Критерий дальней зоны для круглой плоской апертуры с равномерным распределением поля

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», Нижний Новгород, Россия

Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный университет» (ФГБОУ ВО «ВГУ»), Воронеж, Россия

критерий дальней зоны для круглой плоСкой апертуры с равномерным распределением поля

С.П. Скулкин, Н.И. Кащеев,

Н.А. Лысенко, Г.К. Усков

Аннотация. Обсуждаются погрешности диаграммы направленности (ДН) антенны при ее измерениях на конечном расстоянии и при различных размерах тестовых и зондовых антенн. Рассматривается случай круглой плоской апертурной антенны с равномерным распределением поля. Анализ основан на методе расчета поля во временной области [1-2]. Показано, что оптимальное расстояние для измерений при приемлемых малых погрешностях ДН значительно меньше известного критерия дальней зоны. При этом оптимальный диаметр зондовой антенны равен половине диаметра тестируемой антенны.

Ключевые слова: Анализ во временной области, физическая оптика, апертурные антенны, сверхширокополосные антенны.

Abstract. Errors of radiation patterns (RP) on measurement of distance and on sizes of test and probe antennas are discussed. We consider the case of circular aperture antenna with uniform field distribution. The analysis is based on time-domain (TD) physical optics (PO) method of field calculation [1-2]. We show that the optimal measurement distance with respect to acceptable small errors of RP is significantly smaller than well-known far-field distance criterion. The optimal diameter of the aperture probe antenna is the half diameter of the antenna under test.

Keywords: Time-domain analysis, physical optics, aperture antennas, ultra wideband antennas.

погрешность диаграмма направленность зондовая антенная

Введение

Критерий дальней зоны хорошо известен, здесь - диаметр тестируемой антенны, - длина волны. Этот критерий предполагает небольшие размеры зондовой антенны, и он действителен только для равномерного распределения поля по апертуре. В работах [3,4] было показано, что для антенн с низким уровнем боковых лепестков при измерениях небольшой зондовой антенной может потребоваться большее расстояние измерений, чем расстояние . При практических измерениях, для увеличения уровня сигнала, удобно использовать зондовую апертурную антенну, размеры которой сопоставимы с размерами измеряемой антенны. В этом случае, по аналогии со случаем малого зонда, обычно используется критерий [5], где - диаметр зондовой антенны. Однако в [6] было показано, что критерий дальней зоны может применяться для больших зондов. Позднее было показано [7], что большая зондовая антенна по сравнению с малой зондовой антенной на любом расстоянии в зоне Френеля дает результат более близкий к реальной ДН в дальней зоне. В работе [8] исследованы более общие виды распределений поля по апертуре, когда измеряемая и зондовая антенны имеют близкие размеры. Показано, что погрешность определения уровня первого бокового лепестка, полученная при измерениях большим зондом, всегда меньше погрешности, полученной при измерениях малым зондом не только для любого расстояния между антеннами, но и для любого распределения поля по апертуре. Снижение коэффициента усиления при измерении на различных расстояниях и различных размерах измеряемой и зондовой антенн обсуждалось в [9] для линейных антенн с равномерным распределением поля. Показано, что погрешность усиления увеличивается как при увеличении размера апертурного зонда, так и при уменьшении расстояния между антеннами. Найдены оптимальные размеры апертурного зонда при допустимо малых погрешностях коэффициента усиления антенны. Показано, что оптимальное отношение в = b / a примерно равно 0.4 (здесь a и b-радиусы тестируемой и зондовой антенн). Более того, известное расстояние до дальней зоны может быть уменьшено в 2 раза при погрешностях усиления антенны (<5-7%). Было отмечено, что при оптимальном значении b погрешности определения уровней боковых лепестков также невелики и не превышают 0,5 дБ.

Несмотря на длительное историческое обсуждение, критерий минимального расстояния с учетом размера зондовой антенны не был окончательно определен. В данной работе рассматривается случай антенн с круглой апертурой и равномерным распределением полей. Метод расчета поля во временной области основанный на методе физической оптики [1, 2] используется для расчета импульсного поля или так называемых импульсно-переходных характеристик (ИПХ) на выходе малых и больших зондовых антенн. Этот метод позволяет получить результаты в аналитическом виде, представленные в обратных тригонометрических функциях для ИПХ во всех точках наблюдения в полупространстве перед апертурой. В физическом смысле ИПХ представляет собой поле антенны, при условии, что каждый элемент апертуры излучает д-импульс в момент времени t=0. Поле в частотной области определяется в результате преобразования Фурье от ИПХ. Применимость такого подхода была показана в [1]. Основные цели данной статьи: I) показать эффект снижения уровней боковых лепестков ДН, когда большая круглая зондовая антенна находится на конечном расстоянии от круглой апертурной антенны; (II) дать физическое объяснение этого эффекта с помощью ИПХ; (III) показать ДН антенны измеряемую оптимальным зондом на оптимальном расстоянии.

Метод и результаты

Импульсное переходное поле антенны с круглой плоской апертурой в точке наблюдения может быть записано в следующем виде [1,2]:

(1)

где - время, - скорость света, - радиус апертуры, , - проекция вектора на апертурную плоскость, , - расстояние от точки до апертурной плоскости, .

Временная зависимость поля на выходе апертурного зонда принятого сигнала может быть получена интегрированием (1) по апертуре зонда. Схема измерений с использованием апертурного зонда показана на рисунке 1. При этом преобразуется в : .

Рис. 1. Схема измерний с использованием апертурного зонда. 1 - область прожекторного луча. 2 - область боковых лепестков.

На рисунке 2a показаны ИПХ круглой плоской апертуры с равномерным распределением поля для точечного зонда. Рисунок 2b показывает ИПХ для апертурной зондовой антенны с радиусом, равным половине радиуса измеряемой антенны (в=b/a=0.5). Для объяснения основных свойств ИПХ мы выбрали угол и=1° так, чтобы на расстоянии точка наблюдения была расположена внутри прожекторного луча измеряемой антенны, а на расстоянии точка наблюдения располагалась снаружи прожекторного луча (в области боковых лепестков диаграммы направленности). На бесконечном расстоянии точка при угле наблюдения отличном от нуля градусов (и>0°) всегда будет находиться за пределами прожекторного луча. Видно, что ИПХ плоской круглой апертуры внутри прожекторного луча имеет постоянный острый передний фронт и пологий задний фронт (см. рис. 2a).

Форма заднего фронта ИПХ зависит от положения точки наблюдения . При выходе точки наблюдения за пределы прожекторного луча передний фронт становится более пологим. Для наглядности на рисунке 2a все амплитуды приведены к одной величине. Из рисунка 2a видно, что ИПХ в ближней и дальней зонах отличаются друг от друга. ИПХ в ближней зоне в каждый момент времени определяется дугой окружности. ИПХ в дальней зоне в каждый момент времени представляет длину прямой линии определяемой плоскостью (сферой бесконечного радиуса), наклоненной под углом и. ИПХ в дальней зоне имеет более пологую форму. Очевидно, что апертурный зонд значительно сглаживает фронты ИПХ (см. рисунок 2b по сравнению с рисунком 2a). Причем эффект такого сглаживания заметен в первую очередь при малых углах и относительно небольших расстояниях.

На рисунке 3 показаны диаграмма направленности, измеренная апертурным зондом с размерами в = b/a =0.5 на расстоянии и истинная диаграмма направленности в дальней зоне (точечный зонд на бесконечном расстоянии). На этом рисунке . Из рисунка видно, что большое искажение ДН, измеренной апертурным зондом, происходит в малом секторе углов, расположенном поблизости от первого нуля ДН.

Рис.2. Импульсно-переходные характеристики круглой апертуры для: а) точечный зонд на трех расстояниях; b) апертурный зонд (b=a/2) на трех расстояниях; c) апертурный зонд, расположенный внутри прожекторного луча измеряемой антенны

Рис. 3. Диаграмма направленности, измеренная апертурным зондом с размерами в = b/a =0.5 на расстоянии и истинная диаграмма направленности в дальней зоне

При этом одна часть апертуры зондовой антенны находится внутри прожекторного луча, а другая часть находится за его пределами. Большие ошибки ДН в этом небольшом секторе углов определяются большим различием форм и задержек ИПХ внутри и снаружи прожекторного луча измеряемой апертурной антенны. В этом угловом секторе также будут наблюдаться резкие изменения фазы, измеренной фазовой ДН антенны.

Заключение

В данной работе мы показали и объяснили эффект снижения уровней боковых лепестков при измерениях большим апертурным зондом на конечном расстоянии. Мы также показали ДН, измеренную зондом оптимального размера, расположенного на конечном расстоянии от измеряемой антенны. Оптимальное отношение радиусов близко к ~0.5 (здесь и - радиусы измеряемой и зондовой антенн). Хорошо известный критерий дальней зоны может быть уменьшен в 2 раза, при этом ошибки измерения ДН не превышают 0.33дБ. Отметим, что полученные результаты очень близки к результатам, представленным в работе [9] для линейной антенны с равномерным распределением поля, где оптимальное .

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - докторов наук (Проект №МД-6872.2018.9).

ЛИТЕРАТУРА

1.Skulkin S. P. Transient ?eld calculation of aperture antennas // Skulkin S. P., Turchin V. I. / IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 47, No. 5, 929-932, May 1999.

2.Skulkin S. P. Transient Field Calculation of Aperture Antennas for Various Field Distributions Over the Aperture // Skulkin S. P., Turchin V. I., Kascheev N. I., Ponomarev D. M. / IEEE Antennas and Propagation Wireless Letters, Vol. 16, pp. 2295-2298, 2017.

3.Hacker, P. S. Range distance requirement for measuring low and ultralow sidelobe antenna patterns // Hacker, P. S., Schrank H. E. / IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 30, No. 5, 956-966, Sept. 1982.

4.Hansen, R. C., Measurement distance effects on low sidelobe patterns. // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 32, No. 6, 591-594, Jun. 1984.

5.Mentzer, J. R., Scattering and Diffraction of Radio Wave, Chapter 5, Pergamon, Elmsford, NY, 1955.

6.Rhodes D. R. On minimum range for radiation patterns // Proc. IRE, Vol. 42, 1048-1410, Sept. 1954.

7.Jull E. V. An investigation of near-field radiation patterns measured with large antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 10, 363-369, 1962.

8.Uno T. Range distance requirements for large antenna measurements // Uno T., Adachi S. / IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 37, 707-720, Jun. 1989.

9.Skulkin S.P. Range distance requirements for large antenna measurements for linear aperture with uniform field distribution // Skulkin S.P., Turchin V.I., Kascheev N.I. / Progress In Electromagnetics Research M, Vol. 48, 87-94, 2016.

REFERENCES

1.Skulkin S. P. Transient ?eld calculation of aperture antennas // Skulkin S. P., Turchin V. I. / IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 47, No. 5, 929-932, May 1999.

2.Skulkin S. P. Transient Field Calculation of Aperture Antennas for Various Field Distributions Over the Aperture // Skulkin S. P., Turchin V. I., Kascheev N. I., Ponomarev D. M. / IEEE Antennas and Propagation Wireless Letters, Vol. 16, pp. 2295-2298, 2017.

3.Hacker, P. S. Range distance requirement for measuring low and ultralow sidelobe antenna patterns // Hacker, P. S., Schrank H. E. / IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 30, No. 5, 956-966, Sept. 1982.

4.Hansen, R. C., Measurement distance effects on low sidelobe patterns. // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 32, No. 6, 591-594, Jun. 1984.

5.Mentzer, J. R., Scattering and Diffraction of Radio Wave, Chapter 5, Pergamon, Elmsford, NY, 1955.

6.Rhodes D. R. On minimum range for radiation patterns // Proc. IRE, Vol. 42, 1048-1410, Sept. 1954.

7.Jull E. V. An investigation of near-field radiation patterns measured with large antennas // IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 10, 363-369, 1962.

8.Uno T. Range distance requirements for large antenna measurements // Uno T., Adachi S. / IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 37, 707-720, Jun. 1989.

9.Skulkin S.P. Range distance requirements for large antenna measurements for linear aperture with uniform field distribution // Skulkin S.P., Turchin V.I., Kascheev N.I. / Progress In Electromagnetics Research M, Vol. 48, 87-94, 2016.

Размещено на Allbest.ru