ITU-R SA 1345-1 SPANISH-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、 Recomendacin UIT-R SA.1345-1(01/2010)Mtodos para predecir los diagramasde radiacin de antenas de grantamao utilizadas en los serviciosde investigacin espacialy de radioastronomaSerie SAAplicaciones espaciales y meteorologaii Rec. UIT-R SA.1345-1 Prlogo El Sector de Radiocomunicaciones tiene como co

2、metido garantizar la utilizacin racional, equitativa, eficaz y econmica del espectro de frecuencias radioelctricas por todos los servicios de radiocomunicaciones, incluidos los servicios por satlite, y realizar, sin limitacin de gamas de frecuencias, estudios que sirvan de base para la adopcin de la

3、s Recomendaciones UIT-R. Las Conferencias Mundiales y Regionales de Radiocomunicaciones y las Asambleas de Radiocomunicaciones, con la colaboracin de las Comisiones de Estudio, cumplen las funciones reglamentarias y polticas del Sector de Radiocomunicaciones. Poltica sobre Derechos de Propiedad Inte

4、lectual (IPR) La poltica del UIT-R sobre Derechos de Propiedad Intelectual se describe en la Poltica Comn de Patentes UIT-T/UIT-R/ISO/CEI a la que se hace referencia en el Anexo 1 a la Resolucin UIT-R 1. Los formularios que deben utilizarse en la declaracin sobre patentes y utilizacin de patentes po

5、r los titulares de las mismas figuran en la direccin web http:/www.itu.int/ITU-R/go/patents/es, donde tambin aparecen las Directrices para la implementacin de la Poltica Comn de Patentes UIT-T/UIT-R/ISO/CEI y la base de datos sobre informacin de patentes del UIT-R sobre este asunto. Series de las Re

6、comendaciones UIT-R (Tambin disponible en lnea en http:/www.itu.int/publ/R-REC/es) Series Ttulo BO Distribucin por satlite BR Registro para produccin, archivo y reproduccin; pelculas en televisin BS Servicio de radiodifusin sonora BT Servicio de radiodifusin (televisin) F Servicio fijo M Servicios m

7、viles, de radiodeterminacin, de aficionados y otros servicios por satlite conexos P Propagacin de las ondas radioelctricas RA Radio astronoma RS Sistemas de deteccin a distancia S Servicio fijo por satlite SA Aplicaciones espaciales y meteorologa SF Comparticin de frecuencias y coordinacin entre los

8、 sistemas del servicio fijo por satlite y del servicio fijo SM Gestin del espectro SNG Periodismo electrnico por satlite TF Emisiones de frecuencias patrn y seales horarias V Vocabulario y cuestiones afines Nota: Esta Recomendacin UIT-R fue aprobada en ingls conforme al procedimiento detallado en la

9、 Resolucin UIT-R 1. Publicacin electrnica Ginebra, 2010 UIT 2010 Reservados todos los derechos. Ninguna parte de esta publicacin puede reproducirse por ningn procedimiento sin previa autorizacin escrita por parte de la UIT. Rec. UIT-R SA.1345-1 1 RECOMENDACIN UIT-R SA.1345-1 Mtodos para predecir los

10、 diagramas de radiacin de antenas de gran tamao utilizadas en los servicios de investigacin espacial y de radioastronoma (1998-2010) Cometido Esta Recomendacin describe mtodos que deben utilizarse para predecir los diagramas de radiacin de las antenas de gran tamao utilizadas en los servicios de inv

11、estigacin espacial y de radioastronoma teniendo en cuenta la distorsin producida en la superficie del reflector al establecer el modelo del diagrama de radiacin de la antena. La Asamblea de Radiocomunicaciones de la UIT, considerando a) que en muchos casos las antenas de reflector utilizadas por los

12、 servicios de investigacin espacial y de radioastronoma son similares en cuanto a su gran dimetro y a que funcionan con frecuencias de hasta unas decenas de GHz; b) que debido a las grandes distancias necesarias para lograr las condiciones de campo lejano convencionales (2D2/), la distancia de prueb

13、a con antenas normalizadas o las mediciones realizadas en cmara anecoica no son adecuadas, sin embargo las predicciones de los diagramas de radiacin para antenas de gran tamao pueden validarse en algunos casos realizando mediciones calibradas; c) que muchas de las posibles fuentes de interferencia t

14、errenal causada a los dos servicios se encontrarn en el campo cercano de la antena; d) que cada vez se dispone de modelos ms precisos y de programas informticos asociados para predecir los diagramas de radiacin de antena en campo cercano y en campo lejano y tambin para reproducir situaciones en las

15、que aparece la interaccin con otros reflectores adicionales o con obstculos indeseables, recomienda 1 que cuando sea preciso seleccionar las tcnicas de establecimiento de modelos ms adecuadas para predecir los diagramas de ganancia de las antenas de reflector de gran tamao, se utilicen los mtodos de

16、scritos en el Anexo 1 y que aparecen resumidos en el Cuadro 1 del Anexo 1; 2 Rec. UIT-R SA.1345-1 FIGURA 1 Sectores para el anlisis del reflector 1345-01Alimentador o subreflectorSectorIIIIII IIIIVIITcnicas de anlisis recomendadas Sector I Sector axial anterior ptica fsica Sector II Lbulos laterales

17、 lejanos Teora geomtrica de la difraccin/teora uniforme de la difraccin y relacin de campo inducido Sector III Lbulos posteriores Teora geomtrica de la difraccin/teora uniforme de la difraccin Sector IV Sector axial posterior Corrientes de borde equivalentes 2 que con respecto a las tcnicas de estab

18、lecimiento de modelos que suponen la realizacin de mediciones se utilice la descripcin de los mtodos que figuran en el Anexo 2 como orientacin para seleccionar el mtodo ms adecuado; 3 que para determinar el significado de las caractersticas mecnicas de la antena cuyo modelo va a crearse, se tomen en

19、 cuenta los siguientes factores: a) dispersin producida por los tirantes de soporte del alimentador para determinar los niveles de los lbulos laterales; b) desbordamiento de la radiacin directa procedente del alimentador; c) distorsiones en la superficie. Anexo 1 Caracterstica de los diversos mtodos

20、 de establecimiento de modelos electromagnticos para predecir los diagramas de ganancia y de radiacin de antenas de reflector de gran tamao 1 Introduccin Existe un gran nmero de tcnicas disponibles para resolver los problemas electromagnticos. Cada tcnica puede presentar ventajas para la creacin de

21、modelos de problemas concretos pero puede que no sea til para estudiar otros problemas. En este Anexo se consideran las tcnicas empleadas para el establecimiento de modelos de antenas de reflector y se estudia su pertinencia para el anlisis de las antenas de reflector de gran tamao utilizadas genera

22、lmente en los servicios de investigacin espacial y de radioastronoma. Rec. UIT-R SA.1345-1 3 2 Mtodos analticos y numricos 2.1 Mtodo de los momentos El mtodo de los momentos es una tcnica matemtica para resolver ecuaciones lineales no homogneas del tipo Lf = g (1) siendo L, normalmente, un operador

23、lineal integrodiferencial y las funciones f y g elementos del espacio de Hilbert. En esta ecuacin, se conoce g y la idea es invertir L para obtener la funcin desconocida f = L1g. El procedimiento hace uso de una tcnica que transforma el operador de la ecuacin (1) en un sistema de ecuaciones algebrai

24、cas lineales. A tal efecto, la funcin desconocida f se desarrolla en una serie de funciones de base fn con coeficientes constantes desconocidos Cn. Entrando en la ecuacin (1) y realizando el producto interno de ambos miembros por un conjunto de funciones de prueba conocidas wm, se reduce la ecuacin

25、(1) a una simple ecuacin matricial de la forma: Ax = b (2) siendo A y b los productos internos Amn= wm, Lfn, bm= wm, g, y x el vector de coeficientes desconocidos Cn. La ecuacin (2) se resuelve fcilmente para x utilizando mtodos numricos elementales, obtenindose por consiguiente el valor de la funci

26、n f. Para aplicar esta tcnica al anlisis del reflector, es necesario formular el problema en la forma de la ecuacin (1). Esto se logra expresando el campo dispersado por la antena como una integral de las corrientes en la superficie desconocidas en la superficie de reflexin. Teniendo en cuenta la co

27、ndicin de contorno electromagntico de que la componente tangencial del campo elctrico total debe ser cero en un conductor perfecto, se obtiene una ecuacin para la densidad de corriente en la superficie desconocida JSen la forma de la ecuacin (1) anterior: ( )iSEuIJu =+nnjSGkS02d(3a) que es una ecuac

28、in integral de Fredholm de primer tipo. En este caso: un: unidad normal a la superficie I: unidad didica dada por la expresin zzyyxxuuuuuuI +=G : funcin de Green escalar en espacio libre, dada por: rreGrrjk=4siendo r y r las distancias hasta la fuente y hasta los puntos de observacin, respectivament

29、e Ei: campo elctrico incidente k = 2/0: nmero de onda en el espacio libre. La ecuacin (3a) puede resolverse dividiendo la superficie en pequeos fragmentos sobre cada uno de las cuales se desarrolla JS como una suma de componentes de corriente a lo largo de dos direcciones ortogonales. Alternativamen

30、te, el modelo del reflector puede constituirlo una rejilla de 4 Rec. UIT-R SA.1345-1 hilos. Ello presenta la ventaja de que el campo disperso puede expresarse como una integral unidimensional de la corriente que fluye a lo largo del hilo. Para el caso de un segmento de hilo delgado a lo largo de la

31、direccin z definida por el vector unitario uz, la ecuacin correspondiente de la forma (1) puede expresarse: () ()()( )izzzGzIkzIj Euu =+ d/120(3b) donde el superndice prima se refiere a la derivada. La ecuacin (3b) se resuelve para la distribucin de corriente desconocida desarrollndola en un conjunt

32、o adecuado de funciones de base. En principio, este es el ms preciso de todos los mtodos conocidos que se emplean en el anlisis de la dispersin electromagntica. La formulacin de la ecuacin principal es exacta, y pueden obtenerse soluciones muy precisas eligiendo adecuadamente las funciones de base y

33、 de prueba. Adems, los tirantes, los alimentadores, los reflectores y las estructuras de soporte pueden integrarse en el problema. De forma similar, pueden establecerse modelos de las irregularidades en la superficie del reflector bien definidas. La tcnica consiste esencialmente en dividir la estruc

34、tura completa en pequeos segmentos lineales o planos en cada uno de los cuales se aplica mediante fuerza bruta una condicin de contorno directamente obtenida de las ecuaciones de Maxwell. Ello da lugar a un sistema de ecuaciones acoplado en el cual se tiene en cuenta automticamente la interaccin ele

35、ctromagntica de cada segmento con el resto de los segmentos. Por consiguiente, el mtodo es capaz de predecir el diagrama de antena completo en todos los puntos del espacio, teniendo presente los efectos del soporte de antena y de los subsistemas conexos. En esto reside la dificultad: suponiendo que

36、se adopta la solucin de rejilla de hilos, si el modelo del reflector se crea con M segmentos de hilo y la corriente en cada uno de ellos se representa por N funciones de base, ello da lugar en general a un sistema de MN ecuaciones lineales con el mismo nmero de incgnitas, lo que exige la evaluacin n

37、umrica de (MN)2integrales para obtener los elementos de la matriz de coeficientes. Normalmente se necesitan de diez a veinte segmentos por longitud de onda con tres funciones de base por segmento para efectuar una representacin precisa de las corrientes, lo que se traduce de un sistema con ms de 650

38、 incgnitas por longitud de onda al cuadrado de la superficie reflectora. En la prctica, sin embargo, pueden realizarse algunas simplificaciones. En el caso de reflectores con alimentacin en el foco y simetra axial, puede explotarse la simetra circular para reducir significativamente el nmero de coef

39、icientes desconocidos. Adems, puede aplicarse la ley de las corrientes de Kirchoff en los cruces de los hilos para establecer relaciones entre algunas de las constantes desconocidas. En el Cdigo Numrico Electromagntico (Numerical Electromagnetics Code NEC), que se trata de un programa informtico bie

40、n conocido disponible comercialmente relativo a la serie del mtodo de los momentos que utiliza la ecuacin (3b), la corriente I(z) en cada segmento se representa como la suma de tres trminos: una constante, un seno y un coseno. De los tres coeficientes, se eliminan dos por las condiciones de que la c

41、arga y la corriente deben ser continuas en los cruces de los hilos, quedando slo una constante, relativa a la amplitud de la corriente, que se determina por el mtodo matricial. Para que esa representacin sea adecuada, la longitud de cada segmento de hilo debe ser inferior a /10, lo que da lugar a ms

42、 de 220 segmentos por longitud de onda al cuadrado de la superficie reflectora. Para un reflector de dimetro 100, en la ausencia de simetra, este mtodo exigira determinar aproximadamente 1,8 millones de elementos en la matriz de coeficientes A, seguido de la inversin de una matriz compleja de 1 340

43、1 340. Si tambin se crean modelos de los subsistemas y de las estructuras de soporte aparecera un sistema de ecuaciones mucho mayor. Adems del tiempo de CPU consumido, los recursos de memoria del ordenador utilizados tambin aumentan rpidamente al hacerlo el tamao del reflector. Por lo tanto, el mtod

44、o exige contar con una gran capacidad informtica y no es una tcnica viable para su aplicacin a reflectores elctricamente grandes. El Rec. UIT-R SA.1345-1 5 tamao mximo tpico para el que puede aplicarse con xito el mtodo de los momentos es 10. Si se aprovecha el hecho de que existe simetra circular,

45、pueden analizarse reflectores de hasta 25. Estos lmites se estn ampliando constantemente gracias a los ordenadores cada vez ms poderosos de que se dispone, pero no es seguro que puedan aplicarse a antenas de reflector de gran tamao, al menos en un prximo futuro. 2.2 Mtodo del campo en la abertura El

46、 mtodo del campo en la abertura se basa en un teorema que indica que si S es una superficie cerrada que engloba una coleccin finita de fuentes , el campo debido a en un punto exterior cualquiera a S puede expresarse en trminos de las integrales de los vectores de campo Eay Haa lo largo de S, en dond

47、e el subndice a se refiere a la componente tangencial. En consecuencia, si se considera que S es una esfera que encierra a la antena, puede utilizarse un mtodo de barrido de campo cercano esfrico para medir la magnitud y fase de Eay Haa lo largo de S y a partir de esta medida puede determinarse el c

48、ampo de la antena en todos los puntos del espacio fuera de S. Sin embargo, en la prctica es muy difcil, si no imposible, llevar a cabo la medicin del campo cercano en una superficie esfrica completa que rodee a un reflector de gran tamao. Una alternativa consiste en hallar los campos a lo largo de S mediante tcnicas analticas, pero si los subsistemas son complejos a menudo este es un problema irresoluble y es necesario aplicar varias aproximaciones. Una de ellas, denominada mtodo del campo en la abertura (vase la Fig. 2a), se basa en la hiptesis de que Eay Ha.