Моделирование и исследование элементов конструкции антенны с помощью программы MANNA
1. Моделирование и исследование элементов конструкции антенны с помощью программы MANNA
- это программа моделирования антенн, работающая в среде Windows. Вычислительной основой MMANA (так же, как и многих коммерческих программ моделирования) является программа MININEC Ver.3, которая была создана для целей американских ВМС в Washington Research Institute.
Все дополнительные функции и интерфейсы написаны JE3HHT. Программа позволяет:
создавать и редактировать описания антенны, как заданием координат, так и мышкой. Не надо набирать вручную длинные ряды цифр, описывающих координаты каждого провода в трехмерном пространстве;
рассматривать множество разных видов антенны. Рассчитывать диаграммы направленности (ДН) антенн в вертикальной и горизонтальной плоскостях (под любыми вертикальными углами);
одновременно сравнивать результаты моделирования нескольких разных антенн (ДН и все основные характеристики);
редактировать описание каждого элемента антенны, включая возможность менять форму элемента без сдвига его резонансной частоты. То есть можно легко трансформировать «волновой канал» в «квадраты» или «дельты»;
редактировать описание каждого провода антенны. Имеется возможность перекомпоновки антенны без утомительного перебора цифр координат, простым перетаскиванием мышкой (практически всю антенну можно нарисовать и редактировать одной мышкой);
просчитывать комбинированные провода, состоящие из нескольких, разных диаметров. Это полезно при расчете элементов, составленных из труб разного диаметра, например, «волновых каналов». Использовать удобное меню создания многоэтажных антенн - стеков, причем в качестве элемента стека можно использовать любую существующую или созданную антенну;
оптимизировать антенну, гибко настраивая цели оптимизации: ZВХ, КСВ, усиление, F/B, минимум вертикального угла излучения, причем предельно наглядно - движками указывается важность того или иного параметра. Задавать изменение при оптимизации более 90 параметров антенны. Возможно описание совместного (зависимого) изменения нескольких параметров;
сохранять все шаги оптимизации в виде отдельной таблицы. Это полезно для последующего неспешного просмотра и анализа - не мелькнет ли там чего любопытного, чего исходно и в виду-то не имели. Строить множество разнообразных графиков: ZВХ, КСВ, усиления, отношения излучений вперед/назад (F/B), включая показ ДН от частоты;
автоматически рассчитывать несколько типов согласующих устройств (СУ), причем возможно включать и выключать их при построении графиков. Создавать файлы-таблицы (формата *.csv, просматриваемого в Excel) для всех переменных расчетных данных: таблицы токов в каждой точке антенны, зависимости усиления от вертикальных и горизонтальных углов, таблицы основных параметров антенны как функций частоты, и наконец весьма полезную таблицу напряженности электрического и магнитного полей антенны в заданном пространстве. Она необходима для определения соответствия антенны на требования электромагнитной совместимости;
рассчитывать катушки, контура, СУ на LC элементах, СУ на отрезках длинных линий (несколько видов), индуктивности и емкости, выполненные из отрезков коаксиального кабеля;
ограничений по взаимному расположению проводов нет. Это означает, что любая конфигурация проводников будет рассчитана корректно. Максимальное число: проводов - 512, источников - 64, нагрузок - 100 [5].
1.1 Исследование влияния зазора в симметричном вибраторе на степень согласования и рабочую полосу
Общая длина симметричного вибратора 0,5·λ. Радиус провода в середину которого подключается источник ЭДС - 0,0002·λ. Радиус плеч симметричного вибратора - 0,01·λ. Зазоры для подключения ЭДС изменяем от 0,001·λ до 0,05·λ с шагом 0,001·λ.
Для каждого зазора проводим оптимизацию с целями по максимальному усилению, КСВ и согласованию на частоте 861 МГц.
Графики значений КСВ от частоты приведены на рис. 2.1 - 2.5 соответственно.
На частоте 861 МГц определяем минимальное значение КСВ, абсолютную и относительные полосы рабочих частот по уровню КСВ = 1,5 и по уровню КСВ = 2. Результаты расчетов сведены в табл. 2.1 - 2.4.
Таблица 2.1
КСВ = 1,5Z, в λfксв мин, МГцl, мl(f), смf1, МГцf2, МГц0,001854,3120,078568,78823,316874,9760,002861,20,076558,71833,648892,1960,003857,7560,076478,74826,76888,7520,004854,3120,076358,78823,316885,3080,005854,3120,075668,78823,316888,7520,006857,7560,075178,74823,316888,7520,007854,3120,074818,78823,316888,7520,008854,3120,074478,78823,316888,7520,009857,7560,073968,74823,316892,1960,01857,7560,073478,74823,316892,1960,011857,7560,072988,74823,316892,1960,012857,7560,072628,74823,316892,1960,013857,7560,072138,74823,316895,640,014857,7560,071778,74823,316892,1960,015857,7560,071288,74823,316895,640,016861,20,070798,71826,76895,640,017857,7560,070438,74826,76895,640,018857,7560,069948,74826,76895,640,019857,7560,069588,74826,76895,640,02861,20,069098,71826,76895,640,021861,20,068758,71826,76895,640,022861,20,068248,71826,76899,0840,023857,7560,067898,74826,76895,640,024861,20,067398,71826,76899,0840,025861,20,067058,71826,76895,640,026861,20,066568,71830,204899,0840,027861,20,06628,71826,76899,0840,028861,20,065718,71830,204899,0840,029861,20,065238,71830,204899,0840,03861,20,064528,71830,204899,0840,031861,20,064218,71830,204899,0840,032861,20,06428,71830,204895,640,033861,20,063828,71830,204895,640,034861,20,063318,71830,204895,640,035861,20,062978,71830,204895,640,036861,20,062788,71830,204895,640,037861,20,061678,71833,648895,640,038861,20,061338,71833,648895,640,039861,20,060978,71833,648895,640,04861,20,060488,71833,648895,640,041861,20,060148,71833,648895,640,042861,20,059788,71833,648895,640,043861,20,059448,71833,648895,640,044861,20,058938,71833,648895,640,045861,20,058598,71833,648895,640,046861,20,058258,71833,648892,1960,047861,20,057898,71833,648892,1960,048861,20,05748,71837,092892,1960,049861,20,057048,71837,092892,1960,05861,20,05678,71837,092892,196
Таблица 2.2
КСВ = 1,5Z, в λПабс, МГцПотн, %КСВminКСВсрКукор0,00151,666,081,341,481,10,00258,556,781,281,431,130,00361,997,231,261,421,140,00461,997,261,241,411,140,00565,447,641,221,391,130,00665,447,641,211,381,150,00765,447,641,21,381,140,00865,447,641,191,371,160,00968,888,031,181,371,150,0168,888,031,171,361,170,01168,888,031,161,361,170,01268,888,031,151,351,160,01372,328,411,141,351,180,01468,888,031,131,341,170,01572,328,411,121,341,190,01668,888,001,111,331,190,01768,888,001,11,321,20,01868,888,001,091,321,20,01968,888,001,081,311,20,0268,888,001,081,311,210,02168,888,001,071,311,210,02272,328,381,061,321,220,02368,888,001,051,311,220,02472,328,381,041,311,240,02568,888,001,041,31,230,02668,887,971,031,31,230,02772,328,381,021,311,250,02868,887,971,011,31,240,02968,887,971,011,31,240,0368,887,971,011,311,260,03168,887,971,011,311,260,03265,447,581,021,291,270,03365,447,581,021,31,270,03465,447,581,031,31,290,03565,447,581,031,311,280,03665,447,581,051,321,280,03761,997,171,071,311,30,03861,997,171,081,321,320,03961,997,171,081,321,310,0461,997,171,091,331,330,04161,997,171,11,331,330,04261,997,171,11,341,330,04361,997,171,111,341,340,04461,997,171,121,351,340,04561,997,171,121,351,340,04658,556,781,121,351,330,04758,556,781,131,351,330,04855,106,371,141,351,330,04955,106,371,141,361,330,0555,106,371,151,361,33
Таблица 2.3
КСВ = 2Z, в λfксв мин, МГцl, мl(f), смf1, МГцf2, МГц0,001854,3120,07868,78792,32916,3040,002861,20,07668,71802,652933,5240,003857,7560,07658,74799,208926,6360,004854,3120,07648,78795,764923,1920,005854,3120,07578,78795,764926,6360,006857,7560,07528,74795,764926,6360,007854,3120,07488,78799,208926,6360,008854,3120,07458,78799,208926,6360,009857,7560,0748,74799,208926,6360,01857,7560,07358,74799,208930,080,011857,7560,0738,74799,208930,080,012857,7560,07268,74799,208930,080,013857,7560,07218,74799,208930,080,014857,7560,07188,74799,208930,080,015857,7560,07138,74802,652930,080,016861,20,07088,71802,652930,080,017857,7560,07048,74802,652930,080,018857,7560,06998,74802,652930,080,019857,7560,06968,74802,652930,080,02861,20,06918,71802,652930,080,021861,20,06888,71802,652930,080,022861,20,06828,71806,096930,080,023857,7560,06798,74806,096930,080,024861,20,06748,71806,096930,080,025861,20,06718,71806,096930,080,026861,20,06668,71806,096930,080,027861,20,06628,71806,096930,080,028861,20,06578,71809,54930,080,029861,20,06528,71809,54930,080,03861,20,06458,71809,54930,080,031861,20,06428,71809,54930,080,032861,20,06428,71809,54902,6360,033861,20,06388,71809,54902,6360,034861,20,06338,71809,54902,6360,035861,20,0638,71806,096923,1920,036861,20,06288,71806,096919,7480,037861,20,06178,71812,984902,6360,038861,20,06138,71812,984926,6360,039861,20,0618,71812,984926,6360,04861,20,06058,71812,984926,6360,041861,20,06018,71812,984926,6360,042861,20,05988,71812,984923,1920,043861,20,05948,71812,984923,1920,044861,20,05898,71816,428923,1920,045861,20,05868,71816,428923,1920,046861,20,05838,71816,428923,1920,047861,20,05798,71816,428923,1920,048861,20,05748,71816,428923,1920,049861,20,0578,71816,428923,1920,05861,20,05678,71816,428919,748
Таблица 2.4
КСВ = 2Z, в λПабс, МГцПотн, %КСВminКСВсрКукор0,001123,9814,511,341,631,10,002130,8715,081,281,61,130,003127,4314,771,261,581,140,004127,4314,831,241,571,140,005130,8715,201,221,571,130,006130,8715,201,211,571,150,007127,4314,771,21,551,140,008127,4314,771,191,541,160,009127,4314,771,181,541,150,01130,8715,141,171,551,170,011130,8715,141,161,541,170,012130,8715,141,151,541,160,013130,8715,141,141,541,180,014130,8715,141,131,531,170,015127,4314,711,121,521,190,016127,4314,711,111,511,190,017127,4314,711,11,511,20,018127,4314,711,091,511,20,019127,4314,711,081,511,20,02127,4314,711,081,511,210,021127,4314,711,071,511,210,022123,9814,281,061,51,220,023123,9814,281,051,51,220,024123,9814,281,041,51,240,025123,9814,281,041,51,230,026123,9814,281,031,51,230,027123,9814,281,021,51,250,028120,5413,861,011,491,240,029120,5413,861,011,491,240,03120,5413,861,011,51,260,031120,5413,861,011,51,260,03293,1010,871,021,491,270,03393,1010,871,021,491,270,03493,1010,871,031,51,290,035117,1013,541,031,511,280,036113,6513,171,051,51,280,03789,6510,451,071,51,30,038113,6513,071,081,511,320,039113,6513,071,081,511,310,04113,6513,071,091,521,330,041113,6513,071,11,531,330,042110,2112,701,11,521,330,043110,2112,701,111,521,340,044106,7612,271,121,511,340,045106,7612,271,121,521,340,046106,7612,271,121,531,330,047106,7612,271,131,531,330,048106,7612,271,141,541,330,049106,7612,271,141,541,330,05103,3211,901,151,541,33
По уровню КСВ=1,5 и КСВ=2 минимальное значение КСВ, равное 1,01, получается при зазоре 0,031⋅λ.
На рис. 2.6 приведен график зависимости коэффициента укорочения от величины зазора симметричного вибратора, изменяющегося от 0,001⋅λ до 0,050⋅λ.
На рис. 2.7 приведен график зависимости относительной полосы рабочих частот по уровню КСВ = 1,5 и КСВ = 2 от величины зазора симметричного вибратора, изменяющегося от 0,001⋅λ до 0,050⋅λ.
На рис. 2.8 приведен график зависимости минимального и средних значений КСВ по уровню КСВ < 2 и КСВ < 1,5 от величины зазора симметричного вибратора, изменяющегося от 0,001⋅λ до 0,050⋅λ.
Выводы: На частоте 861 МГц для симметричного полуволнового вибратора с радиусом плеч 0,01·λ при увеличении зазора от 0,001⋅λ до 0,05⋅λ улучшается значение КСВ от 1,34 до 1,01 (при Z = 0,031·λ), затем увеличивается до 1,15.
Наибольшее значение полосы рабочих частот 8,41 % наблюдается при Z = 0,013⋅λ и Z=0,015⋅λ по уровню КСВ = 1,5 и 15,20 % - при Z = 0,005⋅λ и Z = 0,006⋅λ по уровню КСВ = 2.
Наименьшее значение КСВ = 1,01 наблюдается при Z = 0,031⋅λ и обеспечивается полоса рабочих частот 13,86 % (средний КСВ - 1,5) по уровню КСВ = 2 и 7,97 % (средний КСВ = 1,31) - по уровню КСВ = 1,5.
1.2 Исследование влияния диаметра проводников симметричного вибратора на рабочую полосу частот
Общая длина полуволнового симметричного вибратора 0,5⋅λ. Зазор для подключения ЭДС выбираем 0,006⋅λ, радиус провода 0,0002⋅λ. Для каждого радиуса провода проводим оптимизацию с целями по наилучшему КСВ и согласованию. Исследования выполняем для радиусов от 0,001⋅λ до 0,03⋅λ с шагом 0,001⋅λ. На частоте 861 МГц определяем минимальное значение КСВ, абсолютные и относительные полосы рабочих частот по уровню КСВ = 1,5 и по уровню КСВ = 2. Результаты расчетов сводим в табл. 2.5 - 2.8.
Графики значений КСВ от частоты приведены на рис. 2.9 - 2.11 соответственно.
На частоте 861 МГц определяем минимальное значение КСВ, абсолютные и относительные полосы рабочих частот по уровню КСВ = 1,5 и по уровню КСВ = 2. Результаты расчетов сводим в табл. 2.5 - 2.8.
Таблица 2.5
КСВ = 1,5a, в λfксв мин, МГцl, мl(f), смf1, МГцf2, МГц0,001854,6560,0818,78848,112867,7440,002854,6560,088,78841,568867,7440,003854,6560,088,78841,568867,7440,004854,6560,0798,78835,024874,2880,005854,6560,0798,78835,024874,2880,006854,6560,0788,78835,024874,2880,007854,6560,0778,78828,48874,2880,008854,6560,0778,78828,48880,8320,009854,6560,0768,78828,48880,8320,01854,6560,0758,78821,936887,3760,011854,6560,0758,78821,936887,3760,012854,6560,0748,78821,936893,920,013854,6560,0748,78821,936893,920,014854,6560,0738,78821,936893,920,015861,20,0728,71821,936907,0080,016861,20,0728,71821,936907,0080,017861,20,0728,71815,392913,5520,018861,20,0718,71815,392913,5520,019861,20,0718,71815,392913,5520,02867,7440,0688,64828,48913,5520,021867,7440,0688,64821,936920,0960,022867,7440,0688,64821,936920,0960,023867,7440,0678,64821,936920,0960,024867,7440,0678,64821,936920,0960,025867,7440,0678,64821,936920,0960,026867,7440,0668,64821,936920,0960,027867,7440,0668,64821,936926,640,028867,7440,0668,64821,936926,640,029867,7440,0668,64821,936926,640,03867,7440,0668,64821,936926,64
Таблица 2.6
КСВ = 1,5a, в λПабс, МГцПотн, %КСВminКСВсрКукор0,00119,632,291,411,441,070,00232,723,811,391,431,090,00326,183,061,371,41,090,00439,264,591,351,411,100,00539,264,591,331,391,100,00639,264,591,311,371,120,00745,815,381,31,361,130,00852,356,131,281,361,130,00952,356,131,251,331,140,0165,447,661,211,321,160,01165,447,661,21,311,160,01271,988,391,151,291,180,01371,988,391,141,271,180,01471,988,391,131,261,190,01585,079,841,061,251,210,01685,079,841,051,241,210,01798,1611,351,031,251,210,01898,1611,351,031,251,230,01998,1611,351,021,241,230,0285,079,771,131,271,280,02198,1611,271,151,31,280,02298,1611,271,151,31,280,02398,1611,271,191,311,300,02498,1611,271,191,311,300,02598,1611,271,21,321,300,02698,1611,271,211,321,320,027104,7011,981,231,341,320,028104,7011,981,241,341,320,029104,7011,981,251,351,320,03104,7011,981,271,361,32
Таблица 2.7
КСВ = 2a, в λfксв мин, МГцl, мl(f), смf1, МГцf2, МГц0,001854,6560,0818,78828,48887,3760,002854,6560,088,78821,936893,920,003854,6560,088,78815,392900,4640,004854,6560,0798,78815,392900,4640,005854,6560,0798,78808,848907,0080,006854,6560,0788,78808,848907,0080,007854,6560,0778,78802,324913,5520,008854,6560,0778,78802,324913,5520,009854,6560,0768,78802,324920,0960,01854,6560,0758,78802,324926,640,011854,6560,0758,78795,76926,640,012854,6560,0748,78795,76933,1840,013854,6560,0748,78795,76933,1840,014854,6560,0738,78789,216939,7280,015861,20,0728,71795,76946,2720,016861,20,0728,71789,216952,9160,017861,20,0728,71789,216959,360,018861,20,0718,71789,216959,360,019861,20,0718,71789,216965,9040,02867,7440,0688,64795,76965,9040,021867,7440,0688,64795,76972,4480,022867,7440,0688,64795,76972,4480,023867,7440,0678,64789,216978,9920,024867,7440,0678,64789,216978,9920,025867,7440,0678,64789,216985,5360,026867,7440,0668,64789,216992,080,027867,7440,0668,64789,216998,6240,028867,7440,0668,64789,216998,6240,029867,7440,0668,64782,6721005,1680,03867,7440,0668,64782,6721011,712
Таблица 2.8
КСВ = 2a, в λПабс, МГцПотн, %КСВminКСВсрКукор0,00158,906,861,411,611,070,00278,539,121,391,61,090,00385,079,921,371,621,090,00485,079,921,351,571,100,00598,1611,441,331,591,100,00698,1611,441,311,561,120,007111,2312,961,31,581,130,008111,2312,961,281,541,130,009117,7713,681,251,531,140,01124,3214,381,211,511,160,011130,8815,201,21,511,160,012137,4215,901,151,51,180,013137,4215,901,141,471,180,014150,5117,411,131,51,190,015150,5117,281,061,451,210,016163,7018,791,051,481,210,017170,1419,461,031,461,210,018170,1419,461,031,461,230,019176,6920,131,021,461,230,02170,1419,321,131,491,280,021176,6919,981,151,51,280,022176,6919,981,151,51,280,023189,7821,471,191,521,300,024189,7821,471,191,521,300,025196,3222,121,21,521,300,026202,8622,781,211,531,320,027209,4123,431,231,541,320,028209,4123,431,241,541,320,029222,5024,891,251,551,320,03229,0425,531,271,571,32
На рис. 2.12 приведен график зависимости коэффициента укорочения от величины радиуса проводников симметричного вибратора, изменяющегося от 0,001⋅λ до 0,03⋅λ.
На рис. 2.13 приведен график зависимости относительной полосы рабочих частот по уровню КСВ = 2 и 1,5 от величины радиуса проводников симметричного вибратора, изменяющегося от 0,001⋅λ до 0,03⋅λ.
На рис. 2.14 приведен график зависимости минимального и средних значений КСВ по уровню КСВ < 2 и < 1,5 от величины радиуса проводников симметричного вибратора, изменяющегося от 0,001⋅λ до 0,03⋅λ.
Выводы: На частоте 861 МГц для симметричного полуволнового вибратора с зазором 0,006⋅λ при увеличении радиуса плеч вибратора от 0,001⋅λ до 0,03⋅λ улучшается значение КСВ от 1,41 до 1,02 (при а = 0,019⋅λ), затем увеличивается до 1,27. Наибольшее значение полосы рабочих
частот 11,98% наблюдается при а = 0,027⋅λ по уровню КСВ = 1,5 и 25,53 % при а = 0,03⋅λ по уровню КСВ = 2. Наименьшее значение КСВ = 1,02 наблюдается при а = 0,019⋅λ и обеспечивается полоса рабочих частот 20,13 % (средний КСВ = 1,46) по уровню КСВ = 2 и 11,35 % (средний КСВ = 1,24) - по уровню КСВ = 1,5.
1.3 Создание модели антенны и оптимизация ее конструкции
Создадим модель антенны типа волновой канал с одним рефлектором, активным вибратором в виде симметричного вибратора и с тремя директорами.
Рабочая частота 861 МГц. Радиус проводников директоров, активного вибратора и рефлектора выбираем 0,005⋅λ. Радиус траверсы антенны - 0,005⋅λ. Общая длина активного вибратора 0,46⋅λ. Длина рефлектора 0,5⋅λ, длина первого директора 0,42⋅λ, второго - 0,38⋅λ, третьего - 0,34⋅λ. Зазор между плечами активного вибратора - 0,005⋅λ.
По оси