RU2757995C1 - Antenna for near-field measurements - Google Patents

Antenna for near-field measurements Download PDF

Info

Publication number
RU2757995C1
RU2757995C1 RU2020126831A RU2020126831A RU2757995C1 RU 2757995 C1 RU2757995 C1 RU 2757995C1 RU 2020126831 A RU2020126831 A RU 2020126831A RU 2020126831 A RU2020126831 A RU 2020126831A RU 2757995 C1 RU2757995 C1 RU 2757995C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
antenna
field
waveguide
measurements
measurement
Prior art date
Application number
RU2020126831A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Евгеньевич Седельников
Никита Анатольевич Тутьяров
Айдар Ревкатович Насыбуллин
Тимур Радикович Шагвалиев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ)
Priority to RU2020126831A priority Critical patent/RU2757995C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2757995C1 publication Critical patent/RU2757995C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

FIELD: antennas.
SUBSTANCE: invention relates to the field of radio equipment, namely to antenna measurements conducted in the near field. The technical result is achieved by the fact that the antenna sensor for near-field measurements consists of a segment of a rectangular waveguide segment, one end whereof is made open, and a flange is attached to the other end, forming the antenna input, a screen, in the form of a ring with a diameter D<2λ, wherein λ is the wavelength, and a plate made of a material with a negative magnetic permeability, installed perpendicular to the open end of the waveguide. The developed antenna for near-field measurements provides a possibility to increase the uniformity of the directivity pattern in the sector of angles corresponding to the area of measurement by standard antenna measurement equipment.
EFFECT: proposed invention is aimed at increasing the uniformity of the directivity pattern of the antenna sensor in the sector of angles corresponding to the area of measurement by standard measuring equipment.
1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенным измерениям, осуществляемым в ближней зоне.The invention relates to the field of radio engineering, namely to antenna measurements carried out in the near field.

Изобретение может быть использовано в аппаратуре для измерений характеристик антенных решеток, в том числе активных (АФАР), мониторинга их состояния, выявления неисправных элементов.The invention can be used in equipment for measuring the characteristics of antenna arrays, including active (AFAR), monitoring their condition, identifying faulty elements.

Одной из важных задач современной антенной техники является диагностика состояния антенн, в том числе ФАР и АФАР. Известно, что диагностику технического состояния их можно осуществить путем измерения пространственного распределения электромагнитного поля, излучаемого обследуемой антенной в ближней зоне (Бахрах Л.Д. Методы измерений параметров излучающих систем в ближней зоне. - Л.: Наука, 1985. 272 с.).One of the important tasks of modern antenna technology is to diagnose the condition of antennas, including PAR and AFAR. It is known that diagnostics of their technical condition can be carried out by measuring the spatial distribution of the electromagnetic field emitted by the surveyed antenna in the near zone (Bakhrakh L.D. Methods for measuring the parameters of radiating systems in the near zone. - L .: Nauka, 1985. 272 p.).

В настоящее время для этих целей используется способ сфокусированной апертуры, позволяющий измерять амплитудно-фазовое распределение в апертуре обследуемой антенны (Данилов И.Ю., Седельников Ю.Е. Диагностика апертурных распределений антенн путем измерений в зоне ближнего излученного поля. Журнал радиоэлектроники. №1. - 2016. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://jre.cplire.ru/ire/jan16). Измерения осуществляют с использованием антенны-датчика, перемещаемой вдоль контролируемой антенны в зоне ближнего поля.Currently, for these purposes, a focused aperture method is used, which makes it possible to measure the amplitude-phase distribution in the aperture of the antenna being examined (Danilov I.Yu., Sedelnikov Yu.E. Diagnostics of the aperture distributions of antennas by measurements in the near-radiated field. Journal of Radio Electronics. No. 1 . - 2016. [Electronic resource]. - Access mode: http://jre.cplire.ru/ire/jan16). The measurements are carried out using an antenna-sensor moved along the monitored antenna in the near-field zone.

В качестве датчика обычно используют антенну в виде открытого конца прямоугольного волновод стандартного сечения (Система измерения параметров антенн в ближней зоне АНТА-010180-Б4040. https://all-pribors.ru/opisanie/71654-18-anta-010180-b4040).An antenna in the form of an open end of a rectangular waveguide of standard cross-section is usually used as a sensor (ANTA-010180-B4040 system for measuring antenna parameters in the near zone. ...

Используют также круглый, конический рупор с фланцем с проточками (Можаров Э.О, Михайлов-Овсянников Д.С. Измерительный стенд на основе компактного планарного сканера ближнего электромагнитного поля. Радиостроение №05 20-17 стр. 38-51.A round, conical horn with a flange with grooves is also used (Mozharov E.O., Mikhailov-Ovsyannikov D.S.

Применяется также пирамидальный рупор (Автоматизированный комплекс для измерений радиотехнических характеристик. Лапин В.В. и др. Патент РФ на полезную модель №105466).A pyramidal horn is also used (Automated complex for measuring radio technical characteristics. Lapin VV and other RF patent for a useful model №105466).

В Патенте РФ №2565352 описана антенна в виде круглого волновода https://findpatent.ru/patent/256/2565352.htr.RF Patent No. 2565352 describes an antenna in the form of a circular waveguide https://findpatent.ru/patent/256/2565352.htr.

Точность определения амплитудно-фазового распределения зависит от характеристик датчика в составе аппаратуры ближнепольных измерений. Поскольку ДН антенны-датчика неизотропна, измерения в различных точках плоскости сканирования происходят при неэквивалентных условиях, что приводит к снижению точности восстановления АФР обследуемой антенны (М.А. Исаков, В.П. Лисинский, Перспективы реконструктивных антенных измерений как основного метода приема-сдаточных испытаний. Вестник Концерна ПВО «Алмаз - Антей» №3, 2015. Стр. 51-58).The accuracy of determining the amplitude-phase distribution depends on the characteristics of the sensor in the composition of the near-field measurement equipment. Since the antenna-sensor antenna pattern is non-isotropic, measurements at various points of the scanning plane occur under nonequivalent conditions, which leads to a decrease in the accuracy of the AFR reconstruction of the surveyed antenna (M.A. Isakov, V.P. Lisinsky, Prospects for reconstructive antenna measurements as the main method of acceptance tests. Bulletin of the Air Defense Concern "Almaz - Antey" No. 3, 2015. pp. 51-58).

Аналогом заявленной антенны-датчика является антенна в виде отрытого конца прямоугольного волновода. Айзенберг Г.З., В.Г. Ямпольский О.Н. Терешин. Антенны УКВ Т.1. Стр. 240-253.Э Антенна состоит из прямоугольного волновода, один из концов которого выполнен открытым, а к другому концу присоединен фланец, образующий вход антенны.An analogue of the claimed antenna-sensor is an antenna in the form of an open end of a rectangular waveguide. Aizenberg G.Z., V.G. Yampolsky O.N. Tereshin. VHF antennas T.1. P. 240-253.E Antenna consists of a rectangular waveguide, one of the ends of which is open, and the other end is connected to a flange that forms the entrance of the antenna.

Недостатком ее является неидентичность диаграммы направленности в плоскостях Е и Н.Its disadvantage is the non-identity of the radiation pattern in the E and H planes.

Наиболее близким аналогом заявленной антенны-датчика является антенна согласно Патенту РФ №2565352. Антенна содержит отрезок волновода, один конец которого выполнен открытым, а к другому концу присоединен фланец, образующий вход антенны, и экран, в виде кольца диаметром D<2λ, где λ - длина волны, в полости волновода установлен поляризатор в виде диэлектрической пластины, а кромка волновода продолжена за плоскость раскрыва в виде четырех пилообразных выступов.The closest analogue of the claimed antenna-sensor is the antenna according to RF Patent No. 2565352. The antenna contains a section of a waveguide, one end of which is made open, and a flange is attached to the other end, which forms the entrance of the antenna, and a screen in the form of a ring with a diameter D <2λ, where λ is the wavelength, a polarizer in the form of a dielectric plate is installed in the cavity of the waveguide, and the waveguide edge is extended beyond the opening plane in the form of four sawtooth protrusions.

Основной недостаток антенны - прототипа состоит в том, что диаграмма направленности ее неизотропна в секторе углов соответствующих области измерений ближнего поля типовой аппаратурой.The main disadvantage of the prototype antenna is that its directional pattern is non-isotropic in the sector of angles corresponding to the measurement area of the near-field by typical equipment.

Задачей изобретения является создание антенны- датчика с равномерной диаграммой направленности линейной поляризации в секторе углов, соответствующих области измерений типовой аппаратурой для антенных измерений в ближней зоне.The objective of the invention is to create a sensor antenna with a uniform directional pattern of linear polarization in the sector of angles corresponding to the measurement area with typical equipment for antenna measurements in the near field.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение равномерности диаграммы направленности антенны для измерений в ближней зоне в секторе углов, соответствующих области измерений типовой аппаратурой.The technical result, to which the present invention is directed, is to increase the uniformity of the antenna radiation pattern for measurements in the near zone in the sector of angles corresponding to the measurement area of the typical equipment.

Технический результат достигается тем, что антенна для измерений в ближней зоне содержит отрезок волновода, один конец которого выполнен открытым, а к другому концу присоединен фланец, образующий вход антенны, и экран, в виде кольца диаметром D<2λ, где λ - длина волны, перпендикулярно открытому концу волновода установлена пластина, выполненная из материала с отрицательной магнитной проницаемостью.The technical result is achieved by the fact that the antenna for measurements in the near zone contains a waveguide section, one end of which is made open, and to the other end is attached a flange forming the antenna entrance, and a screen in the form of a ring with a diameter of D <2λ, where λ is the wavelength, a plate made of a material with negative magnetic permeability is installed perpendicular to the open end of the waveguide.

На Фиг. 1 показана антенна-датчик для измерений в ближнем поле.FIG. 1 shows a sensor antenna for near-field measurements.

Фиг. 2 приведена для объяснения работы устройстваFIG. 2 is provided to explain the operation of the device

На Фиг. 3 приведены модель для расчетов, объясняющих работу устройстваFIG. 3 shows a model for calculations explaining the operation of the device

На Фиг. 4 приведены результаты расчетов, объясняющих работу устройстваFIG. 4 shows the results of calculations explaining the operation of the device

На Фиг. 5 показана электродинамическая модель антенныFIG. 5 shows the electrodynamic model of the antenna

На Фиг. 6 показаны результаты электродинамического моделирования.FIG. 6 shows the results of electrodynamic modeling.

Антенна для антенных измерений в ближнем поле, показанная на Фиг. 1 содержит отрезок волновода 1, имеющего открытый конец 2, фланец 3, экран 4 и пластину из материала с отрицательной магнитной проницаемостью 5.The antenna for near-field antenna measurements shown in FIG. 1 contains a section of a waveguide 1 having an open end 2, a flange 3, a shield 4 and a plate of material with negative magnetic permeability 5.

Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. Электромагнитная энергия, поступающая на вход отрезка волновода 3 излучается его открытым концом 2. Под действием излучения наводятся токи на пластине, помещенной перед открытым концом волновода. Излучение антенны создают: (Фиг. 2) эквивалентные электрические и магнитные токи J1 в открытом конце волновода и его стенках и токи - на поверхности пластины из материала с отрицательной магнитной проницаемостью J2.The operation of the proposed device is carried out as follows. Electromagnetic energy entering the input of the waveguide segment 3 is radiated by its open end 2. Under the action of radiation, currents are induced on the plate placed in front of the open end of the waveguide. Antenna radiation is generated by: (Fig. 2) equivalent electric and magnetic currents J 1 at the open end of the waveguide and its walls and currents on the surface of a plate made of material with negative magnetic permeability J 2 .

Результирующее излучение антенны-датчика складывается из излучения токов открытого конца волновода J1 и поля, токов J2., наведенных на пластине. Систему «открытый конец волновода + пластина» можно рассматривать как антенную решетку с активным элементом в центре и двух пассивных излучателей, соответствующих излучающим токам, наведенным на экране. На Фиг. 3 представлена данная система.The resulting radiation of the antenna-sensor is the sum of the radiation of the currents of the open end of the waveguide J 1 and the field, currents J 2 , induced on the plate. The system "open end of the waveguide + plate" can be considered as an antenna array with an active element in the center and two passive radiators corresponding to radiating currents induced on the screen. FIG. 3 shows this system.

Для расширения ДН необходимо обеспечить синфазное излучение элементов решетки в направлениях ±θ0. Для этого фаза возбуждения токов J2 в пластине 5 должны быть равнойTo expand the antenna pattern, it is necessary to provide in-phase radiation of the array elements in the directions ± θ 0 . For this, the phase of excitation of currents J 2 in plate 5 must be equal to

Figure 00000001
Figure 00000001

Фаза тока, наведенного центральным излучателем равна

Figure 00000002
Таким образом, для необходимой фазировки необходимо обеспечить дополнительный фазовый сдвиг (замедление), равныйThe phase of the current induced by the central radiator is
Figure 00000002
Thus, for the necessary phasing, it is necessary to provide an additional phase shift (deceleration) equal to

Figure 00000003
Figure 00000003

Фаза наведенных токов в пластине определяется фазой возбуждающего поля и фазой характеристического сопротивления среды с отрицательной магнитной проницаемостью

Figure 00000004
The phase of the induced currents in the plate is determined by the phase of the exciting field and the phase of the characteristic resistance of the medium with negative magnetic permeability
Figure 00000004

Это означает, что токи, наведенные на экране из материала с отрицательной магнитной проницаемостью, получают дополнительное отставание по фазе на величину

Figure 00000005
This means that currents induced on a screen made of material with negative magnetic permeability receive an additional phase lag by an amount
Figure 00000005

Из соотношения (2) следует, что требуемое значение Δψ обеспечивается, еслиIt follows from relation (2) that the required value of Δψ is ensured if

Figure 00000006
Figure 00000006

На Фиг. 4 приведены расчетные значения

Figure 00000007
FIG. 4 shows the calculated values
Figure 00000007

Из приведенных данных расчета следует, что расширение ДН антенны в виде открытого конца волновода с пластиной из материала с отрицательной магнитной проницаемостью возможно при установке ее на расстоянииFrom the given calculation data, it follows that the expansion of the antenna pattern in the form of an open end of a waveguide with a plate made of material with negative magnetic permeability is possible when it is installed at a distance

Figure 00000008
длины волны или менее. Таким образом обеспечивается расширение ДН антенны в виде открытого конца волновода с экраном из метаматериала с отрицательной магнитной проницаемостью.
Figure 00000008
wavelength or less. Thus, the expansion of the antenna pattern is provided in the form of an open end of a waveguide with a screen made of metamaterial with negative magnetic permeability.

Антенна для измерений в ближней зоне может быть выполнена следующим образом. Волновод 1, фланец 3 и экран 4 изготавливают из электропроводящего металла, например, меди с серебряным или позолоченным покрытием с размерами широкой стенки волновода, выбранными равными (0.5…1) длины волны в воздухе. Пластина 5 из материала с отрицательной магнитной проницаемостью (MNG типа) выполняется в виде диэлектрической пластины с нанесенным на ее поверхности металлическим рисунком в виде разрезных квадратных или круглых колец диаметром не менее λ\π, где λ - длина волны в воздухе. Указанная пластина по электрическим характеристикам соответствует материалу с отрицательной магнитной проницаемостью (И. Слюсар. Метаматериалы в антенной технике. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 7/2009 стр. 72-73).An antenna for near field measurements can be configured as follows. Waveguide 1, flange 3 and shield 4 are made of an electrically conductive metal, for example, copper with a silver or gold-plated coating with the dimensions of the wide waveguide wall selected equal to (0.5 ... 1) the wavelength in air. Plate 5 made of material with negative magnetic permeability (MNG type) is made in the form of a dielectric plate with a metal pattern applied on its surface in the form of cut square or circular rings with a diameter of at least λ \ π, where λ is the wavelength in air. The specified plate in terms of electrical characteristics corresponds to a material with negative magnetic permeability (I. Slyusar. Metamaterials in antenna technology. ELECTRONICS: Science, Technology, Business 7/2009 pp. 72-73).

Для подтверждения технического результата изобретения проведено электродинамическое моделирование заявляемой антенны. Модель антенны приведена на Фиг. 5. На Фиг. 6 представлены расчетные данные.To confirm the technical result of the invention, electrodynamic modeling of the claimed antenna was carried out. An antenna model is shown in FIG. 5. In FIG. 6 shows the calculated data.

Разработанная антенна-датчик с использованием метаматериала MNG-типа для измерений в ближней зоне позволяет повысить равномерность диаграммы направленности за счет ее расширения в секторе углов, соответствующих области измерений типовой аппаратурой для антенных измерений в ближней зоне.The developed antenna-sensor using the MNG-type metamaterial for measurements in the near zone makes it possible to increase the uniformity of the radiation pattern due to its expansion in the sector of angles corresponding to the measurement area with typical equipment for antenna measurements in the near zone.

Claims (1)

Антенна для измерений в ближней зоне, состоящая из прямоугольного отрезка волновода, один конец которого выполнен открытым, а к другому концу присоединен фланец, образующий вход антенны, и экран, в виде кольца диаметром D<2λ, где λ - длина волны, отличающаяся тем, что перпендикулярно открытому концу волновода установлена пластина, выполненная из материала с отрицательной магнитной проницаемостью.Antenna for measurements in the near-field zone, consisting of a rectangular section of a waveguide, one end of which is made open, and a flange forming an antenna entrance, and a screen, in the form of a ring with a diameter of D <2λ, is attached to the other end, where λ is a wavelength that differs in that a plate made of a material with negative magnetic permeability is installed perpendicular to the open end of the waveguide.
RU2020126831A 2020-08-10 2020-08-10 Antenna for near-field measurements RU2757995C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020126831A RU2757995C1 (en) 2020-08-10 2020-08-10 Antenna for near-field measurements

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020126831A RU2757995C1 (en) 2020-08-10 2020-08-10 Antenna for near-field measurements

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2757995C1 true RU2757995C1 (en) 2021-10-25

Family

ID=78289679

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020126831A RU2757995C1 (en) 2020-08-10 2020-08-10 Antenna for near-field measurements

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2757995C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2565352C1 (en) * 2014-07-22 2015-10-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Waveguide antenna
RU2674564C1 (en) * 2018-02-19 2018-12-11 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Waveguide antenna
US20190044243A1 (en) * 2016-02-05 2019-02-07 Kathrein Se Dual-polarized antenna
WO2019171148A1 (en) * 2018-03-08 2019-09-12 Sony Mobile Communications Inc. Substrate integrated waveguide antenna

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2565352C1 (en) * 2014-07-22 2015-10-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Waveguide antenna
US20190044243A1 (en) * 2016-02-05 2019-02-07 Kathrein Se Dual-polarized antenna
RU2674564C1 (en) * 2018-02-19 2018-12-11 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Waveguide antenna
WO2019171148A1 (en) * 2018-03-08 2019-09-12 Sony Mobile Communications Inc. Substrate integrated waveguide antenna

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hua et al. Air-filled parallel-plate cylindrical modified Luneberg lens antenna for multiple-beam scanning at millimeter-wave frequencies
US8018380B2 (en) System and method for measuring antenna radiation pattern in Fresnel region
Dyson Measurement of near fields of antennas and scatterers
Emara et al. Millimeter-wave slot array antenna front-end for amplitude-only direction finding
Imani et al. An experimental concentric near-field plate
Iizuka et al. Volume-type holographic antenna
Lechtreck Effects of coupling accumulation in antenna arrays
King et al. Millimeter-wave integrated side-fire leaky-wave antenna and its application as a spectrum analyzer
RU2757995C1 (en) Antenna for near-field measurements
Clauzier et al. A new method for the design of slot antenna arrays: Theory and experiment
Hirose et al. Antenna pattern measurements using photonic sensor for planar near-field measurement at X band
JP6684323B2 (en) Planar antenna device, wireless terminal measuring device including the same, and wireless terminal measuring method
CN113396335B (en) Probe, array probe, detector and method
Tan et al. Design of a W-band one-dimensional beam scanning slotted waveguide antenna with narrow beam and low side lobe
US2838754A (en) Microwave radiator
Xiao et al. Near-field gain expression for aperture antenna and its application
TEBER Beamforming Radiation Properties of Absorbing/Transparent Zones-Added Horn Antenna
Tamminen et al. Near-field measurements of submillimeter-wave reflectarrays
Räisänen et al. Measurements of high-gain antennas at THz frequencies
Hirano et al. Waveguide matching crossed-slot
Maisto et al. Non-Uniform sampling in near field measurement: Experimental results
Zhou et al. Spatial polarization characteristics of wide-angle scanning slot phased array
Kamili et al. Characteristic Mode Analysis of Curved Conducting Planes
Seiler et al. Millimeter-wave beam steering using" Diffraction electronics"
Smith et al. Improvement in the electrical performance of dielectric space frame radomes by wire loading