Моделирование антенны типа «Волновой канал» в программе MMANA

/Лабораторная работа № 5

Знакомство с программой MMana и изучение её возможностей.

Цель работы: получение оптимальных характеристик (КУ, F/B, КНД) спроектированной антенны типа «волновой канал» в среде моделирования антенн «MMana».

Материалы и оборудование: ЭВМ, программа MMANA.

Краткие теоретические сведения: В диапазоне коротких и ультракоротких волн широкое применение нашли антенны, состоящие из многих вибраторов, так называемые антенны Уда — Яги, по имени их создателей. Близко расположенные вибраторы наводят друг на друга ЭДС, как это имеет место в случае связанных контуров. Это приводит к изменению электрических характеристик каждого из вибраторов.

Направленные свойства систем вибраторов определяются амплитудными и фазовыми соотношениями токов в вибраторах и расстояниями между ними.

Вибратор, фаза тока в котором опережает на 90є фазу тока в другом вибраторе, называется рефлектором, так как поле в этом направлении ослабляется.

За вибратором, фаза тока которого отстаёт от фазы тока в другом вибраторе на 90є, наблюдается существенное усиление поля, и он называется директором.

Рефлектор или директор не обязательно подключать к генератору. Токи в них могут наводиться только за счёт пространственной связи под воздействием электрического поля вибратора, подключённого к генератору. В последнем случае рефлектор или директор называется пассивным вибратором.

Если входное сопротивление пассивного вибратора имеет индуктивный характер, то он называется рефлектором. И, наоборот, пассивный вибратор служит директором, если его входное сопротивление имеет ёмкостной характер.

Многовибраторные антенны, построенные по этому принципу, часто называются директорными антеннами. Число элементов таких антенн на практике может достигать 20−30. Антенна волновой канал является узкополосной антенной.

Она обладает рядом преимуществ перед другими антеннами. Данная конструкция проста в изготовлении, надёжна. Конкретные длины вибраторов и расстояния между ними определяются в зависимости от их числа и их диаметра. Питается антенна с помощью двухпроводной линии, либо коаксиального кабеля. В последнем случае необходимо использовать симметрирующие устройства.

Недостатком антенны является ограниченность ее рабочего диапазона. При изменении длины волны расширяется главный лепесток, возрастает уровень боковых лепестков, увеличивается излучение в обратном направлении, нарушается согласование антенны с питающим фидером. Антенна может использоваться в полосе частот примерно 5…15% от основной частоты. Широкопролостность антенны уменьшается с увеличением ее длины, и возрастает при увеличении числа директоров при постоянной длине антенны.

Использование программы ММАNA.

При проектировании антенны «волновой канал» методом последовательных приближений приходится многократно определять взаимные сопротивления вибраторов, решать систему комплексных линейных уравнений Кирхгофа, рассчитывать основные параметры и характеристики антенны. Все эти расчеты достаточно объемны и требуют большого напряжения сил, внимания и времени.

Для повышения надежности и точности вычислений и существенного сокращения затрачиваемого времени рекомендуется их проводить на ПЭВМ. Для анализа и синтеза вибраторных антенн разработаны специальные программы: ELNEC, EZNEC, NEC4WIN95, MMANA и ряда других. Наиболее мощной и доступной из них является некоммерческая программа MMANA. Она имеет удобный русифицированный интерфейс, достаточно проста в освоении и использовании. В связи с тем, что программа использует метод моментов, описание антенны необходимо производить как набор одиночных проводов.

На первом этапе вводятся координаты вибраторов, как показано на таблице 1.

Таблица 1 — Координаты вибраторов

В таблице 1 представлены координаты элементов антенны, м, х1, у1, z1, x2, y2, z2 и радиусы вибраторов R. В нашем случае 6 провода, по 7 координат (по три на начало и конец (x, y и z) + радиус) на каждый. Значения радиуса ® равно 1,5 мм. Вибраторы являются симметричными относительно координатных осей.

Конструкция антенны выглядела таким образом:

Рисунок 1 — Конструкция шестиэлементной антенны волновой канал

Затем проводится расчёт параметров антенны, приведённых в таблице 2.

Таблица 2 — Электрические параметры шестиэлементной антенны

В таблице 2 представлены следующие параметры:

— Freq MHz — частота;

R — активная часть входного сопротивления, Ом;

jXреактивная;

SWR — КСВ;

Gh — усиление относительно полуволнового диполя (дБ);

Ga dbi — усиление к изотропному излучателю;

F/B db — отношение уровней излучения вперед/назад;

Elev. — зенитный (вертикальный) угол, под которым расположен максимум излучения антенны;

Земля — тип земли (свободное пространство, идеальная или реальная), для которого проводилось моделирование;

Высота — высота антенны в метрах над землей;

Пол. — поляризация антенны — горизонтальная или вертикальная (в какой поляризации антенна излучает большую часть мощности).

Далее применяем петлевой вибратор. Очень часто для улучшения согласования антенны с фидером питания и расширения полосы её рабочих частот в качестве активного вибратора директорной антенны применяется петлевой вибратор Пистолькорса.

Таблица 3 — Геометрические размеры антенны с петлевым вибратором

В таблице 3 представлены координаты четырёх вибраторов, а петлевой вибратор представлен в виде четырёх вибраторов. Поэтому на рисунке мы видим восемь вибраторов. Близкое расположение вибраторов выбирается из соображения того, что необходимо получить максимально возможный КНД, не выходя за пределы заданной полосы частот.

Конструкция антенны с петлевым вибратором представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 — Конструкция антенны волновой канал с петлевым вибратором В таблице 4 представлен расчёт основных параметров антенны.

Таблица 4 — Электрические параметры антенны с петлевым вибратором

Диаграмма направленности, представленная на рисунке 3, выглядит следующим образом:

Рисунок 3 — ДН антенны с петлевым вибратором для вертикальной и горизонтальной (суммарной) поляризации Далее строятся графики зависимости КСВН и входного сопротивления от частоты, которые приведены на рисунке 4 и 5 соответственно.

Рисунок 4 — Графики зависимости КСВН от частоты

Рисунок 5 — Графики зависимости входного сопротивления от частоты На рисунке 4 и 5 представлено как последовательно выбирая закладки Z, КСВ, Gain/FB, ДН можно наглядно увидеть, как меняются от частоты в заданном вами диапазоне параметры антенны (для тех же самых частот расчета). Кнопка «Поиск резонанса» предназначена для автоматического поиска резонансной частоты антенны (т. е. той, на которой реактивная составляющая ее входного импеданса равна нулю). Закладка «КСВ» выводит график зависимости КСВ от частоты. Закладка «Gain/FB"Выводит графики усиления Gain (f) и отношения излучений вперед/назад FB.

Ход работы

Подготовка реферата на тему: «антенна „волновой канал“»

Проведение расчетов антенны в программе MMANA

Получение допуска к выполнению лабораторной работы Сравнение результатов, выводы по работе Подготовка отчета Защита лабораторной работы Контрольные вопросы Назначение антенны волновой канал Методы расчета антенны Описание возможностей программы MMANA

Основные электрические характеристики антенны Преимущества антенны «волновой канала» перед антеннами других типов Влияние таких характеристик как КСВН и входное сопротивление на приемо-передающие качества антенны Недостатки антенн данного типа.

Экспериментальные данные.

Подготовка к работе: Запустить компьютер с предустановленной программой для расчета и анализа антенн «Mmana».

Порядок работы: Спроектировать антенну типа волновой канал и оптимизировать расстояния между вибраторами и их длины для получения максимального КУ и минимального уровня боковых лепестков.

Результаты анализа антенны Анализ антенны выполнялся в следующей последовательности: 1) моделирование антенны состоящей из двух проводов, увеличение КУ и уменьшение УБЛ; 2) моделирование антенны, состоящей из трех проводов, ручная оптимизация параметров; 3) моделирование антенны состоящей из 4 проводов и оптимизация параметров; 4) Автоматическая оптимизация параметров путем изменения длин и расстояний между проводами антенны.

антенна частота конструкция волновой

Рисунок 1 Моделирование антенны «волновой канал» шаг 1.

Рисунок 2 Координаты проводов антенны

Рисунок 3 Рассчитанные параметры антенны.

Рисунок 4 ДН спроектированной антенны

2)

Рисунок 5Моделирование антенны «волновой канал» шаг 2.

Рисунок 6 Координаты проводов антенны.

Рисунок 7. Рассчитанные параметры антенны.

Рисунок 8. ДН спроектированной антенны.

3)

Рисунок 9 Моделирование антенны «волновой канал» шаг 3.

Рисунок 10 Координаты проводов антенны.

Рисунок 11. Рассчитанные параметры антенны.

Рисунок 12. ДН спроектированной антенны.

Параметры, которые имеет антенна (Z, КСВ, КУ) в полосе частот 1.2 МГц указаны на рисунках 13,14,15.

Рисунок 13. График зависимости входного сопротивления от частоты.

Рисунок 14. График зависимости КСВН от частоты.

Рисунок 15. График зависимости усиления антенны от частоты

4) Автоматическая оптимизация путем изменения расстояний между вибраторами на 0.05 — 0.4 л и их длин на 0.3 — 0.55 л.

Оптимизация запущена с параметрами, нацеленными на максимизацию КУ, F/B, и уменьшение КСВ.

Рисунок 16 Координаты проводов антенны.

Рисунок 17 Моделирование антенны «волновой канал» шаг 4.

Рисунок 18 Рассчитанные параметры антенны.

Рисунок 19 ДН спроектированной антенны после оптимизации

Параметры, которые имеет антенна после оптимизации (Z, КСВ, КУ) в полосе частот 1.2 МГц указаны на рисунках 13,14,15.

Рисунок 20 График зависимости входного сопротивления от частоты.

Рисунок 21 График зависимости КСВН от частоты.

Рисунок 22 График зависимости усиления антенны от частоты

Как видно из рисунка 18, оптимизация позволила добиться лучшего соотношения F/B, а так же уменьшения КСВН и реактивной составляющей сопротивления антенны.

Вывод В результате проделанной работы спроектированная антенна «волновой канал» была оптимизирована для получения наибольшего КУ и наименьшего уровня боковых лепестков, были рассчитаны её характеристики для заданной частоты.