Simulazioni di pattern di antenna con il software SRSR C. Franceschet Università degli Studi di Milano Dipartimento di Fisica
Cosa trattiamo oggi Introduzione al software SRSR Requisiti per il funzionamento Interfaccia grafica per l'implementazione del disegno di un'antenna Simulazione numerica Esempio pratico
Cos'è SRSR? SRSR sta per Software for a Rigorous Simulation of Radiating Structures with Symmetry of Revolution E' un programma sviluppato da Orange (ex France Telecom) che consente di simulare le proprietà elettromagnetiche (nel campo delle microonde) di antenne e strutture radianti anche molto complesse purché a simmetria cilindrica Il calcolo è basato su una combinazione di soluzioni analitiche alle equazioni di Maxwell (nella direzione φ) e soluzioni numeriche di equazioni integrali (nella direzione z). x z
Cos'è SRSR? E' composto di due moduli: 1. un programma ad interfaccia grafica per implementare il disegno geometrico dell'antenna, impostare i parametri della simulazione e visualizzare i risultati
Cos'è SRSR? 2. Due codici alternativi (a linea di comando) per l'esecuzione dei calcoli numerici. Il codice gira esclusivamente sotto Linux. Il modulo ad interfaccia grafica può girare su qualunque computer, mentre il modulo di calcolo è legato ad una licenza collegata ad una particolare macchina (pcastrolab2) La documentazione comprende: (1) un tutorial, (2) la guida utente, (3) la guida all'installazione e (4) una breve presentazione del software. Vediamo ora il funzionamento mediante un esempio pratico: un'antenna a 10.7 GHz costituita da una guida d'onda terminata da una corrugazione.
Esempio guidato di utilizzo di SRSR 50
Primo passo: impostare i parametri base L'interfaccia grafica viene lanciata mediante il comando cacaod da un terminale a linea di comando. Una volta lanciato il comando carica automaticamente i vari modelli di antenna eventualmente già salvati nella directory Una volta aperta la finestra principale del programma possiamo creare una nuova antenna o modificarne una esistente.
Secondo passo: impostare la sorgente La sorgente del campo può essere un cavo coassiale, una guida, oppure una sorgente puntiforme con un pattern scelto dall'utente. Noi consideriamo una connessa all'antenna guida Modo di propagazione in guida d'onda Attenuazione del primo modo evanescente. Determina la lunghezza del tratto di guida Rappresenta il meshing, ovvero la discretizzazione che vogliamo utilizzare
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 due 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. Nella figura sotto un esempio di meshing con begin = 2 e end = 3 begin = 2 end = 3
Terzo passo: disegnare l'antenna Qui si implementa il disegno geometrico dell'antenna (o del sistema ottico, in generale). E' costituito da una serie di punti ed interfacce metalliche (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).
Terzo passo: disegnare l'antenna Si parte definendo un'interfaccia dando un punto di partenza e un primo segmento a partire dal punto di partenza. Nel definire l'interfaccia si dice anche qual è il meshing da utilizzare e che materiali abbiamo ai due lati dell'interfaccia Meshing Punto di partenza Materiali Primo segmento
Menu della finestra di editing
Plot del disegno geometrico Si può scegliere di fare un plot a schermo o su file
Preparazione della simulazione Implementato il disegno geometrico va impostata la simulazione definendo le frequenze a cui vogliamo conoscere il pattern Viene eseguita una simulazione completa per ogni frequenza, quindi attenzione a non essere esosi... 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
Ottimizzazione del centro di fase 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) φ = φ(θ*) φ(0). Possiamo allora correggere la posizione del centro di fase con la seguente relazione: Á 1 z = 360 1 cos µ
Effettuazione della simulazione Dopo aver impostato la simulazione ci troviamo con dei file del tipo nomefile.sr che contengono i parametri necessari alla simulazione ed i risultati relativi Ci sono tanti file quante sono le frequenze che vogliamo simulare Per la simulazione esistono due codici, equivalenti dal punto di vista del risultato, ma diversi dal punto di vista delle prestazioni richieste srsrde: metodo basato sull'inversione diretta della matrice che descrive le equazioni integrali. Richiede memoria, ma è il più veloce. Da utilizzare a meno di problemi di memoria srsrdb: metodo basato sull'inversione a blocchi della matrice che descrive le equazioni integrali. Richiede meno memoria, ma è il più lento in quanto accede pesantemente al disco.
Effettuazione della simulazione La simulazione va effettuata esclusivamente sul computer pc-astrolab2 (altrimenti non gira). Quindi se impostiamo la simulazione su un altro computer allora dobbiamo prima copiare i vari file relativi alla geometria (nomefile.ge) e alla simulazione (nomefile.sr) su pc-astrolab2. Per ogni file nomefile.sr lanciamo da linea di comando srsrde nomefile.sr. Al termine della simulazione il file conterrà anche i risultati e possiamo ricopiarlo sul PC dove abbiamo disegnato l'antenna. A questo punto possiamo visualizzare i pattern e salvare i dati in un file esterno.
Visualizzazione dei risultati Selezioniamo la frequenza di cui visualizzare i risultati Impostiamo i parametri di visualizzazione
Visualizzazione dei risultati Selezioniamo la frequenza di cui visualizzare i risultati Impostiamo i parametri di visualizzazione
Esportazione di file I pattern possono essere esportati in una tabella ASCII che contiene i dati relativi alla componente co-polare sui piani E ed H e relativi alla componente cross-polare sul piano a 45 Ricordiamo che grazie alla simmetria cilindrica le componenti del campo sui vari piani sono date da: Componente co-polare Ecp (µ; Á) = E(µ; ¼=2) sin2 Á + E(µ; 0) cos2 Á Componente cross-polare Exp (µ; Á) = [E(µ; ¼=2) E(µ; 0)] sin Á cos Á
Esportazione di file Esportazione su file ASCII
Calcolo del return loss (o VSWR) E' possibile anche mostrare (solo graficamente) il VSWR in funzione della frequenza Ricordiamo che il return loss è definito da: RL = 20 log10(½) dove r è il coefficiente di riflessione definito da: Il VSWR è definito da: Z L Z0 ½ = ZL + Z0 1+½ V SW R = 1 ½
Calcolo del return loss (o VSWR)