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
2021, № 4 · MATHEMATICAL MODELS IN RADIO ELECTRONICS PROBLEMS

Mathematical model of a measuring complex for determining the external parameters of active phased antenna arrays in the near zone

V.N. Atrokhov1, A.V. Litvinov1, S.E. Mishchenko1, V.V. Shatsky1

1 Rostov-on-Don Research Institute of radio communications, Rostov-on-Don, Russia
Full text (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2021.4.2 UDC 621.396.677 EDN FYNNZW

Abstract

When measuring characteristics of the modern multi-element active phased antenna arrays amplifications method may have problems processing the results of measurements, due to the complexity of the exact adjustment of the overall active phased array, the fluctuations of the parameters of microwave amplifiers, the failure of individual elements, the inadmissibility of the full radiation of aperture antennas in an anechoic chamber. Electrodynamic modeling of active phased array antennas in specialized programs usually requires very large computational costs and it is very difficult to take into account fluctuations in parameters and failures of active phased array elements. In this regard, a mathematical model of the measuring complex is proposed for estimating the field distribution in the near zone of vibratory antenna arrays and generating radiation patterns. The estimation methodology is based on direct measurements of the amplitude-phase distribution of the field of the antenna system on the selected surface in the immediate vicinity of its aperture using a sounding antenna. The main relations for the model are the well-known expressions for calculating the field distribution in the near zone of a vertical symmetrical vibrator, the method of induced electromotive force, and matrix relations for converting the field into various coordinate systems. The model of the measuring complex is used to evaluate the characteristics of the active phased array in the near and far zones. However, it can be used to check real experimental data, taking into account fluctuations in the parameters of the amplitude-phase distribution in the aperture, and failures of antenna elements. The conducted research has shown a good agreement between the calculated characteristics of the active phased array using the proposed model and the aperture method. The time for calculating the antenna directivity characteristics in the proposed model is 30 minutes. The main time is associated with the addition of resistance matrices with elements related to each new position of the probe antenna. However, this time is not comparable to the time required to implement the measurement model in specialized electrodynamic modeling packages.

  • near-field
  • vibrator
  • holographic method
  • amplifazometric method
  • measuring complex
Аннотация (на русском)

Математическая модель измерительного комплекса для определения внешних параметров вибраторных активных фазированных антенных решеток в ближней зоне

При проведении измерений характеристик современных многоэлементных активных фазированных антенных решеток амплифазометрическим методом могут возникать проблемы обработки результатов измерений, что обусловлено сложностью точной юстировки габаритных активных фазированных антенных решеток, флуктуациями параметров усилителей СВЧ, отказами отдельных элементов, недопустимостью излучения полного раскрыва антенны в безэховой камере. Электродинамическое моделирование активных фазированных антенных решеток в специализированных программах обычно требует очень больших вычислительных затрат, и при этом очень сложно учесть флуктуации параметров и выходы из строя элементов. В связи с этим предложена математическая модель измерительного комплекса для оценки распределения поля в ближней зоне вибраторных антенных решеток и формирования диаграмм направленности. Методологической основой оценки служат прямые измерения амплитудно-фазового распределения поля антенной системы на выбранной поверхности в непосредственной близости от ее апертуры при помощи зондирующей антенны. В качестве основных соотношений для модели использованы известные выражения для расчета распределения поля в ближней зоне вертикального симметричного вибратора, метод наводимых ЭДС и матричные соотношения преобразования поля в различные системы координат. Модель измерительного комплекса применена для оценки характеристик активной фазированной антенной решетки в ближней и дальней зонах. Однако она может быть использована для проверки реальных экспериментальных данных с учетом флуктуаций параметров амплитудно-фазового распределения в раскрыве, отказов антенных элементов. Проведенные исследования показали хорошее совпадение расчетных характеристик активной фазированной антенной решетки при помощи предложенной модели и апертурным методом. Время расчета характеристик направленности антенны в предлагаемой модели составляет 30 минут. Основные временные затраты связаны с дополнением матриц сопротивлений элементами, относящимися к каждой новой позиции зондирующей антенны. Однако это время несопоставимо с временными затратами, которые потребовались бы для реализации модели измерений в специализированных пакетах электродинамического моделирования.

For citation

Atrokhov V.N., Litvinov A.V., Mishchenko S.E., Shatsky V.V. Mathematical model of a measuring complex for determining the external parameters of active phased antenna arrays in the near zone // Journal of Radio Electronics. – 2021. – No. 4. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.4.2

References

  1. Бахрах Л.Д., Кременецкий С.Д., Курочкин А.П., Усин В.А., Шифрин Я.С. Методы измерения параметров излучающих систем в ближней зоне. Ленинград, Наука. 1985. 272 с.
  2. Банков С.Е., Грибанов А.Н., Курушин А.А. Электродинамическое моделирование антенных и СВЧ структур с использованием FEKO. Москва, OneBook. 2013. 420 c.
  3. Гончаренко И.В. Компьютерное моделирование антенн. Все о программе MMANA. Москва, ИП РадиоСофт, Журнал "Радио". 2002. 80 с.
  4. Сверхширокополосный автоматизированный измерительно-вычислительный комплекс для измерения СВЧ параметров ТМСА-12Б2. Часть 2 (ближняя зона). Руководство по эксплуатации. С.-Пб., ООО НПП "Трим". 2007. 111с.
  5. Агеев П.А., Ломовская Т.А., Алексеев О.С., Синани А.И., Мосейчук Г.Ф., Малай И.М. Способ измерения характеристик диаграммы направленности активной/пассивной фазированной антенной решетки. Патент 2526891 РФ, МПК G01R 29/10/. № 2013121175; заявл. 07.05.2013; опубл. 27.08.2014.
  6. Ларин А.Ю., Литвинов А.В., Мищенко С.Е., Поляков А.О., Помысов А.С., Шацкий В.В. Способ измерения комплексных амплитуд возбуждения каналов фазированной антенной решетки по измерениям в ближней зоне. Пат. № 2682585 РФ, МПК H01Q 3/26// № 2018103856; заявл. 31.01.2018; опубл. 19.03.2019.
  7. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. Москва, Энергия. 1975. 528 с.
  8. Морс Ф.М., Фешбах Г. Методы теоретической физики, т.1. Москва, Изд-во иностранной литературы. 1958. 930 с.
  9. Лавров Г.А. Взаимное влияние вибраторных антенн. Москва, Связь. 1975. 128 с.
  10. Вендик О.Г., Парнес М.Д. Антенны с электронным движением луча (введение в теорию). Москва, Сайнс-Пресс. 2002. 232 с.