Use of spherical vector wave functions in near field measurements and calculations

Abstract

ÖZET KOC, S. Sencer Doktora Tezi, Elektrik ve Elektronik MUh. BölUmU Tez Yöneticisi : Doç. Dr. Altunkan Hızal Aralık 1987, 161 sahife Antenlerin yakın-alan problemlerinde küresel dalga açılıra yöntemi oldukça kullanışlı olmaktadır. Ağız açıklığmdaki alan dağılımının tllmlevini almak yönteminin bu tür problemlere uygulanması oldukça zordur, çllnkll tumlevi alınacak olan terim karmaşık bir Üstel işlevi içermektedir. Ayrıca, her gözlem noktasında tumlevin değerinin tekrar bulunması gereklidir. KUresel dalga açılım yönteminde ise benzer tumlevler sadece açılım katsayılarının bulunması için gerekli olmaktadır ve açılım katsayıları bir kez bulunduktan sonra, yeni bir gözlem noktasında alanların bulunması için basit bir toplama işlemi yeterlidir. Modal açılım yöntemi, antenlerin parametrelerinin yakm-alanda yapılan ölçmelerle bulunmasında kullanılabilir. Bu yöntemde almaç antenin etkilerinin düzeltilmesi de mUmkundllr. Modal açılım yöntemleri içerisinde en geniş geçerlilik ve yakınsama bölgesine sahip olanı, küresel açılım yöntemidir. Bu tezde, küresel tarama yüzeyi için gerekli analitik formüller bulunmuş ve bir bilgisayar algoritması haline getirilmiştir. Bilgisayar programları, doğrusal antenler ve ağız açıklığı üzerinde alan dağılımı belli olan antenler gibi bazı test antenler için denenmiştir. Elde edilen nümerik sonuçlar, bu yöntemin oldukça etkili olduğunu göstermektedir.Modal açılım yöntemi, besleme anteninin yakınına yerleştirilmiş bir yansıtıcının yaratacağı alanların bulunması amacı ile de kullanılabilir. Bu yöntem özellikle, verilen bir ışıma örllsunu elde etmek için gerekli olan yansıtıcı geometrisinin bulunması için kullanılabilir. Bu problem de, Archimedean spiral besleme anteni için incelenmiştir. Besleme anteninin kollarında oluşacak olan akım için, fiziksel gerekçelere dayanan bir kabul yapılmış ve bu akım dağılımı besleme anteninin açılım katsayılarının bulunmasında kullanılmıştır. Anahtar sözcükler : Küresel dalga açılımı, açılım katsayıları, yakm-alan yöntemleri, küresel yakm-alan ölçmesi, Archimedean spiral anten. vı

ABSTRACT KOÇ. S. SENCER Ph. D. in Electrical and Electronics Eng. Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Altunkan Hızal December 1987, 161 pages Spherical modal expansion method is a useful technique in near-field antenna problems. Application of aperture integration technique to near-field problems is extremely difficult since the exponential term appearing in the integral will be quite complicated and the integral must be evaluated at each new observation point. In spherical modal expansion technique, similar integrals are evaluated to find the multipole coefficients but once these coefficients are obtained, the fields at each observation point can be found by a simple summation. The modal expansion technique can also be employed in probe compensated near-field measurements. The spherical scanning technique is the most attractive one among the near-field scanning techniques since it provides the widest range of validity and convergence. Analytical formulation and computer simulations for the spherical scanning surface are presented in this thesis. The computer algorithm is tested with different types of test antennas such as linear antennas and aperture antennas. The numerical results reveal that the method is quite efficient. The modal expansion technique can also be employed in 111calculating the fields radiated from a reflector that is in the near-field of the feed. This method is particularly useful in designing the shape of the reflector for a given far-field pattern. This problem is also discussed in the thesis by choosing an Archimedean spiral antenna as a feed. The spherical multipole coefficients for this feed antenna are evaluated by assuming a current distribution over the antenna arms by physical reasoning. Key words: Spherical modal expansion, multipole coefficients near-field techniques, spherical near-field measurements, Archimedean spiral antenna. IV