правила должны быть выполнены при задании Theta:

Start

Точка, где начинается вращение Theta. Величина Start должна быть больше, чем -90.

Stop

Точка, где заканчивается вращение угла Theta. Величина Stop должна быть больше, чем величина Start и меньше, чем 90. Если величина Stop равна величине Start , HFSS полагает, что будет использоваться только один угол и величина Step Size будет игнорироваться.

Step Size

Число градусов или радиан (точек на сфере) между шагами изменения угла theta. Например, чтобы разделить угол изменения от -60 до 60 на шаги в 10, вы должны ввести 10deg.

Введение 0 для числа шагов приводит к тому, что анализ выполняется в одной точке Start. Если величина Step Size=0, HFSS полагает только один угол, который будет использоваться.


Установка сферы бесконечного радиуса
для расчета дальнего поля

Чтобы рассчитать поля в дальней зоне, необходимо установить бесконечную сферу, которая окружает объект излучения. Чтобы составить график дальнего поля на сфере, выберите объект Sphere из списка Geometry в диалоговом окне Traces, когда Вы создаете сообщение.
1. Нажмите HFSS>Radiation>Insert Far Field Setup>Infinite Sphere.

Появляется окно Far Field Radiation Sphere Setup (рис. 10.5).


Рис. 10.5. Задание бесконечно расположенной сферы для расчета дальнего поля
2. В закладке Infinite Sphere, напечатайте имя сферы в текстовом поле Name.
3. Задайте диапазон углов, включенный в сферу:

a. Определите изменения для Phi, в градусах (deg) или радианах (rad),

b. Задайте следующие данные для Theta, в градусах (deg) или радианах (rad).

4. Нажмите закладку Coordinate System, и затем задайте направление сферы одним из следующих способов:

• чтобы сориентировать сферу в глобальной системе координат (CS), выберите Use global coordinate system.

• чтобы сориентировать сферу в заданной пользователем системе координат CS, выберите Use local coordinate system, и затем выберите систему координат из списка Choose from existing coordinate systems.
5. Чтобы задать в качестве поверхностей, на которых будут считаться дальние поля, другие, чем назначенная граница излучения или PML, то из меожно выбрать в виде списка в закладке Radiation Surface (рис. 10.6), нажимая кнопку Use Custom Radiation Surface.


Рис. 10.6. Выбор списка поверхностей излучения
c. Выберите заданный список поверхностей из списка в разделе «Choose from existing fase list». HFSS будет использовать поверхности в списке (рис. 10.7) как поверхности излучения при вычислении полей в дальней зоне. Список не должна включать поверхность, которая находится на объекте PML.
6. Щелкните OK.


Рис. 10.7. Команда задания списка поверхностей Face List




Созданная бесконечная сфера появляется в дереве проекта под именем Radiation.

10. Параметры антенны



Параметры антенн принято делить на первичные и вторичные. К первичным параметрам относят векторную диаграмму направленности, входное сопротивление, коэффициент полезного действия, предельно пропускаемую мощность. Вторичными параметрами называют такие, которые можно найти через первичные. Это коэффициент направленного действия и коэффициент усиления, ширина луча диаграммы направленности, уровень боковых лепестков, поляризационные параметры антенны.

Векторная комплексная диаграмма направленности по полю F(, ) представляет зависимость амплитуды, фазы и поляризации излучаемого электрического (или магнитного) поля антенны в дальней зоне от угловых координат , при одном и том же расстоянии R от точки наблюдения до начала выбранной сферической системы координат.
Ansoft HFSS вычисляет следующие характеристики антенны:
-Диаграмма направленности,
- Направленность,
- Ширина луча,

- Усиление антенны,

- Мощность излучения,

- Осевое отношение (степень поляризации),

- Принятая мощность,

- Эффективность излучения (КПД),

- Максимальная интенсивность,

- Поляризация,

- Поляризационное отношение.


Диаграмма направленности
Зависимость плотности потока энергии электромагнитного поля, излучаемого антенной, в дальней зоне от угловых координат , называют диаграммой направленности по мощности (рис. 10.8). В зависимости от изменения ориентации вектора , различают линейную, круговую и эллиптическую поляризации излучаемого поля. Наиболее часто встречаются тороидальные, игольчатые, веерные и косекансные диаграммы направленности.

Если с течением времени плоскость, проходящая через вектор и направление распространения поля, не меняет своей ориентации, то поляризация поля называется линейной. Если же конец вектора описывает в плоскости, ортогональной направлению распространения поля эллипс (или окружность) со средней частотой , то такая поляризация называется эллиптической (круговой).



Рис. 10. 8. Угломестная диаграмма направленности антенны




Коэффициент направленного действия
Коэффициент направленного действия показывает, во сколько раз должна быть увеличена излучаемая мощность при замене направленной антенны гипотетической абсолютно ненаправленной антенной, при условии сохранения плотности потока энергии в наблюдаемой точке дальней зоны. Обычно коэффициент направленного действия определяют для направления максимума излучения и обозначают как D.
Это – безразмерная величина, равная:
(10.6)
где:

U – интенсивность излучения в ваттах на стерадиан в указанном направлении,

Prad - мощность излучения в ваттах.
Заметим, что максимальная направленность Umax, выводимая в окне Antenna Parameters (рис. 10.9) - рассчитывается в направлении максимальной интенсивности излучения. Для антенны без потерь направленность равна усилению. Однако, если антенна - без внутренних потерь, направленность равна ее усилению. Если антенна имеет внутренние потери, то усиление равно произведению направленности на КПД антенны.


Рис. 10.9. Параметры антенны

Чтобы учесть рассогласование атенны с линией питания, нужно вывести реализуое усиление, которов учитывает и свойства направленности антенны, и степень ее рассогласования.
Max U

Интенсивность излучения, U, равна мощности, излучаемой от антенны, деленной на телесный угол, в котором эта мощность распространяется. HFSS рассчитывает интенсивность излучения в направлении максимального излучения Max U. Максимальная интенсивность излучения рассчитывается в ваттах на объемный угол в стерерадиан и рассчитывается как

(10.8)

где

U (,) интенсивность излучения в ваттах на стерадиан.

• |E| - модуль E-поля.

• 0 - внутренний импеданс свободного пространства 376.7 ohms.

r - расстояние от антенны, в метрах.
Поляризация электромагнитной волны



При каждом угле наблюдения в дальнем поле векторы электрического и магнитного поля лежат в фиксированной плоскости. Через некоторое время мгновенные векторы перемещаются на этой плоскости. Кривая, очерчиваемая концом вектора Е, определяет вид поляризации поля.



В общем случае эта кривая представляет собой эллипс и называется поляризационным эллипсом (рис. 10.10). В этом случае говорят, что волна имеет эллиптическую поляризацию. В частном случае эллипс поляризации становится кругом, и в этом случае волна имеет круговую поляризацию. Эллиптическая и круговая поляризация имеют два различных состояния, левую и правую поляризации, в зависимости от направления вращения вектора электрического поля. Некоторые из этих состояний показываются на рис. 10.10. В каждом случае направление распространения - от экрана.


Рис.10.10. Вращение вертора в случае круговой и эллиптической поляризации
В частном случае эллипс поляризации вырождается в прямую линию. В этом случае волна линейно поляризована.
Чтобы полностью описать вид поляризации поля, требуется две независимых составляющих. Типичным примером устройства, на котором можно исследовать поляризацию, является волноводный преобразователь линейной в круговую поляризацию (рис. 10.11).



Рис. 10.11. Волноводная конструкция, представляющая собой преобразователь линейной поляризации в круговую поляризацию. На входе прямоугольного волновода подается сигнал с вертикальной поляризацией, на выходе круглого волновода – сигнал с круговой поляризацией
Ansoft HFSS позволяет описывать три типа поляризации: сферическая поляризация, поляризация типа Ludwig-3 и круговая поляризация. Поляризацию можно исследовать, изучая поле в апертуре антенны (рис. 10.12), так и рассчитывая параметры, характеризующие степень и направление поляризации.
Наиболее фундаментальное описание поляризации - это описание в сферической системе координат, в которой электрическое поле представляется в виде компонентов поля по углам Tetha и phi. В этом описании, поле может быть написано как E = (E, E).

Рис. 10.12. Распределение вектора поля Е на апертуре антенны, свидетельствующее, что она имеет круговую поляризацию

Артур К. Людвиг написал классическую статью [6] по определению взаимной поляризации электромагнитной волны. В частности, широко используется его третье определение (Ludwig-3), которое связывает составляющие поля антенны в дальней зоне. Используя это определение, составляющие поля E = (Ex, Ey), могут быть записаны как:


(10.9)

(10.10)
и - азимутальный угол в сферической системе координат.

Для примера приведем зависимости компонентов поля антенны (рис. 10.13). Этот пример указывает, что антенна имеет круговую поляризацию, зависящую от направления излучения.


Рис. 10.13. Компоненты поля левосторонней и правосторонней поляризации в зависимости от угла места
Для антенн, предназначенных для приема или передачи полей с круговой поляризацией, наиболее подходящее описание состоит в терминах составляющих поля с левой (L) и правой (R) круговой поляризацией. В этом случае поле может быть записано как E = (ER, EL) где:
(10.11)

(10.12)

Осевое отношение определяется как отношение большой и малой осей эллипса поляризации. Осевое отношение имеет следующий диапазон значений:
(10.13)
Осевое отношение, равное 1, показывает, что это электрическое поле имеет круговую поляризацию, а осевое отношение, равное бесконечности, означает, что электрическое поле линейно поляризовано.

Поляризационные характеристики электромагнитной волны




HFSS вычисляет следующие шесть видов поляризации электромагнитной волны:
(10.14)
(10.15)

(10.16)

(10.17)

(10.18)

(10.19)
Осевое отношение – это отношение между длинной и короткой осью эллипса, который вычерчивает вектор электрического поля, видимый в сечении, когда выполняется анимация векторного графика. В главном пучке ДН, если векторы поля имеют отношение 10:1, оно равняется 10 dB. В направлениях, удаленных от прямого направления, как видно из графика рис. 10.14 мы имеем очень небольшую мощность, и можем получить почти любое осевое отношение.



Рис.10.14. Зависимость коэффициента эллиптичности(Ludwig3/X и Ludwig3/Y) от угла места (соотношение источников возбуждения квадратного волновода 10 и 0.190)
Что говорят величины Ludwig3/X и Ludwig3/Y?
Ludwig3/X показывает отношение со- поляризованного к кросс-поляризованному полю для антенны, которая излучает преобладающе в направлении оси X.
Ludwig3/Y показывает отношение со-поляризованного к кросс-поляризованным полям для антенны, которая излучает преобладающе в направлении оси Y. Эти характеристики можно вывести на трехмерный график, подобный рис. 10.15.


Рис. 10.15. Максимальное осевое отношение в зависимости от угла излучения в пространстве (,)
Объемный угол излучения


Это телесный угол, через который проходила бы вся мощность, излучаемая антенной, при условии одинаковой максимальной интенсивности излучения для всех углов в пределах луча. Он измеряется в стерадианах и имеет вид:
(10.20)
где:

A - телесный угол в стерадианах.

Prad - мощность излучения в ваттах.

Umax - максимальная интенсивность излучения в ваттах в стерадиан.

Усиление


Усиление антенны – это умноженное на 4 отношение интенсивности излучения антенны в данном направлении к полной мощности, поглощенной антенной от передатчика. В Ansoft HFSS под передатчиком понимается поверхность, которая была описана как порт.

Для расчета усиления используется следующее уравнение:

(10.21)
где:

U - интенсивность излучения в ваттах в стерадиан в заданном направлении.

Pacc - мощность, поглощенная антенной, в ваттах.
Характеристику усиления не следует путать с направленностью, хотя они совпадают для антенн без потерь. Усиление связано с направленностью через КПД антенны. Если КПД антенны равен 100%, то они равны. В случае потерь в антенне, ее усиление меньше направленности в КПД раз.

Замечание. Из-за того, что усиление рассчитывается из входного сигнала на порту, порт должен быть определен для расчета этой величины и вывода ее.


Максимальное реализуемое усиление

Реализуемое усиление антенны - это умноженное на 4  отношение интенсивности излучения антенны в заданном направлении, к общей мощности падающей на порт антенны. Максимальное реализуемое усиление, в свою очередь, равно наибольшему из реализуемых коэффициентов усиления по всем направлениям бесконечной сферы в дальней зоне (рис. 10.16).

Следующее выражение используется для расчета реализуемого усиления в HFSS:

Рализуемое усиление = (10.22)

где

U интенсивность излучения в ваттах на стерерадиан в заданном направлении.

Pincident падающая мощность в ваттах.

Замечание. Пиковая направленность показывается в окне Antenna Parameters, показывающая направленность в направлении максимальной интенсивности излучения, U max.

Поскольку усиление рассчитано от входного сигнала в порте, для расчета этой величины должен быть задан порт, например дискретный LumpPort с его заданным сопротивлением.



Рис. 10.16. Зависимость реализуемого усиления в плоскости (,)

Мощность излучения



Это величина усредненной во времени мощности, излучаемой антенной структурой через границу излучения. Она измеряется в ваттах и рассчитывается как:
(10.23)
где:

Prad – излучаемая мощность в Ваттах

S - поверхность излучения

E - излучаемое электрическое поле.

H* - вектор, комплексно сопряженный с вектором H излучаемого поля.

Замечание. Точность вычисленной мощности излучения зависит от точности вычисления E и H. Поэтому в некоторых случаях вычисленная мощность излучения может отклоняться от фактической мощности излучения.


Поскольку мощность излучения рассчитывается по выходному сигналу в порте, в порте должна быть определена эта величина.

Принятая мощность
Принятая мощность – это усредненная по времени входная мощность антенны (в Ваттах), принятая в один или большее число портов. Для антенн с единственным портом принятая мощность рассчитывается как падающая мощность, уменьшенная с учетом потерь рассогласования в плоскости порта. Этот параметр рассчитывается по сигналу в порте и потерь, свойственных антенной структуре (например, диэлектрик с потерями или конечная проводимость используемых металлов).

В HFSS для обобщенной структуры принятая мощность рассчитывается как:
(10.24)
где Pacc - принятая мощность в Ваттах,

A – области входных портов в модели,

E – излучаемое электрическое поле,

H – поле, сопряженное к E,

ds - единичный нормальный вектор на границе порта в 3D модели HFSS.
Для простейшего случая антенны с одним портом без потерь, содержащей одну распространяющуюся моду, это выражение принимает следующий вид:
(10.25)
где:

a - комплексный сигнал возбуждения, заданный в Data/Edit Sources,

S11 – элемент обобщенной матрицы рассеяния (без перенормировки), рассчитанной с помощью HFSS.
Замечание. Поскольку принятая мощность рассчитана от входного сигнала в порте, порт должен быть задан с этой величиной мощности.


Падающая мощность



Падающая мощность (Incident Power) - общая сумма усредненной во времени мощности (в ваттах) падающая на все порты антенной структуры. Падающая мощность установливается в окне Edit Sources (рис. 10.17).



Рис. 10.17. Окно редактирования параметров источников возбуждения


Для случая антенны с одним портом без потерь, содержащим единственный тип волны, падающая мощность равна

(10.26)
где a – комплексная волна возбуждения (Magnitude), указанная в окне Edit Sources.
КПД антенны


КПД антенны – это отношение мощности излучения к входной мощности (или принятой мощности):
(10.27)
где Prad - излученная мощность в ваттах
Pacс – принятая мощность в Ваттах
Заметим, что поскольку входная мощность рассчитывается из входного сигнала в порте, этот порт должен быть определен как порт с падающей мощностью.

Так как КПД антенны рассчитывается по принятой мощности, то для расчета КПД должен быть задан бокс для расчета на нем излучения антенны.

Максимальные значения дальнего поля
Когда HFSS рассчитывает параметры антенны, рассчитываются также следующие максимальные данные поля:


Параметр

Пояснение

Total

Максимум общего E-поля.


X

Максимум E-поля в x-направлении.


Y

Максимум E-поля в y-направлении.


Z

Максимум E-поля в z-направлении.


Phi

Максимум E-поля в -направлении.


Theta

Максимум E-поля в -направлении.

LHCP

Максимальная левостронняя компонента поляризации.


RHCP

Максимальная правосторонняя компонента поляризации .


Ludwig 3/X dominant


Максимум основной компоненты, Vmain, для x-поляризованой волны используя третье определение Людвига кросс-поляризации. Эта величина равна .


Ludwig 3/Y dominant


Максимум основной компоненты , Vmain, для y-поляризованной волны, используя третье определение Людвига кросс-поляризации. Эта величина равна.




Когда рассчитываются максимальные величины дальнего поля, расстояние r нормируется, используя E-поле. Таким образом, единицы данных максимального поля даются в вольтах.


В HFSS границы излучения Radiate используются, чтобы моделировать открытые задачи, которые позволяют волнам излучаться бесконечно далеко в пространство, типа антенных конструкций. HFSS поглощает волну на границе излучения, как бы отодвигая границу (рис. 10.18) бесконечно далеко от структуры.

На поверхностях границы излучения, используется граничное условие излучения второго порядка:
(10.28)
где

Etan - компонента E-поля, тангенциальная к поверхности.

k0 - фазовая постоянная свободного пространства.



Рис. 10.18. Задание границы излучения в сложной щелевой антенне



Граничное условие излучения второго порядка – это аппроксимация свободного пространства. Точность аппроксимации зависит от расстояния между границей и объектом, от которого исходит излучение.


Установка направления распространения поля
Когда HFSS вычисляет распределение поля возбуждения в порте, направление поля при t = 0 произвольно; поле может всегда направлять в одном из (по крайней мере) двух направлений.
На рис. 10.19 поле основного типа волны при t = 0 может указано так, как на левом, так и на правом рисунке. Любое направление – правильное, если не определено привилегированное направление. Чтобы определить это направление, Вы должны откалибровать порт относительно некоторого опорного направления, задавая интегральную линию.


Рис. 10.19. Вид и возбуждения различных типов волн в сечении прямоугольного волновода


В случае прямоугольных волноводов, рассмотрим разницу при подключении конкретного источника. Если верхняя сторона порта выровнена со стороной волновода, несущего сигнал возбуждения, сигнал в порте сфазирован. Но если верхняя сторона порта связана с нижней стороной волновода, принятый сигнал не будет совпадать по фазе с ожидаемым сигналом.

Рекомендуется задать направление возбуждения во всех портах структуры; иначе, фазы результирующих S-параметров могут быть отличаться от ожидаемых.

Выполните калибровку порта, чтобы определить привилегированное направление в каждом порте относительно других портов, имеющих идентичные или подобные сечения.

Замечание. Из-за того, что интегральные линии могут задавать фазу возбуждения и волну, распространяющуюся в волноводе, они игнорируются, когда нужно получить только решение в сечении порта.


Для того, чтобы рассчитать и вывести параметры антенны:

1. Нажмите правой кнопкой на иконку Infinite Sphere в дереве проекта и затем кликните Compute Antenna Parameters в меню.

Появлятся диалог Antenna Parameters.

2. В закладке Solutions, выберите решение, для которого вы хотите рассчитать параметры антенны.

3. В закладке Intrinsic Variables, выберите частоту, на которой рассчитываются параметры антенны. Появляется окно Antenna Parameter (рис. 10.20). Если проект включает порты, то рассчитываются следующие параметры антенны (цифры указаны для тестовой антенны):

Maximum intensity (Max U)

0.30282 Вт/стер

Максимальная интенсивность излучения

Peak directivity

3.8619

Максимальная направленность

Peak Gain

3.9288

Максимальное усиление

Peak realized gain

3.8054

Максимальное реализуемое усиление

Radiation power

0.96858 Вт

Излучаемая мощность

Accepted power

0.98537 Вт

Поглощаемая мощность

Incident power

1 Вт

Падающая мощность

Radiation effeciency

0.9827

Эффективность излучения (КПД)

Отметим, что рассчитанные величины Max U и Peak directivity зависят от установок углов, выбранных для расчета полей излучения. Если эти установки не соответсвуют пиковой интенсивности, показанные результаты для этих трех параметров будут не верными.



Рис. 10.20. Окно, в котором выводятся рассчитанные параметры антенны

Если проект не включает портов, можно рассчитать следующие параметры антенны:

Maximum intensity (Max U)

Максимальная интенсивность

Peak directivity

Максимальная направленность

Radiation power

Мощность излучения

4. Нажмите на More, чтобы увидеть параметры максимальных данных дальнего поля (Maximum Far Field):

RE Field

Величина

Единицы

При Phi

При Theta

Total

15.11

V (Вольт)

360

0

X

15.11

V

360

0

Y

2.203

V

330

-90

Z

8.1642

V

0

-52

Phi

15.11

V

270

0

Theta

15.11

V

360

0

LHCP

10.685

V

360

0

RHCP

10.684

V

300

0

Ludwig 3/X dominant

15.11

V

300

0

Ludwig 3/Y dominant

0.59655

V

140

174


Замечание. При вычислении максимальных значений дальнего поля, расстояние r выносится как общий множитель за скобки E-поля. Поэтому, максимальные значения поля даются в вольтах (рис. 10.21).



Рис. 10. 21. Направленность антенной решетки в системе координат Phi, Theta

Характеристики антенных решеток



HFSS позволяет моделировать регулярную (regular) или произвольную (custom) антенную решетку, и ее параметры для проектов, в которых был проанализирован один элемент антенной решетки. HFSS рассчитывает диаграмму направленности излучения антенной решетки, применяя “ array factor (коэффициент антенной решетки) ” к ДН одного элемента, когда рассчитаны поля в дальней зоне.
Геометрия “ Регулярной однородной антенной решетки ” определяет конечную двумерную антенную решетку одинаково расположенных, возбуждаемых одинаковыми амплитудами элементов. Это - естественные технические требования после анализа единственной ячейки бесконечной антенной решетки.
Геометрия “ Заказной антенной решетки ” определяет произвольную антенную решетку идентичных элементов, распределенных в трехмерном пространстве с заданными пользователем комплексными коэффициентами возбуждения.


Регулярная антенная решетка – это антенная решетка с двумерной геометрией одинаково расположенных, и возбуждаемых одинаковыми амплитудами антенных элементов (рис. 10.22).



Рис.10.22. Линейная щелевая антенная решетка


Для того, чтобы выполнить анализ антенной решетки, на основании заданной геометрии отдельных компонентов:
1. В меню HFSS укажите Radiation, и затем нажмите Antenna Array Setup.

Появляется окно Antenna Array Setup (рис. 10.23).


Рис. 10.23. Задание параметров регулярной антенной решетки


2. В закладке Array Type, выберите Regular Array Setup.
3. Нажмите закладку Regular Array.
4. В окне First Cell Position введите xyz-координаты, где располагается первая антенная ячейка.
5. В разделе Directions, сделайте следующее:

a. Справа от U Vector, введите векторные координаты в поля X, Y, и Z, по которым располагаются ячейки антенны в U-направлении.

b. Справа от V Vector, введите векторные координаты в поля X, Y, и Z, по которым располагаются ячейки антенны в V-направлении.
6. В разделе Distance Between Cells, введите расстояние между ячейками в U-направлении и расстоянии между ячейками в V-направлении в единицах проекта.
7. В разделе Number of Cells, введите число ячеек антенны в U-направлении и число ячеек в V-направлении.
8. В разделе Scan Definition, задайте направление сканирования направления одним из следующих способов:

• Выберите Use Scan Angles, и затем введите сферические координатные углы, в градусах, в системе координат излучения в текстовых полях Theta и Phi.

• Выберите Use Differential Phase Shift, и затем введите разность фаз между смежными элементами, в градусах, в текстовых полях In V direction и In U direction.
9. Щелкните OK.
Для расчета диаграммы направленности в этом случае будет применяться коэффициент антенной решетки, используя информацию, которую Вы задали для расчета поля в дальней зоне.


HFSS рассчитывает ДН антенной решетки, используя “коэффициент антенной решетки” к ДН одного элемента.
Возможен анализ двух типов геометрии антенной решетки:
regular uniform array (Регулярная однородная антенная решетка) ” - двумерную антенную решетку конечного размера, в которой элементы расположены эквидистантно и возбуждаются одинаковой амплитудой. Это – наиболее распространенные технические требования после анализа одной ячейки бесконечной антенной решетки. В такой антенной решетке может быть выполнено сканирование, т.е. рассчитана диаграмма направленности, печатая углы Use Scan Angles, или задавая разность между рядом стоящими излучаемыми элементами.
Т.е. направление сканирования может быть задано в терминах сферических координатных углов в системе координат излучения, а также рассчитать диаграмму сканирования в терминах разности фазовых сдвигов между отдельными излучаемыми элементами.
HFSS также дает возможность вычислить диаграммы направленности излучения антенной решетки и параметры антенны для проектов, в который был выполнен анализ одного элемента антенны (рис. 10.24-10.32).
Геометрия “ custom array (произвольная антенная решетка) ” дает еще большую гибкость. Она определяет произвольную антенную решетку идентичных элементов, распределенных в трехмерном пространстве со своими указанными пользователем комплексными нагрузками. Однако надо иметь ввиду, что для связи ближнего поля необходимо антенную решетку строить так, чтобы в ней были связаны по размеру границы Master и Slave.
Заметим, что выражения мощности антенной решетки (уравн. 13) и (уравн. 14) пренебрегают взаимной связью между элементами конечной антенной решетки. Если взаимные эффекты взаимодействия не незначительны или были неявно включены в решение для одного элемента, нормализация (ур. 13) и (ур. 14) усиления и направленности некорректны.






Рис.10.24. Частота 30 ГГц, один излучатель

Рис. 10.25. ДН одного излучателя, исеющего максимальную направленность -8 dB





Рис. 10.26. Антенная решетки из двух излучателей в U направлении (2 на 1)

Рис. 10.27. ДН антенны из двух излучателей имеет направленность 5 dB и небольшое сужение лепестка





Рис. 10.28. Антенная решетки из 4-х элементов (2 на 2)

Рис. 10.29. Антенна имеет направленность 4 dB и наблюдается сужение красного лепестка





Рис. 10.30. Антенная решетки 10 на 10 элементов

Рис. 10.31. ДН направленности антенной решетки 10 на 10



Рис. 10. 32. Трехмерная диаграмма антенной решетки с числом элементов 10 на 10

Зададим однородную (эквидистантную) антенную решетку как антенную решетку с весами единичной амплитуды, т.е. An = 1 для всех n элементов.

Для случая, когда однородная антенная решетка сканирует по направлению, коэффициент антенной решетки (уравн. 2) находится на основании функции Грина одного точечного источника и равен
(10.29)

где

k0 волновое число свободного пространства, пропорциональное 

rn и r представляет расстояние до точки поля и точки N-го источника на поверхности, соответственно.

Для однородной регулярной решетки с элементами, отстоящими на векторы наведения (lattice vectors) u и v, положение векторов элемента rn может быть записаны, используя двойную индексацию

(10.30)

с m = 1, 2, ..., Nu и n = 1, 2, ...., Nv. Общее число элементов в решетке равно N = NuNv.

Коэффициент решетки (уравнение 6) для решетки Nu x Nv становится равным

(10.31)


Фаза сканирования (в ур-и 10.31) переписывается в терминах направления сканирования. Альтернативно, для решетки с регулярной структурой, фаза сканирования может быть записана в терминах различных сдвигов фазы между элементами. Результаты установок и результирующие ДН антенных решеток приводятся на рис. 10.33-10.38.





Рис. 10. 33. Установка излучения всех элементов антенной решетки с равной фазой

Рис.10. 34. ДН при направленности излучения антенной решетки вертикально вверх





Рис.10.35. Задание разности фаз по оси U

для решетки 10 на 10 элементов

Рис.10. 36. ДН при сдвиге фаз по оси U равном 30 град.





Рис. 10. 37. Установка разности фаз в направлении оси V для антенной решетки 10 на 10 элементов

Рис. 10. 38. ДН при смещении разности фаз на 30 град, по оси V

Более естественно, когда отдельные элементы антенной решетки анализируются, используя связанные границы с задаными пользователем фазовым сдвигом между границами master и slave.

Другой, более гибкий тип антенной решетки - это антенная решетка с произвольным расположением в трехмерном пространстве идентичных элементов, с указанными пользователем комплексными нагрузками (очевидно, что связи по ближнему полю по границам Master – Slave в этом случае теряются). Антенная решетка определена в текстовом файле, который включает положения элементов, величины амплитуды, и фазы напряжений источников возбуждений отдельных элементов.

Подробно проектирование антенных решеток будет рассматриваться в главе 15.

Итак, в этой главе были рассмотрены основы расчета и вывода характеристик антенны по рассчитанному дальнему полю. Программа HFSS имеет широкие возможности расчета и вывода трехмерной ДН и ДН во всевозможных сечениях и плоскостях. Рассчитываются и выводятся все необходимые характеристики антенны. Новой возможностью HFSS Ansoft является расчет антенных решеток, расположенных эквидистантно, а также расположенных с произвольным шагом, причем каждый элемент может возбуждаться сигналом с выбранной амплитудой и со своим фазовым сдвигом.





Глава 10 Расчет диаграммы направленности и характеристик антенной системы
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации