Simulazioni di diagrammi di antenna con il software SRSR-D

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1 Laboratorio di Strumentazione Spaziale II Simulazioni di diagrammi di antenna con il software SRSR-D Cristian Franceschet

2 Cosa trattiamo oggi Cos è Interfaccia grafica per l'implementazione del disegno di un'antenna Il codice di calcolo srsrdb e srsrde Come disegnare una geometria Come impostare una simulazione Visualizzazione dei risultati Esempio pratico

3 Cos è SRSR-D SRSR(SSR)-D Software for a Rigorous Simulation of Radiating Structures with Symmetry of Revolution Dielectric Sviluppato da Orange, consente di simulare proprietà elettromagnetiche nel campo delle microonde di antenne e strutture radianti anche molto complesse purché a simmetria cilindrica Simulazione di elementi conduttivi (es. pareti di un feed-horn, superficie di un telescopio, ecc.) e di domini dielettrici omogenei (es. anima di un Feed-horn dielettrico, radome e supporti plastici, ecc.)

4 L interfaccia grafica e il codice di calcolo L interfaccia grafica di SRSR-D permette di: implementare il disegno geometrico dell'antenna impostare i parametri di simulazione visualizzare i risultati esportare i risultati Due codici alternativi per l'esecuzione del calcolo srsrdb inverte le matrici a blocchi da disco fisso srsrde inverte le matrici direttamente in memoria

5 L interfaccia grafica e il codice di calcolo Esiste solo una versione per sistema operativo Linux L interfaccia grafica può girare su qualunque computer Il modulo di calcolo è legato alla licenza presente sulla macchina pc-astrolab2 La documentazione comprende Presentazione del software (ref. metodo di calcolo) Guida all'installazione Tutorial Guida utente

6 L interfaccia grafica CACAOD

7 L interfaccia grafica CACAOD Avviare l interfaccia grafica di SRSR Da linea di comando digitare cacaod Il progetto risiede nel percorso da cui è stato avviato cacaod

8 L interfaccia grafica CACAOD Avviata l interfaccia grafica di SRSR cacaod carica i modelli di antenna eventualmente già salvati E possibile creare una nuova antenna o modificarne una esistente

9 La sorgente del campo Modo di propagazione in guida Attenuazione del primo modo evanescente Banda passante f cut_off + 0.1% f sup_mode - 0.1%

10 La sorgente del campo Frequenza operativa dell antenna λ cutoff = 2π r χ λ g = λ χ 1 k r 2 χ = radice della funzione di Bessel del modo considerato (valori tabulati) k = 2π / λ = numero d onda r = raggio della guida circolare

11 La sorgente del campo La sorgente del campo e.m. può essere di due tipi Eccitazione in guida d onda (circolare o coassiale) TEM TE 11 coax Eccitazione da sorgente puntiforme (pattern definito dall'utente)

12 La sorgente del campo Esempio di eccitazione in guida circolare in banda Ka La guida rettangolare WR28 ha dimensioni (a x b) = mm x mm con frequenza di taglio c 2a f WR cutoff = = = GHz Immaginiamo di rialzare gradualmente WR28 fino a quando a = b = mm Calcoliamo il raggio di una guida circolare affacciata con stessa frequenza di taglio c = 2π r f TE 11 cutoff = c Il raggio della guida vale r = TE11 2π f cutoff GHz = 4.17 mm

13 La sorgente del campo Meshing, ovvero la discretizzazione delle interfacce/segmenti

14 Il meshing Il meshing viene definito in numero di segmenti per lunghezza d'onda Inoltre occorre raffinare la suddivisione in corrispondenza dei bordi di ciascun segmento per raccordarsi con la massima continuità possibile al segmento successivo Questo viene effettuato mediante i parametri begin e end: in questo caso il segmento al bordo viene diviso prima in due parti, e poi la metà estrema viene ulteriormente suddivisa tante volte quante indicate dal parametro Qui sotto un esempio di meshing con begin = 2 e end = 3 begin = 2 end = 3

15 Il disegno dell antenna Qui si implementa il disegno geometrico dell'antenna (o del sistema ottico, in generale) E' costituito da una serie di interfacce e segmenti (chiamate portions) fra due mezzi dielettrici Le coordinate (x, z) vengono inserite sia in termini assoluti (posizioni effettive) che relativi (distanza dall'ultimo punto inserito)

16 Il disegno dell antenna Si definisce un'interfaccia specificando un punto di partenza e un primo segmento a partire dal punto di partenza Punto di partenza Meshing Nel definire l'interfaccia si impostano anche i parametri di meshing (analogamente a quanto fatto per l eccitazione) e i materiali presenti ai due lati dell'interfaccia Materiali Primo segmento

17 Il disegno dell antenna

18 Il disegno dell antenna

19 Il disegno dell antenna

20 Preparazione della simulazione Implementato il disegno geometrico è necessario impostare la simulazione definendo le frequenze a cui vogliamo calcolare la risposta dell antenna Viene eseguita una simulazione completa per ogni frequenza quindi attenzione a non essere esosi!!!

21 Esecuzione della simulazione Dopo aver impostato la simulazione cacaod genera file con estensione.sr <nome_progetto>_<freq_in_khz>.sr che contengono una copia della geometria da simulare e i parametri di simulazione Tali file conterranno il risultato della simulazione Ci sono tanti file quante sono le frequenze che vogliamo simulare

22 Esecuzione della simulazione La simulazione va effettuata esclusivamente sul computer pc-astrolab2 dove risiede la licenza Se impostiamo la simulazione su un altro computer dobbiamo prima copiare i file relativi alla geometria (nomefile.ge) e alla simulazione (nomefile.sr) su pc-astrolab2 Per ogni file nomefile.sr lanciamo da linea di comando srsrdb nomefile.sr Al termine della simulazione il file conterrà anche i risultati della simulazione e possiamo copiarlo sul pc dove abbiamo disegnato l'antenna A questo punto possiamo visualizzare i pattern e salvare i dati su file

23 Visualizzazione dei risultati Selezioniamo la frequenza di cui visualizzare i risultati Impostiamo i parametri di visualizzazione

24 Visualizzazione dei risultati

25 Esportazione dei risultati I diagrammi di radiazione possono essere esportati in una tabella che contiene i dati relativi alla componente co-polare sui piani E, H e 45 e relativi alla componente cross-polare sul piano a 45 Data la simmetria cilindrica le componenti del campo sui piani Φ sono date da: Componente co-polare Componente cross-polare 2 2 ( ϑ, φ) = E( ϑ, π 2) sin φ E( ϑ,0) cos φ E cp + E xp ( ϑ, φ) = [ E( ϑ, π 2) E( ϑ,0) ] sinφ cosφ

26 Esportazione dei risultati Esportazione su file ASCII

27 Calcolo del return loss (o VSWR) E' possibile anche mostrare il VSWR in funzione della frequenza Il VSWR è definito da 1+ ρ VSWR = 1 ρ dove ρ è il coefficiente di riflessione definito da ρ = Z Z L L + Z Z 0 0 Il Return Loss è definito come RL = 20 log 10 ( ) ρ

28 Risposta in frequenza all in one

29 Ottimizzazione del centro di fase Il centro di fase è definito come quel punto in cui la fase è costante al variare di ϑ In prima approssimazione possiamo porlo al centro dell'apertura dell'antenna e raffinarlo successivamente in funzione dei risultati che otteniamo Immaginiamo di voler ottenere le coordinate del centro di fase in modo che la fase sia costante in un intervallo (-ϑ*, ϑ*) Eseguiamo una simulazione ponendo il centro di fase al centro dell'apertura dell'antenna Valutiamo la differenza di fase (in gradi) f = f(ϑ*) - f(0) Possiamo correggere la posizione z del centro di fase con la seguente relazione z = λ φ cosθ

30 Da non dimenticare Ricordarsi di SALVARE SPESSO!!! Unità di misura Distanze in mm Frequenze in GHz Angoli in gradi x ϕ z

31 Esempio: feed horn corrugato a 10.7 GHz