Фазовый центр антенны. Локальный фазовый центр антенны и его годограф: методология, техника вычислений издательство радиотехника

фазовый центр годограф техника вычислений

Ю. И. Чони - к.т.н., доцент, Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева − КАИ
E-mail: [email protected]


Рассмотрены особенности вычисления координат локального фазового центра (ЛФЦ) антенны, порождаемые как долей неоп-ределенности в самом понятии ЛФЦ, так и необходимостью исключить скачки фазы при вычислении обратных тригонометри-ческих функций. Отмечено, что координаты ЛФЦ зависят от направления наблюдения, при изменении которого в общем случае ЛФЦ описывает поверхность в трехмерном пространстве, а в двухмерной ситуации − линию-годограф, зачастую причудливой конфигурации. На примерах кольцевой антенной решетки с кардиоидными индивидуальными диаграммами сопоставлены результаты расчетов для трех разновидностей алгоритмов и продемонстрированы годографы ЛФЦ. Показано, что вычисление ЛФЦ как центра кривизны кривой фазового фронта может приводить к ошибочным результатам, противоречащим физическому смыслу.

Список литературы:

  1. Carter D. Phase centers of microwave antennas // IRE Trans. on Antennas and Propagation. 1956. V. 4. P. 597-600.
  2. Sander S., Cheng D. Phase center of helical beam antennas // IRE Internat. Convention Record. 1958. V. 6. P. 152-157.
  3. Вольперт А.Р. О фазовом центре антенны // Радиотехника. 1961. Т. 16. № 3. С. 3−12.
  4. Muehldorf E.I. The phase center of horn antennas // IEEE Trans. on Antennas and Propagation 1970. V. 18. P. 753-760.
  5. Kildal P.S. Combined E- and H-plane phase centers of antenna feeds // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1983. V. 31. P. 199-202.
  6. Rao K.S., Shafai L. Phase centre calculation of reflector antenna feeds // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1984. V. 32. P. 740-742.
  7. Teichman M. Precision phase center measurements of horn antennas // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 1970. V. 18. P. 689-690.
  8. Патент № 1350625 СССР. Способ определения фазового центра антенны / И.Н. Гвоздев, В.В. Иванов, А.В. Соснин, В.П. Чернолес. Опубл. 07.11.1987.
  9. Патент № 1702325 СССР. Способ определения фазового центра антенны / И.А. Винтер, А.С. Паутов. Опубл. 30.12.1991.
  10. Hussein Z.A., Rengarajan S.R. Ground plane effects on quadrifilar helix antenna phase center and radiation characteristics for GPS applications // Antennas and Propagation Society Internat. Symp. Digest. 1991. P. 1594-1597.
  11. Prata A. Misaligned antenna phase-center determination using measured phase patterns // IPN Progress Report 42-150. 2002. P. 1-9.
  12. Akrour B., Santerre R., Geiger A. Calibrating antenna phase centers. A tale of two methods // GPS World. February 2005. P. 49-53. URL: http://www2.unb.ca/gge/Resources/gpsworld.february05.pdf (дата обращения: июль 2017 г.).
  13. Choni Yu.I. Hodograph of antenna’s local phase center: computation and analysis // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. 2015. V. 63. P. 2819-2823.
  14. Проценко М.Б., Нестерук С.В. Особенности расчета и анализ местоположения локального фазового центра антенны с эллиптической поляризацией // Наукові праці ОНАЗ ім. О.С. Попова. 2006. № 2. С. 6-10.
  15. Chen A., Su D. The effects of near-field factors on rectangular horn antenna"s phase center // 7th Internat. Symp. Antennas, Propagation & EM Theory. 2006. P. 1-4.
  16. Deboux P., Verdin B., Pichardo S. Calculation of the phase-center offset from 2D antenna radiation patterns // Proc. SPIE 9461. Radar Sensor Technology XIX; Active and Passive Signatures VI, 946102. May, 2015.
  17. Подкорытов А.Н. Математическая модель смещения фазовых центров антенн при высокоточном местоопределении в глобальных навигационных комплексах // Электронный журнал «Труды МАИ». 2012. Вып. 50. URL: http://trudymai.ru/publish¬ed.php?ID=28680.
  18. Zhang C., Lin S. UWB antipodal Vivaldi antennas with protruded dielectric rods for higher gain, symmetric patterns and minimal phase center variations // Proc. IEEE Antennas Propagation Soc. Int. Symp. 2007. P. 1973-1976.
  19. Владимиров В.М., Марков В.В., Шепов В.Н. Щелевая полосковая антенна круговой поляризации с дополнительными спиральными щелями в излучателе // Изв. ВУЗов. Физика. 2013. Т. 56. № 8/2. С. 97-101.
  20. Wang X., Yao J., Lu X., Lu W. Research on phase center stability of circularly polarized patch antennas for GPS applications // IEEE 4th Asia-Pacific Conf. Antennas and Propagation (APCAP). 2015. P. 362-365.
  21. Патент № 2326393 РФ. Способ определения положения фазового центра антенны / П.В. Миляев, А.П. Миляев, В.Л. Морев, Ю.Н. Калинин. Опубл. 10.06.2008.
  22. Padilla1 P., Fernandez J.M., Padilla1 J.L., Exposito-Domınguez G., Sierra-Castaner M., Galocha B. Comparison of different methods for the experimental antenna phase center determination using a planar acquisition system. // Progress in Electromagnetics Research. 2013. V. 135. P. 331-346.
  23. Chen Y., Vaughan R.G. Determining the three-dimensional phase center of an antenna // 2014 XXXIth URSI General Assembly and Scien. Symp. 2014. P. 1-4.
  24. Калинин Ю.Н. Измерение координат фазового центра антенны // Антенны. 2014. № 4. С. 54−62.
  25. Хабиров Д.О., Удров М.А. Методика определения координат центра излучения антенны и практические аспекты ее применения // Известия ВУЗов России. Радиоэлектроника. 2015. № 3. C. 30-33.
  26. Чони Ю.И. Синтез антенн по заданной амплитудной диаграмме направленности // Радиотехника и электроника. 1971. Т. 15. № 5. С. 726-734.

Точка во внутреннем пространстве антенны, в которую поступает информация об измерениях. Примечаниие В общем случае фазовый центр не совпадает с точкой относимости антенны ни в плане, ни по высоте. Взаимное положение фазового центра и точки… …

Проектирование фазированных антенных решёток - Содержание 1 Введение в теорию 2 Методы расчёта ха … Википедия

Теория фазированных антенных решёток - Содержание 1 Введение в теорию 1.1 КНД … Википедия

ГОСТ 26566-85: Система инструментального захода летательных аппаратов на посадку сантиметрового диапазона волн радиомаячная. Термины и определения - Терминология ГОСТ 26566 85: Система инструментального захода летательных аппаратов на посадку сантиметрового диапазона волн радиомаячная. Термины и определения оригинал документа: 3. Азимутальный радиомаяк системы МЛС Азимутальный радиомаяк… …

АНТЕННА - (от лат. antenna мачта, рей), устройство для излучения или приёма радиоволн. А. оптимально преобразует подводимые к ней эл. магн. колебания в излучаемые эл. магн. волны (передающая А.) или, наоборот, преобразует падающие на неё эл. магн. волны в… … Физическая энциклопедия

Радио-антенна - Антенна радиотелескопа РТ 7.5 МГТУ им. Баумана. РФ, Московская область, Дмитровский район. Диаметр зеркала 7,5 метра, рабочий диапазон длин волн: 1 4 мм Антенна устройство для излучения и приёма радиоволн (разновидности электромагнитного… … Википедия

плоскость отсчета системы МЛС - Вертикальная плоскость, проходящая через ось взлетно посадочной полосы или площадки для азимутальных радиомаяков системы МЛС, и горизонтальная плоскость, проходящая через фазовый центр антенны для угломестных радиомаяков системы МЛС. [ГОСТГОСТ… … Справочник технического переводчика

Плоскость отсчета системы МЛС - 35. Плоскость отсчета системы МЛС Reference plane Вертикальная плоскость, проходящая через ось взлетно посадочной полосы или площадки для азимутальных радиомаяков системы МЛС, и горизонтальная плоскость, проходящая через фазовый центр антенны для … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ГОСТ Р 54130-2010: Качество электрической энергии. Термины и определения - Терминология ГОСТ Р 54130 2010: Качество электрической энергии. Термины и определения оригинал документа: Amplitude die schnelle VergroRerung der Spannung 87 Определения термина из разных документов: Amplitude die schnelle VergroRerung der… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ - устройство, осуществляющее поворот фазы электрич. сигнала. Широко используется в разл. радиотехн. устройствах антенной технике, технике связи, радиоастрономии, измерит. технике и др. (см. также Антенна, Радиоприёмные устройства, Радиопередающие… … Физическая энциклопедия

ГОСТ Р МЭК 61094-3-2001: Государственная система обеспечения единства измерений. Микрофоны измерительные. Первичный метод градуировки по свободному полю лабораторных эталонных микрофонов методом взаимности - Терминология ГОСТ Р МЭК 61094 3 2001: Государственная система обеспечения единства измерений. Микрофоны измерительные. Первичный метод градуировки по свободному полю лабораторных эталонных микрофонов методом взаимности оригинал документа:… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Ширина главного лепестка и уровень боковых лепестков

Ширина ДН (главного лепестка) определяет степень концентрации излучаемой электромагнитной энергии. Ширина ДН - это угол между двумя направлениями в пределах главного лепестка, в которых амплитуда напряжённости электромагнитного поля составляет уровень 0,707 от максимального значения (или уровень 0,5 от максимального значения по плотности мощности). Ширина ДН обозначается так:

2и - это ширина ДН по мощности на уровне 0,5;

2и - ширина ДН по напряжённости на уровне 0,707.

Индексом Е или Н обозначают ширину ДН в соответствующей плоскости: 2и, 2и. Уровню 0,5 по мощности соответствует уровень 0,707 по напряжённости поля или уровень - 3 дБ в логарифмическом масштабе:

Экспериментально ширину ДН удобно определять по графику, например, как это показано на рисунке 11.

Рисунок 11

Уровень боковых лепестков ДН определяет степень побочного излучения антенной электромагнитного поля. Он влияет на качество электромагнитной совместимости с ближайшими радиоэлектронными системами.

Относительный уровень бокового лепестка - это отношение амплитуды напряжённости поля в направлении максимума первого бокового лепестка к амплитуде напряжённости поля в направлении максимума главного лепестка (рисунок 12):

Рисунок 12

Выражается этот уровень в абсолютных единицах, либо в децибелах:

Коэффициент направленного действия и коэффициент усиления передающей антенны

Коэффициент направленного действия (КНД) количественно характеризует направленные свойства реальной антенны по сравнению с эталонной ненаправленной (изотропной) с ДН в виде сферы:

КНД - это число, показывающее, во сколько раз плотность потока мощности П (и, ц) реальной (направленной) антенны больше плотности потока мощности П(и, ц) эталонной (ненаправленной) антенны для этого же направления и на том же удалении при условии, что мощности излучения антенн одинаковы:

С учётом (25) можно получить:

Коэффициент усиления (КУ) антенны - это параметр, который учитывает не только фокусирующие свойства антенны, но и её возможности по преобразованию одного вида энергии в другой.

КУ - это число, показывающее, во сколько раз плотность потока мощности П (и, ц) реальной (направленной) антенны больше плотности потока мощности ПЭ (и, ц) эталонной (ненаправленной) антенны для этого же направления и на том же удалении при условии, что мощности, подведённые к антеннам, одинаковы.

Коэффициент усиления можно выразить через КНД:

где - коэффициент полезного действия антенны. На практике используют - коэффициент усиления антенны в направлении максимального излучения.

Фазовая диаграмма направленности. Понятие о фазовом центре антенны

Фазовая диаграмма направленности - это зависимость фазы электромагнитного поля, излучаемого антенной, от угловых координат.

Так как в дальней зоне антенны векторы поля Е и Н синфазны, то и фазовая ДН в одинаковой степени относится к электрической и магнитной составляющей ЭМП, излучаемого антенной. Обозначается фазовая ДН следующим образом: Ш = Ш (и, ц) при r = const.

Если Ш (и, ц) = const при r = const, то это означает, что антенна формирует фазовый фронт волны в виде сферы. Центр этой сферы, в котором находится начало системы координат, называют фазовым центром антенны (ФЦА). Следует отметить, что фазовый центр имеют не все антенны.

У антенн, имеющих фазовый центр и многолепестковую амплитудную ДН с чёткими нулями между ними, фаза поля в соседних лепестках отличается на р (180°). Взаимосвязь между амплитудной и фазовой диаграммами направленности одной и той же антенны иллюстрируется на рисунке 13.

Рисунок 13 - Амплитудная и фазовая ДН

Направление распространения ЭМВ и положение её фазового фронта в каждой точке пространства взаимно перпендикулярны.

При рассмотрении принципа действия параболического зеркала мы предполагали, что в его фокусе размещен точеч­ный источник. Реальные же облучатели имеют размеры, сравнимые с волной и часто даже превышающие ее.

Спрашивается, как же нужно размещать облучатель относительно фокуса? Какой из вибраторов - активный или пассивный у облучателей, показанных на рис. 43 и 44, должен находиться в фокусе зеркала?

Подобного рода вопросы всегда встают перед инжене­рами, разрабатывающими антенные устройства. И они дают на них такой ответ: с фокусом зеркала должна совпадать та точка облучателя, которая мысленно может рассматриваться как фазовый центр облучателя, т. е. как исходная точка сферических волн.

Местоположение фазового центра определяется экспери­ментальным путем. Опыт показывает, что у облучателей, по­казанных на рис. 43 и 44, фазовый центр расположен между активным и пассивным вибраторами, несколько ближе к пер­вому. У рупорных облучателей фазовый центр находится внутри него, в окрестностях горла рупора.

При условии, что если фазовый центр облучателя не будет совпадать с фокусом, возможны два случая.

Первым рассмотрим вариант продольной расфокусировки системы облучатель - зеркало, когда облучатель смещен в ту или иную сторону от фокуса вдоль оси OZ.

Обратимся к рис. 51 и построим ход отраженных от зер­кала лучей, считая, что в каждой точке параболоида отраже­ние радиоволны происходит по законам оптики как от плоского зеркала, касательного к параболе в данной точке.

Если при размещении облучателя в фокусе параболиче­ского зеркала отраженные лучи идут параллельно фокаль­ной оси OZ, то при перемещении облучателя из фокуса в сторону от зеркала (точка В) углы падения лучей в каждой точке зеркала увеличатся по сравнению с правильным рас­положением облучателя (j 2 > j 0). В силу известного закона оптики о равенстве углов падения углам отражения (j 1 = j 2), отраженные от зеркала лучи будут идти расходя­щимся пучком. При смещении же облучателя в точку А, лежащую за фокусом, отраженные лучи будут наклонены к оси OZ.

Так как волновые поверхности (фронт волны) перпенди­кулярны лучам, то во втором случае (точка А) фронт волны в раскрыве зеркала получается не плоским, а вогнутым; в первом случае фронт волны становится выпуклым.

В обоих случаях фронт волны симметричен относительно оси OZ, поэтому диаграмма направленности антенны при смещениях облучателя остается также симметричной, однако ее главный лепесток расширяется, сливаясь с первыми боко­выми лепестками.

При очень большой расфокусировке антенны может произойти даже раздвоение главного лепестка.

Представление о степени влияния искажений фронта волны в раскрыве антенны на ее коэффициент усиления дает рис. 52, на котором приведена зависимость уменьшения коэффициента усиления параболической антенны от абсо­лютной величины отклонения, а фазы отраженной волны у краев зеркала относительно фазы в центре его раскрыва.

За единицу на этом графике принято усиление идеальной антенны, у которой в излучающем отверстии создана плоская волна с равномерным распределением амплитуд.

На практике считают допустимыми отклонения фазы, не превышающие 1/8l. Уменьшение усиления антенны в этом случае не превосходит 8% (см. рис. 52).

У конкретных образцов антенн указанное требование вы­полняется за счет специальных конструктивных мер, исключающих возможность ошибочной установки облучателей и одновременно обеспечивающих взаимозаменяемость пос­ледних.

Рассмотрим теперь, как будут влиять на направленные свойства антенн поперечные перемещения облучателя.

Если вынести фазовый центр облучателя из фокуса в на­правлении, перпендикулярном оптической оси, то это приве­дет к несимметричному изменению фронта волны в раскрыве зеркала: он наклонится в сторону, противоположную смеще­нию облучателя (рис. 53). Но так как главный максимум излучения антенн всегда направлен по перпендикуляру к фронту волны, то в результате поперечной расфокусировки произойдет поворот главного максимума диаграммы направ­ленности на угол, равный углу наклона волны.

Одновременно несколько деформируется и сам главный лепесток. Степень этой деформации будет определяться тем, насколько сильно вынесен облучатель из фокуса.

Указанное свойство изменения направления главного ле­пестка диаграммы направленности при поперечном выносе облучателя широко используется в радиолокации для кача­ния (сканирования) луча.

Заканчивая краткое рассмотрение параболических антенн, укажем, что симметричные и несимметричные иска­жения фазы в их раскрывах могут произойти не только из-за расфокусировки облучателя, но и за счет отклонения профиля зеркала от параболического. Источником искаже­ний поля может быть и сам облучатель, если его волновой фронт отличается от сферического.

В условиях эксплуатации причинами всех этих искаже­ний могут быть как механические повреждения зеркала и облучателя, так и атмосферные осадки в зимнее время.

Наросты льда и снега на зеркале и облучателе, как пра­вило, изменяют расчетный ход лучей и оказываются элек­трически эквивалентными искривлению профиля зеркала или расфокусировке облучателя. Поэтому следует тщательно соблюдать все правила эксплуатации антенн, которые обычно излагаются в инструкциях и руководствах к конкрет­ной аппаратуре. Последнее замечание, разумеется, относится к антеннам всех типов.

Похожие статьи