Детальная электрическая конструкция нового высокоэффективного компактного антенного испытательного стенда с компенсатором

Введение

Компактный антенный испытательный стенд (Compact Antenna Test Range, CATR) — это антенная измерительная система, состоящая из одного или двух отражателей, освещаемых фидом и генерирующих почти идеальную плоскую волну, называемую спокойной зоной (QZ). Тестируемая антенна (AUT) помещается в спокойную зону, и ее измеряемая диаграмма направленности является результатом взаимодействия между полем апертуры AUT и полем спокойной зоны [1, 2]. В идеальных условиях поле спокойной зоны представляет собой идеальную плоскую волну с равномерной амплитудой и постоянной фазой. На практике конусность фида, конечная точность поверхности отражателей и дифракция от их краев вносят пульсации в равномерное распределение поля спокойной зоны по амплитуде и фазе.

С помощью компактных антенных испытательных стендов можно измерять диаграмму направленности дальнего поля тестируемой антенны (AUT) в контролируемой среде. Более того, измерения CATR не требуют коррекции зонда, преобразования ближнего поля в дальнее и точного механического выравнивания и, таким образом, выполняют измерение диаграммы направленности за значительно меньшее время, чем в ближнем поле. Благодаря этим многочисленным преимуществам и несмотря на погрешности измерений, обусловленные неидеальной спокойной зоной, CATR являются наиболее широко используемыми установками для определения полезной нагрузки и антенных измерений [3].

В начале 1990‑х годов первый очень большой компенсированный CATR для измерений полезной нагрузки (CPTR) был разработан компанией TICRA и установлен в Европейском космическом агентстве в Ноордвейке в Нидерландах. Этот стенд находится в комплексе HERTZ [4], который в настоящее время также оснащен системой ближнего поля для планарных, цилиндрических и сферических измерений ближнего поля, использующей один и тот же позиционер антенны. ESA CPTR была новаторской установкой, которая до настоящего времени выполняла бесчисленные измерения антенн и полезных нагрузок в диапазоне 4–24 ГГц. Установка постоянно поддерживалась в рабочем состоянии и недавно модернизирована с помощью перегородки и системы SERAP (защита от серрационного излучения) [5] для повышения точности измерений.

Однако нынешние и будущие спутниковые миссии работают в гораздо более широком диапазоне частот и требуют более высокой точности измерений, чем та, что доступна в ESA CPTR. Поэтому возникла необходимость в новом измерительном комплексе с CATR для высокопроизводительных измерений полезной нагрузки и антенн в диапазоне 1–400 ГГц. Объект получит название HERTZ 2.0 и будет представлять собой современный испытательный центр, включающий также лаборатории субмиллиметровых волн, оптики и оптоэлектроники. CATR для HERTZ 2.0 потребовался индивидуальный проект, чтобы отвечать жестким электрическим требованиям, предъявляемым Агентством, и в то же время соответствовать геометрическим ограничениям, связанным с размерами имеющегося помещения. Благодаря своему богатому опыту в проектировании систем отражателей и прогрессу, достигнутому программными инструментами ВЧ-моделирования за последнее десятилетие [6], компания TICRA была назначена разработчиком электрического проекта нового CATR для будущей установки HERTZ 2.0.

Цель настоящей работы — описать подход, использованный в электрическом проектировании, и показать подробный полноволновый анализ CATR в L‑диапазоне. В частности, будут перечислены и обсуждены требования, выдвинутые Агентством, а также кратко описаны компромиссы при проектировании, которые позволили определить перспективного кандидата, представлена детальная электрическая схема, показаны характеристики спокойной зоны в L‑диапазоне и сделаны обобщающие выводы.

Требования к разработке

Агентство установило ряд электрических и геометрических требований для HERTZ 2.0 CATR, которые будут рассмотрены далее.

Геометрические требования

Размеры радиоанэхогенной камеры показаны на рис. 1. Помимо CATR, в камере будет установлен планарный сканер, создающий запретную зону шириной 3 м. Для подачи фидов планируется специальное помещение (рис. 1 внизу), с возможностью работы как в номинальном положении, так и в смещенном положении для сканирования до ±5°. Суботражатель показан в верхней части рисунка и должен находиться в верхней секции размером 7×20 м для уменьшения дифракции в спокойную зону. Общая высота помещения составляет 18 м. Зеленая область обозначена в нижней левой части рисунка. Это объем на уровне пола с квадратным сечением 2,5×2,5 м, предназначенный для транспортировки оборудования в спокойную зону, которая, таким образом, должна оставаться свободной. Кроме того, позиционер будет размещен на расстоянии 6 м от торцевой стены. Между отражателями и стенами требуется зазор не менее 18 дюймов, чтобы обеспечить место для 18‑дюймовых поглотителей, в то время как остальные стены будут покрыты 26‑дюймовыми поглотителями.

Рис. 1. Размеры камеры HERTZ 2.0 с примером двойного CATR.
Оболочка 18- и 26-дюймового поглотителей также указана

Электрические требования

Новый CATR для установки HERTZ 2.0 должен работать в диапазоне 1–400 ГГц и представлять собой компенсированную систему с двойным отражателем с зубцами, обеспечивающую низкую кросс-поляризацию и малые аберрации сканирования во всех диапазонах. В отличие от CATR с одним отражателем, которые могут быть разработаны по нескольким правилам [3], компенсированная система с двумя отражателями требует тщательного электрического моделирования с использованием специального программного обеспечения [7], что мы и будет рассмотрено далее. В L‑диапазоне общая амплитуда от пика до пика (PtP) и фазовая пульсация поля спокойной зоны должны быть меньше 0,5 дБ и 4° соответственно. Для частот выше, чем L‑диапазон, требования к общей пульсации PtP спокойной зоны составляют 0,4 дБ и 4° соответственно. Следует отметить, что эти требования в два раза строже, чем те, которым отвечают системы COTS CATR, например [8, 9], особенно в L‑диапазоне. Более того, это общие требования PtP, включающие как влияние сужения фида, так и влияние краевой дифракции отражателя, которые обычно оцениваются отдельно. Для выполнения данных требований фид должен иметь очень плоскую форму, а зубцы должны быть тщательно разработаны, чтобы свести дифракцию к минимуму. Наконец, размер спокойной зоны должен быть не менее 5×5 м с глубиной 9 м, а ее центр должен находиться на одинаковом расстоянии от потолка, пола и боковых стен.

Компромиссы при проектировании

Основной и суботражатель расположены в так называемой компенсированной конфигурации, удовлетворяющей условию Мизугучи. Более того, при работе CATR с несколькими фидами одновременно плоская волна в спокойной зоне будет сканировать фиды, не расположенные в фокальной точке. Желательно, чтобы сканирование составляло до ±5°. Это приводит к увеличению размеров суботражателя для уменьшения перетекания и поддержания высокого качества фронта сканированной плоской волны. Наконец, конструкция должна быть выполнена таким образом, чтобы вывести нежелательный трижды отраженный луч (от фида к основному, затем к суботражателю и наконец к основному) из спокойной зоны.

Геометрия оптики показана на рис. 2. Основной отражатель представляет собой смещенный параболоид с фокусным расстоянием f и диаметром D (без зубцов), а суботражатель — вогнутую ветвь гиперболоида с межфокусным расстоянием 2 c и эксцентриситетом e. Фид расположен в одной из фокусных точек гиперболоида, а другая фокусная точка совпадает с фокусной точкой параболоида. Ось гиперболоида наклонена на угол α по отношению к оси параболоида, а ось фида наклонена на угол Ψ по отношению к оси гиперболоида.

Рис. 2. Геометрия оптики CATR и ее определяющие переменные

Налагая требование, чтобы углы α и Ψ были связаны так называемым условием Мизугучи, можно получить систему, оптически эквивалентную вращательно-симметричной системе с одним отражателем, обеспечивающую низкую кросс-поляризацию и малые аберрации сканирования. Условие Мизугучи записывается в виде

tan(Ψ/2) = M tan(α/2),                                 (1)

где M = (е + 1)/(е – 1) — коэффициент усиления, а е — эксцентриситет гиперболоида. Для вогнутой ветви гиперболоида эксцентриситет становится отрицательным числом меньше –1. На рис. 2 введен угол β_f между осью фида и конечным направлением луча. Он является полезной переменной при проектировании и связан с α и Ψ через β_f = α + Ψ. Отмечается, что конечное направление луча параллельно оси параболоида главного отражателя. В целом, геометрия CATR определяется следующими шестью параметрами:

D — диаметр главного отражателя (без зубцов);

f — фокусное расстояние параболоида основного отражателя;

2c — фокусное расстояние гиперболоида суботражателя;

е — эксцентриситет суботражателя;

a — угол между осями основного и суботражателя;

Ψ — угол между осью фида и осью суботражателя.

Поскольку условие Мизугучи дает ограничение между углами и эксцентриситетом, число параметров сокращается до пяти и на их основе можно рассчитать геометрию системы отражателей.

Приведенные выше расчетные формулы использованы для реализации параметрической модели CATR в программе GRASP [10] для изучения методом трассировки лучей влияния пяти переменных относительно геометрических и электрических ограничений и поиска оптимального набора значений, которые могут переместить трижды отраженный луч в сторону от QZ. Пример трассировки лучей для определенного набора значений показан на рис. 3.

Рис. 3. Параметрическая модель CATR для Ψ = 27,5°:
на графике синим цветом показаны номинальные лучи,
розовым — трижды отраженные лучи,
а голубым — фокус плоской волны, запускаемой фидом и плоскостью спокойной зоны на расстоянии 6 м от торцевой стены

После этого была изучена геометрия зубцов. В целом, от CATR требуется, чтобы спокойная зона была как можно больше и как можно более плоской. Размер спокойной зоны контролируется размером основного отражателя, а ее плоскостность — конусностью фида и уровнем дифракции от краев отражателей, которые сильно освещены структурой фида. Для уменьшения краевой дифракции и/или направления ее в сторону от спокойной зоны на краях отражателей используются два распространенных решения — зубчатые и закругленные края [11].

Для HERTZ 2.0 CATR были рассмотрены зубцы с такой же поверхностью (параболоид/гиперболоид) отражателя. Длина и ширина зубцов определяется самой низкой частотой, на которой должен работать CATR — в нашем случае L‑диапазон. Длина зубцов определяет, насколько хорошо токи сводятся к нулю и, следовательно, насколько плавным становится переход через границу отражения в спокойной зоне. Лучше всего использовать длинные зубцы. Если ширина слишком мала, электрическое поле, поляризованное ортогонально к длине зубцов, не сможет индуцировать токи на зубцах, и зубцы не будут иметь никакого эффекта. Было установлено, что для самой низкой частоты 1 ГГц требуется длина не менее пяти длин волн и ширина более одной длины волны.

Детальный электрический расчет

С параметрами, определенными в результате компромиссов, построена подробная модель CATR в GRASP для точного описания поверхности и обода отражателей и каждой зубчатой кромки. Окончательная конструкция CATR получена с проведением серии оптимизаций в TICRA Tools SW в L‑диапазоне с точки зрения поверхности, профиля, длины и ориентации зубцов, а также освещенности суботражателя для полного соответствия геометрическим ограничениям комнаты и максимально возможного приближения к требуемым общим характеристикам амплитудных и фазовых пульсаций. Сначала был использован глобальный метод многоуровневого поиска координат (MCS), а затем локальный minmax. Поскольку CATR должен работать уже на частоте 1 ГГц, методы высокочастотного анализа, такие как физическая оптика (PO) и физическая теория дифракции (PTD), были бы неточными [6], поэтому волновой анализ всей системы стал единственным вариантом. Таким образом, все анализы и оптимизации, выполненные на этапе детального проектирования в L‑диапазоне, реализованы с использованием решателя высшего порядка MoM/MLFMM коммерчески доступного продукта ESTEAM SW в составе пакета TICRA Tools [12, 13]. Рассматривая кластер, образованный основным и суботражателем, можно учесть связь между соседними зубцами, связь между основным и суботражателем и прямое освещение основного отражателя фидом на всех этапах оптимизации. Прямое освещение фида в спокойной зоне (QZ) всегда игнорировалось, поскольку он будет затенен перегородкой. Анализ MoM/MLFMM-отражателей CATR с зубцами на частоте 1,1 ГГц использовал 4,7 Гбайт оперативной памяти и выполнялся за 9 мин на ноутбуке с процессором Intel Core i7 2,3 ГГц. Отражатели освещаются по схеме фида, показанной на рис. 4, которая характеризуется плоской областью вокруг прямого направления и высокой конусностью, что обеспечивает почти постоянную освещенность суботражателя и низкую освещенность зубцов суботражателя. Таким образом поддерживается оптимальная освещенность основного отражателя и низкий уровень пульсаций в спокойной зоне. Эта же схема используется на всех частотах L‑диапазона.

Рис. 4. Диаграмма излучения фида, используемого для освещения CATR

Окончательные варианты основного и суботражателя показаны на рис. 5 и 6. Основной отражатель имеет общий размер 18,5×16,1 м с 32 зубцами длиной около 3 и шириной 1,5 м. Зубцы основного отражателя имеют острый косинусный профиль и наклон для направления дифракции в сторону от QZ. Суботражатель имеет общий размер 15,2×14,4 м с 40 зубцами длиной около 1,5 м и острым косинусным профилем.

Рис. 5. Главный отражатель окончательного CATR в помещении HERTZ 2.0

Рис. 6. Суботражатель окончательного CATR в помещении HERTZ 2.0

Детальный радиочастотный анализ

Срез двух главных плоскостей QZ на расстоянии 6 м от торцевой стены показан на рис. 7, где вертикальные пунктирные линии ограничивают область QZ на расстоянии 5 м, а горизонтальные сплошные линии — интервал пик-пик 0,5 дБ.

Рис. 7. Амплитуда в QZ на расстоянии 6 м от торцевой стены на частоте 1,1 ГГц

Характеристики CATR перечислены в таблице 1 по амплитуде и фазе. Проценты рассчитаны с помощью MoM/MLFMM по сетке с 109×109 точками над спокойной зоной 5×5 м с шагом дискретизации 45,87 мм. Видно, что пик-пик 0,5 дБ достигается в L‑диапазоне более чем для 89,9% точек QZ, а пик-пик 4° достигается более чем для 82,4% точек QZ. Следует отметить, что PtP (%) являются наихудшими значениями, так как на практике излучение суботражателя в направлении спокойной зоны будет частично затенено поглотителями на стене, параллельной спокойной зоне, которые не учитывались в анализе. Также повторяем, что PtP (%) не учитывают прямое поле излучения в QZ, которое будет затенено перегородкой.

Наконец, интересно посмотреть, насколько хорошо физическая оптика (PO) согласуется с полноволновым методом моментов (MoM) в L‑диапазоне. Чтобы лучше понимать вклад поля в спокойную зону, метод моментов применяется двумя способами: во-первых, при рассмотрении кластера, заданного двумя отражателями, для учета взаимного воздействия между отражателями, как это сделано в других разделах статьи. Во-вторых, как «последовательный» MoM, где используется тот же последовательный подход физической оптики, и, таким образом, не учитывается взаимная связь между основным и суботражателем, но используется полная волна на отдельных отражателях. Цель «последовательного» MoM-анализа — изучить эффект связи между зубцами, принадлежащими одному отражателю, который не учитывается в решении физической оптики, и убедиться, что все поля, вносящие вклад в спокойную зону, учтены. Список всех вкладов полей, использованных в последовательных MoM и PO, приведен в таблице 2.

Результаты на рис. 8 показывают, что полный МоМ (черная кривая) идентичен последовательному МоМ (красная кривая) и, соответственно, взаимное воздействие между отражателями незначительно и последовательный МоМ правильно описывает все поля, вносящие вклад в спокойную зону. Мы также видим, что удаление вкладов 2, 3 и 5x из последовательной МоМ (синяя кривая) не приводит к существенному изменению результатов. Таким образом, в данной конструкции нам не нужен SERAP между фидом и основным отражателем и трижды отраженным лучом можно пренебречь. График также показывает, что результаты PO (зеленая кривая) неточны в L‑диапазоне, как и ожидалось, поскольку решение PO не учитывает связь между соседними зубцами, существенную в L‑диапазоне.

Рис. 8. Спокойная зона над главной плоскостью QZ на расстоянии 6 м от торцевой стены при использовании различных методов анализа

Выводы

В статье описан детальный радиочастотный расчет и анализ нового CATR для измерительного комплекса HERTZ 2.0 Европейского космического агентства, специально разработанного компанией TICRA для удовлетворения геометрических и электрических требований, установленных Агентством. CATR представляет собой компенсированную систему двойного отражателя с зубчатыми краями, с параболоидом в качестве основного отражателя и гиперболоидом в качестве суботражателя, работающую в диапазоне 1–400 ГГц. Зубцы имеют одинаковую поверхность отражателей, острые края, без зазоров между ними, и слегка наклонены. Электрический расчет выполнен с помощью нового подхода, использующего первоначальный компромисс с трассировкой лучей в GRASP SW и последующий детальный полноволновый анализ и оптимизацию профиля, длины и ориентации зубцов в ESTEAM SW, обе программы коммерчески доступны в пакете TICRA Tools.