Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2019, № 11 · ELECTRODYNAMICS

Efficiency Calculation of Reflector Antennas and Beam-Waveguides Considering Random Surface Errors and BWG Shroud Using the Riemann-Silberstein Vectors

I.V. Belkovich1,2

1 АО «Особое конструкторское бюро Московского энергетического института», Moscow, Russia
2 JSC Special Research Bureau of Moscow Power Engineering Institute, Russia
Full text (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2019.11.14 UDC 537.86 EDN DXRBMT

Abstract

At present, large antennas of deep space deep space communication with beam-waveguides are being designed and developed in response to the surge of interest in deep space exploration. Electromagnetic analysis of such structures traditionally causes difficulties and requires powerful computers to obtain an accurate solution. The results of vector EM field calculation and efficiency evaluation of electrically large reflector antennas and beam-waveguides (BWG) using the Riemann-Silberstein (RS) vectors are presented in this paper. Electromagnetic field propagation and radiation are analyzed considering distorted mirrors and BWG metal enclosure. This allows to obtain a more accurate solution for such systems and determine requirements for mirrors and enclosures in order to minimize distortions. It is shown that for a system of scattering structures it is enough to take into account only one RS vector to obtain a full field. Theoretical characteristics of the dual-reflector Cassegrain antenna are compared to the simulated and experimental results.

  • антенны
  • апертурные антенны
  • векторы Римана-Зильберштейна
  • вычислительная электродинамика
  • излучение волн
  • лучевод
  • сферические гармоники
  • электромагнитное поле
  • antennas
  • APERTURE antennas
  • Beam-waveguide
  • computational electromagnetics
  • electromagnetic fields
  • electromagnetic radiation
  • Riemann-Silberstein vectors
  • spherical harmonics
  • spherical wave expansion
Аннотация (на русском)

Расчет эффективности зеркальных антенн и лучеводов с учетом неидеальностей поверхностей зеркал и кожуха лучевода с применением векторов Римана-Зильберштейна

В работе представлены результаты решения задач векторного расчета электромагнитных полей и оценки эффективности электрически больших зеркальных антенн и лучеводов с применением векторов Римана-Зильберштейна. Актуальность задачи вызвана необходимостью создания больших антенн дальней космической связи с лучеводными трактами, электромагнитный расчет которых традиционно вызывает сложности и требует наличия мощных ЭВМ для получения достаточно точного решения. Проведены исследования влияния кожуха и неидеальностей зеркал лучевода и зеркальной антенны на их эффективность, что позволяет повысить точность расчетов и определить требования к зеркалам и кожухам для минимизации искажений. Показано, что для задач анализа системы рассеивающих структур достаточно учитывать лишь один вектор Римана-Зильберштейна для получения полного поля. Теоретические результаты расчета характеристик двухзеркальной антенны подтверждаются экспериментом.

For citation

Belkovich I.V. Efficiency Calculation of Reflector Antennas and Beam-Waveguides Considering Random Surface Errors and BWG Shroud Using the Riemann-Silberstein Vectors // Journal of Radio Electronics. – 2019. – No. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.11.14

References

  1. Imbriale William A. Large Antennas of the Deep Space Network. John Willey & Sons Inc., 2003.
  2. Formaggi Marco. Enhanced Modeling and Design of Ground Station Antennas. Докторская диссертация. Университет Павии, 2007.
  3. Kogan B.L., Belkovich I.V., Seleznyov V.N. Design of Dual-Reflector Offset Antennas and Beam-Waveguides with a Pattern Symmetry and Zero Cross-polarization. 13th European Conference on Antennas and Propagation, 2019.
  4. Коган Б.Л. Применение векторов Фарадея в теории антенн. Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2008. № 7. URL: http://jre.cplire.ru/mac/jul08/1/text.html
  5. Коган Б.Л., Белькович И.В. Теория и практическое применение векторов Римана-Зильберштейна для задач антенной техники. Журнал радиоэлектроники: электронный журнал. 2018. № 12. URL: http://jre.cplire.ru/jre/dec18/11/text.pdf
  6. Варшалович Д.А., Москалёв А.Н., Херсонский В.К. Квантовая теория углового момента. Ленинград. "Наука". 1975 г.
  7. Гельфанд И.М., Минлос Р.А., Шапиро З.Я. Представления группы вращений и группы Лоренца. Mосква. Физматгиз. 1958. 368 с.
  8. Fukushima T. Numerical computation of Wigner's d-function of arbitrary high degree and orders by extending exponent of floating point numbers. Technical Report, National Astronomical Observatory of Japan, 2016.
  9. Коган Б.Л. Электромагнитные поля круговой поляризации. Докторская диссертация. Москва, 2004.
  10. Ludwig A. The definition of cross polarization. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1973. Vol.21. No.1. P.116-119.
  11. Belkovich I.V., Kogan B.L. Application of the Riemann-Silberstein vectors for the analysis of electromagnetic fields in reflector antennas. Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves, 2017. DOI: 10.1109/RSEMW.2017.8103570
  12. Попереченко Б.А. Большие зеркальные антенны. Проблемы антенной техники. Москва. Радио и связь, 1989. 368 c.
  13. Bathker D.A., Veruttipong W., Otoshi T.Y., Cramer P.W., Jr. Beam Waveguide Antenna Performance Predictions with Comparisons to Experimental Results. Microwave Theory and Techniques, Special Issue (Microwaves in Space). 1992. Vol. MTT-40. No.6. P.1274-1285.
  14. Imbriale W., Veruttipong W., Otoshi T., Franco M. Determining Noise Temperatures in Beam Waveguide Systems. TDA Progress Report, Feb. 1994.
  15. Коган Б.Л., И. В. Белькович. Теория и практическое применение метода разложения поля в ряд по векторным сферическим гармоникам векторов Римана-Зильберштейна. Метод согласования с источником. 6-я Всероссийская Микроволновая конференция. Москва, ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН, 2018.
  16. Б. Л. Коган, И. В. Белькович. Метод физической оптики для расчета полей апертурных антенн c применением векторов Римана-Зильберштейна // 6-я Всероссийская Микроволновая конференция, 2018.
  17. Mohamed Said A. Sanad. Aperture Blocking of a Symmetric Parabolic Reflector Antennas. Master's Thesis. University of Manitoba, 1982.
  18. Ruze J. Antenna tolerance theory, a review. Proceedings of the IEEE. 1966. Vol.54. No. 4. P.633-640.
  19. Шифрин Я.С. Вопросы статистической теории антенн. Москва. Советское радио. 1970. 384с.
  20. Siwaphong Boonsalee. Effects of Random Surface Errors on the Performance of Paraboloidal Reflectors. Master's Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2001.
  21. Фролов О. П., Вальд В. П. Зеркальные антенны для земных станций спутниковой связи. Москва. Горячая линия-Телеком, 2012. 496 с.
  22. Cha A.G., Imbriale W.A. A New Analysis of Beam Waveguide Antennas Considering the Presence of the Metal Enclosure. IEEE Transactions on Antennas and Propagations. 1992. Vol. AP-40. No.9. P.1041-1046.