ITU-R SA 1345-1 FRENCH-2010 Methods for predicting radiation patterns of large antennas used for space research and radio astronomy《太空研究和射电天文学用大型天线辐射方向图的预测方法》.pdf

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1、 Recommandation UIT-R SA.1345-1(01/2010)Mthode de prvision des diagrammes derayonnement des grandes antennesutilises pour la recherche spatialeet la radioastronomieSrie SAApplications spatiales et mtorologieii Rec. UIT-R SA.1345-1 Avant-propos Le rle du Secteur des radiocommunications est dassurer l

2、utilisation rationnelle, quitable, efficace et conomique du spectre radiolectrique par tous les services de radiocommunication, y compris les services par satellite, et de procder des tudes pour toutes les gammes de frquences, partir desquelles les Recommandations seront labores et adoptes. Les fonc

3、tions rglementaires et politiques du Secteur des radiocommunications sont remplies par les Confrences mondiales et rgionales des radiocommunications et par les Assembles des radiocommunications assistes par les Commissions dtudes. Politique en matire de droits de proprit intellectuelle (IPR) La poli

4、tique de lUIT-R en matire de droits de proprit intellectuelle est dcrite dans la Politique commune de lUIT-T, lUIT-R, lISO et la CEI en matire de brevets, dont il est question dans lAnnexe 1 de la Rsolution UIT-R 1. Les formulaires que les titulaires de brevets doivent utiliser pour soumettre les dc

5、larations de brevet et doctroi de licence sont accessibles ladresse http:/www.itu.int/ITU-R/go/patents/fr, o lon trouvera galement les Lignes directrices pour la mise en oeuvre de la politique commune en matire de brevets de lUIT-T, lUIT-R, lISO et la CEI et la base de donnes en matire de brevets de

6、 lUIT-R. Sries des Recommandations UIT-R (Egalement disponible en ligne: http:/www.itu.int/publ/R-REC/fr) Sries Titre BO Diffusion par satellite BR Enregistrement pour la production, larchivage et la diffusion; films pour la tlvision BS Service de radiodiffusion sonore BT Service de radiodiffusion t

7、lvisuelle F Service fixe M Services mobile, de radioreprage et damateur y compris les services par satellite associs P Propagation des ondes radiolectriques RA Radio astronomie RS Systmes de tldtection S Service fixe par satellite SA Applications spatiales et mtorologie SF Partage des frquences et c

8、oordination entre les systmes du service fixe par satellite et du service fixe SM Gestion du spectre SNG Reportage dactualits par satellite TF Emissions de frquences talon et de signaux horaires V Vocabulaire et sujets associs Note: Cette Recommandation UIT-R a t approuve en anglais aux termes de la

9、 procdure dtaille dans la Rsolution UIT-R 1. Publication lectronique Genve, 2010 UIT 2010 Tous droits rservs. Aucune partie de cette publication ne peut tre reproduite, par quelque procd que ce soit, sans laccord crit pralable de lUIT. Rec. UIT-R SA.1345-1 1 RECOMMANDATION UIT-R SA.1345-1 Mthodes de

10、 prvision des diagrammes de rayonnement des grandes antennes utilises pour la recherche spatiale et la radioastronomie (1998-2010) Champ dapplication La prsente Recommandation dcrit les mthodes de prvision des diagrammes de rayonnement des grandes antennes utilises pour la recherche spatiale et la r

11、adioastronomie qui tiennent compte des effets des dformations de la surface du rflecteur pour la modlisation du diagramme de rayonnement de lantenne. LAssemble des radiocommunications de lUIT, considrant a) que, dans bien des cas, les antennes rflecteur utilises par les services de recherche spatial

12、e et de radioastronomie sont semblables en ceci quelles ont un grand diamtre et quelles fonctionnent des frquences pouvant atteindre des dizaines de gigahertz; b) quen raison des grandes distances ncessaires pour obtenir des conditions classiques de champ lointain (2D2/), les techniques de mesure tr

13、aditionnelles sur les antennes (polygone dessais ou chambre sourde) sont inadquates; toutefois, les prvisions des diagrammes de rayonnement de trs grandes antennes peuvent, dans certains cas, tre valides par des mesures talonnes; c) que de nombreuses sources potentielles de brouillage caus par les s

14、tations de Terre aux deux services se trouveront dans le champ proche de lantenne; d) que lon commence disposer de modles plus prcis, et des logiciels associs, pour la prvision des diagrammes de rayonnement des antennes dans le champ proche de lantenne et dans le champ lointain, ainsi que pour des s

15、ituations dans lesquelles il y a une interaction avec des rflecteurs supplmentaires ou des obstacles indsirables, recommande 1 que, dans les cas o la prvision du diagramme de rayonnement des grandes antennes rflecteur exige le recours aux techniques de modlisation les plus appropries, les mthodes dc

16、rites lAnnexe 1 et rcapitules dans le tableau ci-dessous soient utilises; 2 Rec. UIT-R SA.1345-1 FIGURE 1 Secteurs utiliss pour lanalyse du rayonnement des antennes rflecteur 1345-01Source ou rflecteur auxiliaireSecteurIIIIII IIIIVRflecteurrII1Techniques danalyse recommandes SECTEUR I Secteur axial

17、avant Optique physique SECTEUR II Lobes latraux loigns Thorie gomtrique de la diffraction/Thorie uniforme de la diffraction et mthode du rapport du champ induit SECTEUR III Lobes arrire Thorie gomtrique de la diffraction/Thorie uniforme de la diffraction SECTEUR IV Secteur axial arrire Courants de b

18、ordure quivalents 2 quen ce qui concerne les techniques de modlisation comportant des mesures, la description des mthodes prsentes en Annexe 2 guide le choix de la mthode la plus indique; 3 que, lors de la dtermination de limportance des caractristiques mcaniques des antennes modliser, il soit tenu

19、compte des facteurs suivants: a) diffusion par les supports de la source dalimentation lors de la dtermination du niveau du rayonnement dans les lobes latraux; b) rayonnement de dbordement provenant directement de la source primaire; et c) dformations de surface. Annexe 1 Applicabilit des diffrentes

20、 mthodes de modlisation du rayonnement lectromagntique la prvision du gain et des diagrammes de rayonnement des grandes antennes 1 Introduction De nombreuses techniques permettent de rsoudre les problmes de modlisation du rayonnement lectromagntique. Chaque technique peut comporter des avantages qua

21、nt la rsolution de certains problmes, tout en savrant inapplicable dautres. La prsente Annexe passe en revue les techniques de modlisation des antennes rflecteur et tudie leur capacit danalyse du rayonnement des grandes antennes rflecteur gnralement utilises pour la recherche spatiale et la radioast

22、ronomie. Rec. UIT-R SA.1345-1 3 2 Mthodes analytiques et numriques 2.1 Mthode des moments La mthode des moments est une technique mathmatique de rsolution dquations linaires non homognes du type: Lf = g (1) dans laquelle L est normalement un oprateur linaire integro-diffrentiel, tandis que les fonct

23、ions f et g sont des lments despaces de Hilbert. Dans cette quation, g est connu et il sagit donc dinverser loprateur L pour obtenir la fonction inconnue f = L1g. La technique utilise consiste transformer lquation (1) de loprateur en un systme dquations algbriques linaires. A cet effet, la fonction

24、inconnue f est dveloppe en une srie de fonctions lmentaires fn associes des coefficients constants inconnus Cn. La substitution de ce dveloppement dans lquation (1), et le calcul du produit intrieur des deux membres par une srie de fonctions de test connues wm ramnent lquation (1) une quation matric

25、ielle simple du type: Ax = b (2) dans laquelle A et b sont les rsultats des produits intrieurs Amn= wm, Lfn, bm= wm, g, et x le vecteur de coefficients inconnus Cn. Lapplication de mthodes numriques lmentaires permet de rsoudre aisment lquation (2) en x et dobtenir ensuite f. Si lon veut appliquer c

26、ette technique lanalyse du rayonnement des antennes rflecteur, il faut formuler le problme sous la forme de lquation (1). Il suffit pour cela dexprimer le champ diffus par lantenne sous forme dintgrale des courants de surface prsents sur la surface rflchissante. Si lon invoque la condition du champ

27、lectromagntique aux limites suivant laquelle la composante tangentielle du champ lectrique total est nulle la surface dun conducteur parfait, on obtient une quation pour la densit superficielle de courant inconnue JSdune forme analogue celle de lquation (1): ( )iSEuIJu =+nnjSGkS02d(3a) qui est lquat

28、ion dune intgrale de Fredholm de premire espce. Ici: un: vecteur unitaire de la normale la surface I: oprateur binaire unitaire donn par la relation zzyyxxuuuuuuI +=G: fonction de Green scalaire en espace libre, donne par la formule: rreGrrjk=4avec r et r distances respectives de la source et du poi

29、nt dobservation Ei: champ lectrique incident et k = 2/0: nombre donde en espace libre. 4 Rec. UIT-R SA.1345-1 Lquation (3a) peut tre rsolue en divisant la surface en petits secteurs lmentaires, sur chacun desquels la densit JSest dveloppe en somme de composantes de courant orthogonales. Sinon, il es

30、t possible de modliser le rflecteur sous forme de grille mtallique. Cette solution offre lavantage de permettre la modlisation du champ diffus par une intgrale unidimensionnelle du courant qui parcourt le fil mtallique. Dans le cas dun segment de fil mince dirig suivant laxe z dfini par le vecteur u

31、nitaire uz, lquation approprie de type (1) est donne par la formule: () ()()( )izzzGzIkzIj Euu =+ d/120(3b) dans laquelle le signe prime () dsigne la drive. Le dveloppement de lquation (3b) en une srie convenablement choisie de fonctions de base permet de dterminer la distribution de courant inconnu

32、e. En principe, il sagit de la plus prcise de toutes les mthodes connues danalyse de la diffusion lectromagntique. La formulation de lquation fondamentale est exacte, et il est possible dobtenir des solutions dune prcision exceptionnelle moyennant un choix judicieux de fonctions de base et de foncti

33、ons dessai. De plus, les supports, les sources dalimentation, les rflecteurs auxiliaires et les ouvrages porteurs peuvent tre tous pris en compte dans la modlisation, ainsi que des dfauts de surface bien dfinis du rflecteur. La technique consiste essentiellement fractionner lensemble de la structure

34、 en une srie de petits segments linaires ou plans la surface desquels une condition aux limites directement tire des quations de Maxwell est applique purement et simplement. Il en rsulte un systme coupl dquations dans lesquelles linteraction lectromagntique mutuelle de chacun des segments susmention

35、ns est automatiquement prise en compte. La mthode permet ainsi de prvoir la totalit du diagramme de rayonnement de lantenne, en chaque point de lespace, compte tenu de lincidence du support de lantenne et des sous-systmes connexes. La difficult tient prcisment cette particularit: si le rflecteur est

36、 reprsent par une grille mtallique constitue de M segments de fil de fer, et si le courant qui traverse chacun deux est reprsent par N fonctions de base, on obtient alors un systme de MN quations linaires autant dinconnues, la dtermination des MN lments de la matrice de coefficients exigeant une val

37、uation numrique de (MN)2 intgrales. Il faut normalement de 10 20 segments par longueur donde, raison de trois fonctions de base par segment pour reprsenter prcisment les courants de surface, soit un systme de 650 inconnues pour une surface rflchissante gale une longueur donde au carr. En pratique, t

38、outefois, il est possible dintroduire quelques simplifications. Dans le cas des rflecteurs symtrie axiale aliments par le foyer, la symtrie circulaire peut tre mise profit pour rduire notablement le nombre de coefficients inconnus. De plus, la loi de Kirchoff est applicable aux points dintersection

39、des fils, pour dfinir des relations entre les constantes inconnues. Dans le programme NEC (Numerical Electromagnetic Code), suite logicielle bien connue et disponible sur le march, qui utilise la mthode des moments et en particulier lquation (3b), le courant I(z) dans chaque segment est reprsent par

40、 la somme de trois termes un terme constant, un terme en sinus, et un terme en cosinus. Deux des trois coefficients sont limins par application de la condition exigeant la continuit des charges et des courants lectriques aux points dintersection des fils, de telle sorte que la constante restante, do

41、nt dpend lamplitude du courant, reste dterminer par des calculs matriciels. Pour que cette reprsentation soit adquate, la longueur de chaque segment de fil de fer doit tre infrieure /10, ce qui donne plus de 220 segments par lment de surface rflchissante dune superficie gale une longueur donde au ca

42、rr. Considrons un rflecteur de 100 de diamtre; en labsence de symtrie, cette mthode exigerait la dtermination des quelques 1,8 million dlments de la matrice de coefficients A, puis linversion dune matrice complexe 1 340 1 340. De plus, la modlisation des rflecteurs auxiliaires et des ouvrages porteu

43、rs, conduirait un systme dquations notablement plus important. Hormis le Rec. UIT-R SA.1345-1 5 temps machine, les ressources mmoire ncessaires augmentent rapidement en fonction de la taille du rflecteur. Aussi la mthode comporte-t-elle une forte intensit de calculs sur ordinateur, et ne savre-t-ell

44、e pas viable pour les rflecteurs caractriss par des hauteurs lectriques importantes. En gnral, la taille maximum permettant dappliquer avec succs la mthode des moments est de 10, et peut atteindre 25 lorsquil est possible de mettre profit une symtrie circulaire. Certes ces limites sont constamment r

45、epousses, la faveur de lapparition dordinateurs plus puissants, mais il ne semble gure possible dappliquer la mthode aux grandes antennes rflecteur, du moins dans un proche avenir. 2.2 Mthode du champ dans louverture rayonnante Daprs le thorme sur lequel sappuie la mthode du champ dans louverture, s

46、i S est une surface ferme contenant un ensemble fini de sources , il est alors possible dexprimer le champ produit par en un point quelconque extrieur S sous la forme dintgrales calcules sur S, des vecteurs champs Eaet Ha, lindice a dsignant la composante tangentielle. Si lon choisit pour S une sphr

47、e englobant lantenne, un dispositif balayage sphrique en champ proche permet de mesurer lamplitude et la phase des vecteurs Eaet Hasur la surface S, et par la suite de calculer le champ de lantenne en chaque point de lespace lextrieur de la surface S. Toutefois, la mesure du champ proche sur la totalit dune surface sphrique entourant une antenne de grandes dimensions, est extrmement difficile sinon impossible raliser dans la pratique. Une solution de rechange consiste dterminer les champs lectromagntiques sur S par d