Curso sobre Medida de Antenas - UPM · ddl ililAt bj b(ABP)de onda plana que ilumina la Antena bajo...

Curso sobre Medida de Antenas

José Luis Besada Sanmartín, Manuel Sierra Castañer

CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS

Universidad Politécnica de Madrid (UPM)

Tema 2: Medidas en Rango Compacto (CATR)

• Introducción

Ti d i t d t• Tipos de sistemas de rango compacto

• Especificaciones zona tranquila

• Rangos compacto de tipo reflector:

• Reflector simple offset

• Reflector Cassegrain

• Reflectores conformados

• Reflectores Gregorianos

CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMED-2- 2

Reflectores Gregorianos

• Diseño Sistema UPM: Gregoriano de Doble Cámara

• Técnicas de medida en Rango Compacto: contrapolar y RCS

• Medidas de ganancia utilizando técnicas RCS

• Errores de medida

Introducción

• Son sistemas de uno o más reflectores (u otros elementos) que transforman el frente de onda esférica radiado por un pequeño alimentador en un frente d d l il i l A t b j b (ABP)de onda plana que ilumina la Antena bajo prueba (ABP)

a) Túnel anecoicob) Array plano uniformec) Sistema doble reflectord) Sistema reflector offset

(primer sistema utilizado por Scientific Atlanta en 1968)


)

Ejemplos de rangos compactos


Ventajas y limitaciones CATR

• Permiten medir de forma directa, a frecuencias de microondas, diagramas de radiación de antenas de gran tamaño eléctrico en el interior de una cámararadiación de antenas de gran tamaño eléctrico, en el interior de una cámara anecoica, con todas las ventajas que ello conlleva.

• La medida se realiza en tiempo real, al contrario que en los sistemas de campo próximo.

• Las principales limitaciones que tienen están relacionadas con la banda de frecuencia de utilización:


– En ondas milimétricas por las tolerancias superficiales de fabricación de los reflectores.

– A bajas frecuencias por el tamaño mínimo de los reflectores. Con 30 (incluidos aserramientos el rizado de campo es del orden de ±1 dB.

Tipos de CATR: Túnel anecoico

• Es similar a la cámara abocinada, y realmente no es un verdadero Rango Compacto.


• Es un híbrido entre un campo lejano y un rango compacto.

• La zona tranquila es más grande a frecuencias bajas, al revés que en los CATR convencionales. Esto se deriva de su carácter de campo lejano D=(Rλ/2)1/2

Tipos de CATR: Arrays

• Conceptualmente, se puede diseñar un CATR con un array plano de elementos radiantes. Sin embargo, a nivel práctico adolece de:

– Diseño a medida para una banda determinada. No funciona en banda ancha. En alta frecuencia el control de la fase es difícil.


– Alto coste.

– Si los elementos están muy próximos (frecuencias altas) aparecen fenómenos de acoplamiento entre antenas y energía reactiva.

– La distribución uniforme produce rizados muy altos (más de 2 dB). Estos rizados pueden reducirse utilizando tapers de amplitud sobre los elementos periféricos del array.

Rizado de un array de 22x22 a 10 de distancia

Tipos de CATR: lentes y hologramas

Sistemas de lente: • El material dieléctrico de la lenteEl material dieléctrico de la lente debe ser muy homogéneo• El grosor se puede reducir mediante “zoning” (aunque también disminuye el ancho de banda )


CATR de tipo Holograma: para ondas milimétricas y sub-

milimétricas (Universidad Técnica de Helsinki)

Tipos de CATR: Reflector


• La mayor parte de los CATR se fabrican con reflectores offset simples o dobles, porque cambiando el alimentador pueden cubrir desde algunos GHz hasta milimétricas.

• Para calcular las potencias requeridas en estos sistemas compactos, debe utilizarse la fórmula de Friis con la distancia R≈distancia focal equivalente del sistema=FxM (tramo de onda esférica, entre reflector y ABP la onda es plana)

Primer CATR en Georgia Tech, 1968


Especificaciones zona tranquila

Zona tranquila: volumen del espacio en el que se sitúa la ABP, en el que las condiciones de iluminación difieren de las propias de una onda plana por debajo de unos valores preestablecidos.

Taper (impuesto por diagrama del alimentador y por la diferencia de caminos hasta el reflector). Nivel de iluminación típico en el borde del reflector de –1.5 dB / -2 dB. Valores típicos de –0.5 dB ó –1dB


Rizado producido por las difracciones en el borde del reflector y por las diversas reflexiones en las paredes. Valores típicos máximos de 0.5 dB y 10º de fase

Especificaciones zona tranquila: Técnicas de reducción de difracción

Aserramientos en el reflector:

Reflector offset 45x45, de ,60 de distancia focal.

Diámetro zona tranquila ~½ diámetro del reflector

RAYOS DIFRACTADOS (L. Keller)

C i t Si i t


Con aserramientos Sin aserramientos

βSimulaciones PO

(a) t=9, z=65 , (b) t=9, z=128 , (c) z=128

Especificaciones zona tranquila: Técnicas de reducción de difracción

Curvado (rolled) del borde del reflector:

Diámetro zona tranquila ~ ~0.35 diámetro del reflector

Otras técnicas:

- películas resistivas de resistencia


variable.

- iluminación a bajo nivel del borde con clusters de bocinas

Fuentes de rizado en zona tranquila

Distorsión superficial

Reflexiones en la cámara

Reflexiones múltiples

Difracción del borde

Radiación directa

pABP

El i d d li d f l il á d


• Imprecisiones superficiales

• Difracción residual del borde

• Radiación directa del alimentador.

• Reflexiones de las paredes de las cámaras.

• Reflexiones múltiples entre ABP y CATR

El rizado de amplitud y fase en la zona tranquila está provocado por:

• Las distorsiones superficiales producen rizado de amplitud y sobre todo de fase

l t il

Fuentes de rizado en altas frecuencias

en la zona tranquila.

• La precisión de mecanizado y las distorsiones finales debidas a la instalación deben ser inferiores a λ/100(7.2º de error de fase) a la frecuencia superior de utilización (50 m a 60 GHz)

• La fabricación de reflectores de varios metros de diámetro con estas


precisiones es muy cara.

• Las variaciones de temperatura producen gradientes que den lugar a errores superficiales. En frecuencias de milimétricas, se necesitan cámaras conun buen control temperatura.


Nivel contrapolar: depende del sistema de reflectores utilizado y de la calidad del alimentador.

- Los reflectores offset introducen contrapolar intrínseca en el plano antisimétrico, que les

Reflector offset de 7 metros de distancia focal, con F/D=1

hace poco recomendables para medida de antenas. Para reducir el efecto se trabaja con relaciones F/D grandes.- Los sistemas de doble reflector se pueden diseñar para compensar esta polarización (condición de Mizouguchi)


x (metros)


Margen de frecuencias:

-La frecuencia mínima está limitada por la difracción asociada al tamaño de los reflectores utilizados. Para un reflector de 30 (aserramientos incluidos) el rizado se sitúa en unos 2 dB pico a pico. A 1 GHz es necesario un reflector de 10 metros.

- La frecuencia máxima de utilización está limitada por los errores de fase asociados a la imprecisión del mecanizado de los reflectores. El requisito de precisión se sitúa en torno a /100 de la máxima frecuencia deseada.

Scanning:


Posibilidad de desplazamiento lateral del alimentador (para reorientar el haz de rayos colimados de salida) sin que taper y rizado se degraden. Esta técnica permite medir respuesta de antenas de satélite sin necesidad de rotar éste.

CATR con Reflector Simple Offset


• También se conoce como sistema virtual vertex.

• Se utilizan reflectores de gran relación F/D (0.8 – 1.2) y bajo ángulo offset o para ecualizar mejor el taper de amplitud y reducir la radiación contrapolar intrínseca.

• Son sencillos de diseñar y de alinear al constar solamente de 2 elementos.

• Son más baratos que los reflectores dobles.

• Pueden trabajar a frecuencias más bajas, porque no tienen la limitación de tamaño del subreflector.

• Estos sistemas tienen baja capacidad de scanning

Ejemplo de CATR Simple con Aserramientos


Dzq 0.5 Dref

Ejemplo de Reflector Simple con Bordes curvados


Dzq 0.35 Dref

Ejemplos de CATR portátiles

Mini CATR de ORBIT• 1.5m x 1.3m x 2.1m• 8.2 – 40 GHz• Zona tranquila 30 cm Ø


Modelo 5701 de MI Tech

Especificaciones de sistemas simples MI-Technologies


CATR Vokurka de doble cilindro parabólico

• Utiliza dos reflectores parabólicos el subreflector con eje horizontal y el


Utiliza dos reflectores parabólicos, el subreflector con eje horizontal y el reflector principal con eje vertical, colimando cada uno respectivamente en elevación y azimuth la onda esférica proveniente de una fuente puntual.

• Precio moderado con alta precisión, por ser reflectores de simple curvatura.

• Tiene buena polarización en los planos V y H (aunque muy mala en ± 45º)

• Presentan buena capacidad de scanning.

CATR Dual offset Cassegrain

• Utiliza la configuración de la figura, con reflectores muy planos.

• El alimentador y los reflectores se sitúan en la misma habitación.

• El subreflector marca la frecuencia límite inferior.

• Alta capacidad de scanning.


• Tienen buenas prestaciones de polarización utilizando la condición de Mizouguchi.

• Cuestan el doble que un reflector simple y su alineamiento es más complicado.

2tgM2tg

• Problema: pueden aparecer triples reflexiones que pasan por la zona quieta.

CATR Dual offset Cassegrain

• Solución para ESTEC: utilizar bocinas cónicas corrugadas escalares comoalimentadores, de error de fase en torno a 1.5, que dan un lóbulo principal plano con una caída abrupta.

Zona quieta

Alimentador

Reflector


Subreflector

Ejemplos de CATR Dual offset Cassegrain


Fabricado por DASA. Los reflectores son de acero y pesan unas 20 Tm.Fabricado por EADS-CASA para ESTEC.

Reflectores del orden de 10x11 m, construidos en 4 pétalos de fibra de carbono.

Pesa unos 400 kg

Efecto del gap entre paneles de un reflector

Valores de rizado de amplitud en zona quieta asociados a los gaps de separación

Equieta asociados a los gaps de separación entre paneles de reflectores compuestos.

El efecto es mucho más importante cuando se cortan líneas de corriente.


gap

1 MILS=0.0254 mm

CATR Cassegrain conformado

• Se conforman las superficies de ambos reflectores para ecualizar la amplitud y fase del campo incidente sobre la zona

i tquieta.

• El borde del subreflector se ilumina a nivel muy bajo, con una bocina de alta ganancia, para reducir la difracción.

• Presente bajo spillover, alta eficiencia y bajo rizado en la zona quieta.

• Los inconvenientes son:


– Alimentadores muy grandes y costosos.

– Alta radiación contrapolar (-30 dB)

– Baja capacidad de scanning.

– Frecuencia mínima elevada, debido al tamaño del subreflector.

Este sistema lo fabrica Harris Corporation

CATR Gregoriano offset en doble cámara

• Otra opción son los sistemas Gregorianos, con muy buenas prestaciones para medida co uy bue as p estac o es pa a ed dade Sección Radar, porque el spillover del alimentador queda en la cámara inferior, donde se sitúa también el subreflector.

• El reflector principal se ilumina a través de un agujero entre las cámaras, aprovechando el foco común del sistema de reflectores.

• Tienen un tappering reducido y muy buen


pp g y yaprovechamiento de zona quieta.

• Utilizando la condición de Mizoguchi, se compensa la polarización cruzada.

Reflector parabólico

Frente

ABP

D=4.5 m

Sistema UPM: Gregoriano de doble cámara

Sub-reflector elípticoAlimentador

onda plana

Sistema Gregoriano de doble cámara

F=2 m


Cámara principal: 15L x 8A x 7.5H mBanda de funcionamiento: 6 -150 GHzZona quieta: 3 m de diámetroRizado amplitud: 0.5 dB pico a picoRizado fase: ± 5ºNivel contrapolar: < -38 dB

Diseño CATR UPM: Análisis de zona tranquila

• Elección del numero de pétalos a través de la intersección de los conos de rayos difractados, en el

β

yvértice interior de los aserramientos, con un plano en el centro de la zona tranquila deseada

D=3.5m


N=40

D=3.5m


• Análisis PO: en nuestro caso se discretizó el reflector (incluidos pétalos) en pequeñas aperturas rectangulares y se calculo el campo en la zona tranquila como la suma de los campos lejanos de las mismas. p j

• La iluminación de cada apertura la fija la corriente asociada al campo incidente sobre el reflector producido por el alimentador.

CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMED-2- 32Simulación a 6 GHz

Análisis de pétalos cosenoidales



Pétalos de 75 cm

Comparación PO entre pétalos triangulares y cosenoidales a 5 GHz

Diseño de Rangos Compactos mediante técnicas de Fourier

• Optamos por formulaciones enespectro de onda plana (PWS)

Precisión

Flexibilidad

Rapidez

• El campo E es obtenido en rejillasubicadas en planos z=zi constante

• Manejamos datos en los dominiosespacial (x,y;zi) y espectral (u,v;zi)


zi

• Validación: comparación con software comercial: GRASP8.

• Evaluar cortes H/V una misma escala en amplitud y fase

V

A


V

H

Radio interno: 30 cm D. Focal: 80 cm. Error superficial: 0 m

pico Tapper en radio interno:

0dB

Radio interno: 30 cm D. Focal: 80 cm. Error superficial: 0 m

pico Tapper en radio interno:

0dB


H

0dB Adquisición: z=1 m Frecuencia: f=300 GHz

0dB Adquisición: z=1 m Frecuencia: f=300 GHz

Tiempo sim. GRASP:~14 horas.

Tiempo Muñoz-Acevedo ~ 300 segundos.

Tiempo sim. GRASP:~14 horas.

Tiempo Muñoz-Acevedo ~ 300 segundos.



Diseño de un reflector parala cámara de TTI-Norte

Diseño CATR UPM: Análisis de deformaciones

• Para evitar deformaciones gravitacionales la rigidez de los reflectores es muy importante. Es necesario realizar simulaciones mecánicas mediante elementos finitos.

• En nuestro caso con ANSYS se optimizó la estructura rigidizante posterior hasta

Definición de cuadernas para ANSYS

• En nuestro caso, con ANSYS, se optimizó la estructura rigidizante posterior hasta obtener una deformación gravitacional máxima, en la posición definitiva, de 170 micras en el extremo de los petalos y de 15 micras en la parte sólida del reflector

Análisis de deformaciones


CATR UPM: Fabricación e instalación

Molde de madera del subreflector

Detalle de refuerzos del reflector

Ensamblaje de las 3 piezas del fl t


Fresado del reflector ensamblado

reflector

Levantamiento del reflector

CATR UPM: Alimentadores

Bocinas piramidales

Bocinas tipo choque

Zona de visiondel reflector

=0, 45 y 90º

XP, =45º

F=12.5 GHz


Diagrama típico de bocina tipo choque

CATR UPM: Verificación zona tranquila


Calidad zona tranquila a 12.5 GHz

Deslizadera lineal para verificación de zona tranquila

CATR UPM: Rizado y tappering

1 dB/división f=10 GHz1 dB/división f=10 GHz

HORIZONTAL

VERTICAL

Con bocinas piramidales(de mayor ganancia)

HORIZONTAL

VERTICAL

Con bocinas choque

1 dB/división f=6 GHz


Con bocinas choque

Medida de alta precisión XP con offset simple

• Para evitar los errores de medida de componente contrapolar introducidos por los reflectores offset cuando el ptamaño de la antena bajo prueba es grande, se puede recurrir a una técnica desarrollada por MI Tech, que comercializan bajo las siglas ECCA.

Si el alimentador no tiene contrapolar y


Si el alimentador no tiene contrapolar y apunta hacia el vértice de la parábola, el reflector offset no introduce ninguna contrapolar. Midiendo con esta configuración “alternativa”, la contrapolar medida de la ABP es la suya propia. El efecto, en este caso, viene por el tappering de amplitud.


Cuando el alimentador apunta al centro del reflector offset (situación estándar) la iluminación XP apareceoffset (situación estándar) la iluminación XP aparece porque la proyección de las líneas de campo del alimentador sobre la apertura no son paralelas.

Para medir correctamente:

- Si el diámetro de la antena es pequeño se puede utilizar la configuración offset estándar.

- Si el diámetro de la antena es grande se puede medir la contrapolar en la situación alternativa y


medir la contrapolar en la situación alternativa y corregir el efecto de distorsión asociado al tappering de amplitud.

J. Jacobson. “On the Cross Polarization of Asymmetric Reflector Antennas for Satellite Applicatons” IEEE Trans. AP-25, March-1977.

Proceso de medida:

-Se mide el diagrama CP-XP en un sector


-22.8-22.0-23.2-22.6NIST planar-near-field range

Magnitude of Cross-Pol Peaks


Magnitude of Cross-Pol Peaks

gespacial en la situación alternativa.

-Se reconstruyen los campos de la apertura (FFT inversa)

- Se calculan el campo Eil(x,y), mediante GO, a partir del diagrama del alimentador y de la geometría del sistema.

- Se obtiene el campo en la apertura y a

y,xEy,xEFFT ABPil1


-47.9Average

-55.0-40.4-57.3-49.6Error

-22.6-23.1-23.0-23.0Alternate configuration


-29.7Average

-29.7-28.1-32.8-31.2Error

-28.0-27.9-26.7-26.7Standard configuration


-47.9Average

-55.0-40.4-57.3-49.6Error

-22.6-23.1-23.0-23.0Alternate configuration


-29.7Average

-29.7-28.1-32.8-31.2Error

-28.0-27.9-26.7-26.7Standard configuration


Se obtiene el campo en la apertura, y a partir del mismo el diagrama de radiación.

- Las medidas ya no son directas.

C.A. Rose, J.H. Cook. “High-accuracy cross polarization Measurement using a Single-Reflector Compact Range. AP Magazine. April. 1999.

-48.82Average

-49.1-43.0-60.3-48.8Error

-22.4-22.8-23.1-23.1ECCA

-48.82Average

-49.1-43.0-60.3-48.8Error

-22.4-22.8-23.1-23.1ECCA



Comparativa de medidas en el sistema plano del NIST y ECCA-MI Tech.

Medidas de RCS en CATR

- La medida de sección recta radar (RCS) de objetos requiere una iluminación de onda plana (campo lejano del Radar) similar a la utilizada en medida de antenas. Los sistemas compactos son por lo tanto ideales para estas medidas. - Cuando se miden RCS muy bajas, es necesario eliminar el “clutter” de la cámara durante el proceso de calibración. Con radares pulsados, o con radares CW de banda ancha y FFT inversa para pasar al dominio de tiempo, se pueden utilizar enventanados temporales para eliminar el clutter.- La reflexión del soporte (pilón), que suele ser de perfil ojival para reducirla, también se puede eliminar durante la fase de calibración, haciendo una resta de “cámara vacía”.

Bistatic Anechoic Chamber at Naval Air


Weapons Station Point Mugu, California (46m x 46m x 18m)

Medidas RCS en rango compacto


UPM RCS setup

Medidas de RCS con RADAR CW (VNA)

TF-1

Puerta temporal

TF

Respuestamedida

Respuestacon gating

La ventana temporal se debe situar sobre el blanco dejando pasar sólo las señales reflejadas por el mismo.

TF TF

Dominio del tiempoDominio de la

frecuencia

Dominio de la frecuencia


Esto elimina las reflexiones espúreas reduciendo el rizado de la respuesta de frecuencia.

vacíacamaramedidopatrón

vacíacamaramedidoblancopatrón

patrón

blancopatrónblanco EE

EE

E

E

Para medir RCS, con la ventana ajustada sobre el blanco, el analizador calibrado realiza la siguiente operación:

Consisten en comparar la sección radar de un blanco de referencia (placa metálica plana) con la sección radar de la antena cortocircuitada.

Medidas de ganancia utilizando técnicas RCS

Ventajas:

– Elimina el error de calibración de la bocina patrón ya que la sección radar de la placa (cuando es de muchas longitudes de onda de diámetro) se conoce “exactamente”.

– Si el patrón es del mismo tamaño que el reflector a medir, elimina los efectos debidos al rizado de campo y tappering en la zona quieta.

– Los patrones son fáciles de fabricar (placas planas)


Los patrones son fáciles de fabricar (placas planas)

– Elimina la necesidad de llevar con cables la señal a la ABP.

– Se utilizan las técnicas de calibrado RCS anteriores para reducir efectos de acoplos y reflexiones de las paredes.

– No hay limitación en el número de frecuencias a medir, ya que la RCS del patrón en la banda de medida es conocida teóricamente.


En primer lugar se mide la sección recta radar σR del blanco patrón:

RRE 2

D 2

43

2

2

44

DSdisc

R

Se cortocircuita la puerta de entrada de la ABP, y se mide su sección radar σ1 :

RER D 4

12

1 E

1EAUT

RRE

E 2

21

1

También se usa habitualmente para alineamiento del compacto


AUTLa ganancia de la antena está relacionada con su sección radar:

12

2

ef12ief

2i1

4GG

4GA

r4GSA

r4S Si = densidad de

potencia incidente

R

RE

EG

41 donde σR se obtiene analíticamente.

Sin embargo, en ciertas antenas, el campo medido no solamente es proporcional a la RCS del modo antena (proveniente del cortocircuito) sino que está contaminado por


RCS del modo antena (proveniente del cortocircuito), sino que está contaminado por el campo dispersado por la estructura de la propia antena.

jeE1 ABP

0E

Corto deslizante


1010min

10max10 , EE

EEE

EEEeEEE j

t

Para separar el campo E1 del modo antena, del campo total medido, se puede utilizar un cortocircuito deslizante para medir dicho campo, sabiendo que la fase del campo dispersado no cambia.

Para antenas más complicadas, con varios reflectores, aparecen en el campo total otros modos de sección radar superiores asociados a las reflexiones múltiples entre l di ti t fl t


los distintos reflectores.

1E

0E

2E

Subreflector

x

g


0n

xn2jnt

geExE

Para obtener el campo E1 asociado a la primera reflexión (modo antena en transmisión), es necesario tomar lecturas para distintas distancias x del corto, y obtener el término fundamental de la serie de Fourier del campo total.

2

0

x2jt

g1

g

g dxexE2

EFourier


Pylon de sección ojival de baja

RCS


Medida de una antena reflectora con splash plate, de un pico terminal de banda Ku

Medida de los modos de sección radar del reflector




Medida de ganancia del reflector

0.2dB/

Las técnicas RCS permiten medir ganancia con precisión a tantas frecuencias como se desee, sindel reflector

Puntos de referencia medidos con SGH.

frecuencias como se desee, sin necesidad de calibrados previos del estándar.

Los estándares son fáciles de fabricar pudiendo elegirse de tamaño similar al de la ABP para disminuir errores.


Comparación de errores en la medida de ganancia

utilizando bocinas patrón y técnicas RCS

Caracterización y errores de medida en CATRs

D=16m

A=5.5 m

3 m

Medidas simuladas 3.7 GHz reflector 2.4 mpara 5 posiciones transversales cada 0.2 m

Equivalente a espectros ondas planas


S. Brumley. Characterizing Compact Range Performance for Space Communication Antenna Applications. Proc. Of 14th AMTA Symposium

maxatan(2.75/16)

Caracterización y errores de medida en CATRs

1 2

3Fig. 1 y 2: Medidas CPC y XPC de un reflector de 2 4 metros en distintas posiciones


S. Brumley. Characterizing Compact Range Performance for Space Communication Antenna Applications. Proc. Of 14th AMTA Symposium

reflector de 2.4 metros en distintas posiciones transversales, y sus espectros de error.

Fig. 3: Simulación de precisión de ganancia para antenas de 0.15, 0.5, 1 y 2.4 metros de diámetro medidas en distintas posiciones transversales.

Medidas de diagrama. Intercomparación ACE VAST12 (ESA)


Superposición de diagramas de la antena VAST12 medidos en los sistemas compacto (rojo) y de campo próximo esférico de la UPM

Bibliografía

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Fence: Two-Dimensional case. IEEE Trans AP. March 2001.• C.W. Pistorius et al. A Dual Chamber Gregorian Subreflector System for Compact

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