Моделирование и исследование элементов конструкции антенны с помощью программы MANNA

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Моделирование и исследование элементов конструкции антенны с помощью программы MANNA

MMANA - 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?л. Радиус провода в середину которого подключается источник ЭДС - 0,0002?л. Радиус плеч симметричного вибратора - 0,01?л. Зазоры для подключения ЭДС изменяем от 0,001?л до 0,05?л с шагом 0,001?л.

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 = 1,5
Z, в л	fксв мин, МГц	l, м	l(f), см	f1, МГц	f2, МГц
0,001	854,312	0,07856	8,78	823,316	874,976
0,002	861,2	0,07655	8,71	833,648	892,196
0,003	857,756	0,07647	8,74	826,76	888,752
0,004	854,312	0,07635	8,78	823,316	885,308
0,005	854,312	0,07566	8,78	823,316	888,752
0,006	857,756	0,07517	8,74	823,316	888,752
0,007	854,312	0,07481	8,78	823,316	888,752
0,008	854,312	0,07447	8,78	823,316	888,752
0,009	857,756	0,07396	8,74	823,316	892,196
0,01	857,756	0,07347	8,74	823,316	892,196
0,011	857,756	0,07298	8,74	823,316	892,196
0,012	857,756	0,07262	8,74	823,316	892,196
0,013	857,756	0,07213	8,74	823,316	895,64
0,014	857,756	0,07177	8,74	823,316	892,196
0,015	857,756	0,07128	8,74	823,316	895,64
0,016	861,2	0,07079	8,71	826,76	895,64
0,017	857,756	0,07043	8,74	826,76	895,64
0,018	857,756	0,06994	8,74	826,76	895,64
0,019	857,756	0,06958	8,74	826,76	895,64
0,02	861,2	0,06909	8,71	826,76	895,64
0,021	861,2	0,06875	8,71	826,76	895,64
0,022	861,2	0,06824	8,71	826,76	899,084
0,023	857,756	0,06789	8,74	826,76	895,64
0,024	861,2	0,06739	8,71	826,76	899,084
0,025	861,2	0,06705	8,71	826,76	895,64
0,026	861,2	0,06656	8,71	830,204	899,084
0,027	861,2	0,0662	8,71	826,76	899,084
0,028	861,2	0,06571	8,71	830,204	899,084
0,029	861,2	0,06523	8,71	830,204	899,084
0,03	861,2	0,06452	8,71	830,204	899,084
0,031	861,2	0,06421	8,71	830,204	899,084
0,032	861,2	0,0642	8,71	830,204	895,64
0,033	861,2	0,06382	8,71	830,204	895,64
0,034	861,2	0,06331	8,71	830,204	895,64
0,035	861,2	0,06297	8,71	830,204	895,64
0,036	861,2	0,06278	8,71	830,204	895,64
0,037	861,2	0,06167	8,71	833,648	895,64
0,038	861,2	0,06133	8,71	833,648	895,64
0,039	861,2	0,06097	8,71	833,648	895,64
0,04	861,2	0,06048	8,71	833,648	895,64
0,041	861,2	0,06014	8,71	833,648	895,64
0,042	861,2	0,05978	8,71	833,648	895,64
0,043	861,2	0,05944	8,71	833,648	895,64
0,044	861,2	0,05893	8,71	833,648	895,64
0,045	861,2	0,05859	8,71	833,648	895,64
0,046	861,2	0,05825	8,71	833,648	892,196
0,047	861,2	0,05789	8,71	833,648	892,196
0,048	861,2	0,0574	8,71	837,092	892,196
0,049	861,2	0,05704	8,71	837,092	892,196
0,05	861,2	0,0567	8,71	837,092	892,196

Таблица 2.2

КСВ = 1,5
Z, в л	Пабс, МГц	Потн, %	КСВmin	КСВср	Кукор
0,001	51,66	6,08	1,34	1,48	1,1
0,002	58,55	6,78	1,28	1,43	1,13
0,003	61,99	7,23	1,26	1,42	1,14
0,004	61,99	7,26	1,24	1,41	1,14
0,005	65,44	7,64	1,22	1,39	1,13
0,006	65,44	7,64	1,21	1,38	1,15
0,007	65,44	7,64	1,2	1,38	1,14
0,008	65,44	7,64	1,19	1,37	1,16
0,009	68,88	8,03	1,18	1,37	1,15
0,01	68,88	8,03	1,17	1,36	1,17
0,011	68,88	8,03	1,16	1,36	1,17
0,012	68,88	8,03	1,15	1,35	1,16
0,013	72,32	8,41	1,14	1,35	1,18
0,014	68,88	8,03	1,13	1,34	1,17
0,015	72,32	8,41	1,12	1,34	1,19
0,016	68,88	8,00	1,11	1,33	1,19
0,017	68,88	8,00	1,1	1,32	1,2
0,018	68,88	8,00	1,09	1,32	1,2
0,019	68,88	8,00	1,08	1,31	1,2
0,02	68,88	8,00	1,08	1,31	1,21
0,021	68,88	8,00	1,07	1,31	1,21
0,022	72,32	8,38	1,06	1,32	1,22
0,023	68,88	8,00	1,05	1,31	1,22
0,024	72,32	8,38	1,04	1,31	1,24
0,025	68,88	8,00	1,04	1,3	1,23
0,026	68,88	7,97	1,03	1,3	1,23
0,027	72,32	8,38	1,02	1,31	1,25
0,028	68,88	7,97	1,01	1,3	1,24
0,029	68,88	7,97	1,01	1,3	1,24
0,03	68,88	7,97	1,01	1,31	1,26
0,031	68,88	7,97	1,01	1,31	1,26
0,032	65,44	7,58	1,02	1,29	1,27
0,033	65,44	7,58	1,02	1,3	1,27
0,034	65,44	7,58	1,03	1,3	1,29
0,035	65,44	7,58	1,03	1,31	1,28
0,036	65,44	7,58	1,05	1,32	1,28
0,037	61,99	7,17	1,07	1,31	1,3
0,038	61,99	7,17	1,08	1,32	1,32
0,039	61,99	7,17	1,08	1,32	1,31
0,04	61,99	7,17	1,09	1,33	1,33
0,041	61,99	7,17	1,1	1,33	1,33
0,042	61,99	7,17	1,1	1,34	1,33
0,043	61,99	7,17	1,11	1,34	1,34
0,044	61,99	7,17	1,12	1,35	1,34
0,045	61,99	7,17	1,12	1,35	1,34
0,046	58,55	6,78	1,12	1,35	1,33
0,047	58,55	6,78	1,13	1,35	1,33
0,048	55,10	6,37	1,14	1,35	1,33
0,049	55,10	6,37	1,14	1,36	1,33
0,05	55,10	6,37	1,15	1,36	1,33

Таблица 2.3

КСВ = 2
Z, в л	fксв мин, МГц	l, м	l(f), см	f1, МГц	f2, МГц
0,001	854,312	0,0786	8,78	792,32	916,304
0,002	861,2	0,0766	8,71	802,652	933,524
0,003	857,756	0,0765	8,74	799,208	926,636
0,004	854,312	0,0764	8,78	795,764	923,192
0,005	854,312	0,0757	8,78	795,764	926,636
0,006	857,756	0,0752	8,74	795,764	926,636
0,007	854,312	0,0748	8,78	799,208	926,636
0,008	854,312	0,0745	8,78	799,208	926,636
0,009	857,756	0,074	8,74	799,208	926,636
0,01	857,756	0,0735	8,74	799,208	930,08
0,011	857,756	0,073	8,74	799,208	930,08
0,012	857,756	0,0726	8,74	799,208	930,08
0,013	857,756	0,0721	8,74	799,208	930,08
0,014	857,756	0,0718	8,74	799,208	930,08
0,015	857,756	0,0713	8,74	802,652	930,08
0,016	861,2	0,0708	8,71	802,652	930,08
0,017	857,756	0,0704	8,74	802,652	930,08
0,018	857,756	0,0699	8,74	802,652	930,08
0,019	857,756	0,0696	8,74	802,652	930,08
0,02	861,2	0,0691	8,71	802,652	930,08
0,021	861,2	0,0688	8,71	802,652	930,08
0,022	861,2	0,0682	8,71	806,096	930,08
0,023	857,756	0,0679	8,74	806,096	930,08
0,024	861,2	0,0674	8,71	806,096	930,08
0,025	861,2	0,0671	8,71	806,096	930,08
0,026	861,2	0,0666	8,71	806,096	930,08
0,027	861,2	0,0662	8,71	806,096	930,08
0,028	861,2	0,0657	8,71	809,54	930,08
0,029	861,2	0,0652	8,71	809,54	930,08
0,03	861,2	0,0645	8,71	809,54	930,08
0,031	861,2	0,0642	8,71	809,54	930,08
0,032	861,2	0,0642	8,71	809,54	902,636
0,033	861,2	0,0638	8,71	809,54	902,636
0,034	861,2	0,0633	8,71	809,54	902,636
0,035	861,2	0,063	8,71	806,096	923,192
0,036	861,2	0,0628	8,71	806,096	919,748
0,037	861,2	0,0617	8,71	812,984	902,636
0,038	861,2	0,0613	8,71	812,984	926,636
0,039	861,2	0,061	8,71	812,984	926,636
0,04	861,2	0,0605	8,71	812,984	926,636
0,041	861,2	0,0601	8,71	812,984	926,636
0,042	861,2	0,0598	8,71	812,984	923,192
0,043	861,2	0,0594	8,71	812,984	923,192
0,044	861,2	0,0589	8,71	816,428	923,192
0,045	861,2	0,0586	8,71	816,428	923,192
0,046	861,2	0,0583	8,71	816,428	923,192
0,047	861,2	0,0579	8,71	816,428	923,192
0,048	861,2	0,0574	8,71	816,428	923,192
0,049	861,2	0,057	8,71	816,428	923,192
0,05	861,2	0,0567	8,71	816,428	919,748

Таблица 2.4

КСВ = 2
Z, в л	Пабс, МГц	Потн, %	КСВmin	КСВср	Кукор
0,001	123,98	14,51	1,34	1,63	1,1
0,002	130,87	15,08	1,28	1,6	1,13
0,003	127,43	14,77	1,26	1,58	1,14
0,004	127,43	14,83	1,24	1,57	1,14
0,005	130,87	15,20	1,22	1,57	1,13
0,006	130,87	15,20	1,21	1,57	1,15
0,007	127,43	14,77	1,2	1,55	1,14
0,008	127,43	14,77	1,19	1,54	1,16
0,009	127,43	14,77	1,18	1,54	1,15
0,01	130,87	15,14	1,17	1,55	1,17
0,011	130,87	15,14	1,16	1,54	1,17
0,012	130,87	15,14	1,15	1,54	1,16
0,013	130,87	15,14	1,14	1,54	1,18
0,014	130,87	15,14	1,13	1,53	1,17
0,015	127,43	14,71	1,12	1,52	1,19
0,016	127,43	14,71	1,11	1,51	1,19
0,017	127,43	14,71	1,1	1,51	1,2
0,018	127,43	14,71	1,09	1,51	1,2
0,019	127,43	14,71	1,08	1,51	1,2
0,02	127,43	14,71	1,08	1,51	1,21
0,021	127,43	14,71	1,07	1,51	1,21
0,022	123,98	14,28	1,06	1,5	1,22
0,023	123,98	14,28	1,05	1,5	1,22
0,024	123,98	14,28	1,04	1,5	1,24
0,025	123,98	14,28	1,04	1,5	1,23
0,026	123,98	14,28	1,03	1,5	1,23
0,027	123,98	14,28	1,02	1,5	1,25
0,028	120,54	13,86	1,01	1,49	1,24
0,029	120,54	13,86	1,01	1,49	1,24
0,03	120,54	13,86	1,01	1,5	1,26
0,031	120,54	13,86	1,01	1,5	1,26
0,032	93,10	10,87	1,02	1,49	1,27
0,033	93,10	10,87	1,02	1,49	1,27
0,034	93,10	10,87	1,03	1,5	1,29
0,035	117,10	13,54	1,03	1,51	1,28
0,036	113,65	13,17	1,05	1,5	1,28
0,037	89,65	10,45	1,07	1,5	1,3
0,038	113,65	13,07	1,08	1,51	1,32
0,039	113,65	13,07	1,08	1,51	1,31
0,04	113,65	13,07	1,09	1,52	1,33
0,041	113,65	13,07	1,1	1,53	1,33
0,042	110,21	12,70	1,1	1,52	1,33
0,043	110,21	12,70	1,11	1,52	1,34
0,044	106,76	12,27	1,12	1,51	1,34
0,045	106,76	12,27	1,12	1,52	1,34
0,046	106,76	12,27	1,12	1,53	1,33
0,047	106,76	12,27	1,13	1,53	1,33
0,048	106,76	12,27	1,14	1,54	1,33
0,049	106,76	12,27	1,14	1,54	1,33
0,05	103,32	11,90	1,15	1,54	1,33

По уровню КСВ=1,5 и КСВ=2 минимальное значение КСВ, равное 1,01, получается при зазоре 0,031?л.

На рис. 2.6 приведен график зависимости коэффициента укорочения от величины зазора симметричного вибратора, изменяющегося от 0,001?л до 0,050?л.

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?л до 0,050?л.

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?л до 0,050?л.

Выводы: На частоте 861 МГц для симметричного полуволнового вибратора с радиусом плеч 0,01·л при увеличении зазора от 0,001?л до 0,05?л улучшается значение КСВ от 1,34 до 1,01 (при Z = 0,031·л), затем увеличивается до 1,15.

Наибольшее значение полосы рабочих частот 8,41 % наблюдается при Z = 0,013?л и Z=0,015?л по уровню КСВ = 1,5 и 15,20 % - при Z = 0,005?л и Z = 0,006?л по уровню КСВ = 2.

Наименьшее значение КСВ = 1,01 наблюдается при Z = 0,031?л 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?л. Зазор для подключения ЭДС выбираем 0,006?л, радиус провода 0,0002?л. Для каждого радиуса провода проводим оптимизацию с целями по наилучшему КСВ и согласованию. Исследования выполняем для радиусов от 0,001?л до 0,03?л с шагом 0,001?л. 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 = 1,5
a, в л	fксв мин, МГц	l, м	l(f), см	f1, МГц	f2, МГц
0,001	854,656	0,081	8,78	848,112	867,744
0,002	854,656	0,08	8,78	841,568	867,744
0,003	854,656	0,08	8,78	841,568	867,744
0,004	854,656	0,079	8,78	835,024	874,288
0,005	854,656	0,079	8,78	835,024	874,288
0,006	854,656	0,078	8,78	835,024	874,288
0,007	854,656	0,077	8,78	828,48	874,288
0,008	854,656	0,077	8,78	828,48	880,832
0,009	854,656	0,076	8,78	828,48	880,832
0,01	854,656	0,075	8,78	821,936	887,376
0,011	854,656	0,075	8,78	821,936	887,376
0,012	854,656	0,074	8,78	821,936	893,92
0,013	854,656	0,074	8,78	821,936	893,92
0,014	854,656	0,073	8,78	821,936	893,92
0,015	861,2	0,072	8,71	821,936	907,008
0,016	861,2	0,072	8,71	821,936	907,008
0,017	861,2	0,072	8,71	815,392	913,552
0,018	861,2	0,071	8,71	815,392	913,552
0,019	861,2	0,071	8,71	815,392	913,552
0,02	867,744	0,068	8,64	828,48	913,552
0,021	867,744	0,068	8,64	821,936	920,096
0,022	867,744	0,068	8,64	821,936	920,096
0,023	867,744	0,067	8,64	821,936	920,096
0,024	867,744	0,067	8,64	821,936	920,096
0,025	867,744	0,067	8,64	821,936	920,096
0,026	867,744	0,066	8,64	821,936	920,096
0,027	867,744	0,066	8,64	821,936	926,64
0,028	867,744	0,066	8,64	821,936	926,64
0,029	867,744	0,066	8,64	821,936	926,64
0,03	867,744	0,066	8,64	821,936	926,64

Таблица 2.6

КСВ = 1,5
a, в л	Пабс, МГц	Потн, %	КСВmin	КСВср	Кукор
0,001	19,63	2,29	1,41	1,44	1,07
0,002	32,72	3,81	1,39	1,43	1,09
0,003	26,18	3,06	1,37	1,4	1,09
0,004	39,26	4,59	1,35	1,41	1,10
0,005	39,26	4,59	1,33	1,39	1,10
0,006	39,26	4,59	1,31	1,37	1,12
0,007	45,81	5,38	1,3	1,36	1,13
0,008	52,35	6,13	1,28	1,36	1,13
0,009	52,35	6,13	1,25	1,33	1,14
0,01	65,44	7,66	1,21	1,32	1,16
0,011	65,44	7,66	1,2	1,31	1,16
0,012	71,98	8,39	1,15	1,29	1,18
0,013	71,98	8,39	1,14	1,27	1,18
0,014	71,98	8,39	1,13	1,26	1,19
0,015	85,07	9,84	1,06	1,25	1,21
0,016	85,07	9,84	1,05	1,24	1,21
0,017	98,16	11,35	1,03	1,25	1,21
0,018	98,16	11,35	1,03	1,25	1,23
0,019	98,16	11,35	1,02	1,24	1,23
0,02	85,07	9,77	1,13	1,27	1,28
0,021	98,16	11,27	1,15	1,3	1,28
0,022	98,16	11,27	1,15	1,3	1,28
0,023	98,16	11,27	1,19	1,31	1,30
0,024	98,16	11,27	1,19	1,31	1,30
0,025	98,16	11,27	1,2	1,32	1,30
0,026	98,16	11,27	1,21	1,32	1,32
0,027	104,70	11,98	1,23	1,34	1,32
0,028	104,70	11,98	1,24	1,34	1,32
0,029	104,70	11,98	1,25	1,35	1,32
0,03	104,70	11,98	1,27	1,36	1,32

Таблица 2.7

КСВ = 2
a, в л	fксв мин, МГц	l, м	l(f), см	f1, МГц	f2, МГц
0,001	854,656	0,081	8,78	828,48	887,376
0,002	854,656	0,08	8,78	821,936	893,92
0,003	854,656	0,08	8,78	815,392	900,464
0,004	854,656	0,079	8,78	815,392	900,464
0,005	854,656	0,079	8,78	808,848	907,008
0,006	854,656	0,078	8,78	808,848	907,008
0,007	854,656	0,077	8,78	802,324	913,552
0,008	854,656	0,077	8,78	802,324	913,552
0,009	854,656	0,076	8,78	802,324	920,096
0,01	854,656	0,075	8,78	802,324	926,64
0,011	854,656	0,075	8,78	795,76	926,64
0,012	854,656	0,074	8,78	795,76	933,184
0,013	854,656	0,074	8,78	795,76	933,184
0,014	854,656	0,073	8,78	789,216	939,728
0,015	861,2	0,072	8,71	795,76	946,272
0,016	861,2	0,072	8,71	789,216	952,916
0,017	861,2	0,072	8,71	789,216	959,36
0,018	861,2	0,071	8,71	789,216	959,36
0,019	861,2	0,071	8,71	789,216	965,904
0,02	867,744	0,068	8,64	795,76	965,904
0,021	867,744	0,068	8,64	795,76	972,448
0,022	867,744	0,068	8,64	795,76	972,448
0,023	867,744	0,067	8,64	789,216	978,992
0,024	867,744	0,067	8,64	789,216	978,992
0,025	867,744	0,067	8,64	789,216	985,536
0,026	867,744	0,066	8,64	789,216	992,08
0,027	867,744	0,066	8,64	789,216	998,624
0,028	867,744	0,066	8,64	789,216	998,624
0,029	867,744	0,066	8,64	782,672	1005,168
0,03	867,744	0,066	8,64	782,672	1011,712



Таблица 2.8

КСВ = 2
a, в л	Пабс, МГц	Потн, %	КСВmin	КСВср	Кукор
0,001	58,90	6,86	1,41	1,61	1,07
0,002	78,53	9,12	1,39	1,6	1,09
0,003	85,07	9,92	1,37	1,62	1,09
0,004	85,07	9,92	1,35	1,57	1,10
0,005	98,16	11,44	1,33	1,59	1,10
0,006	98,16	11,44	1,31	1,56	1,12
0,007	111,23	12,96	1,3	1,58	1,13
0,008	111,23	12,96	1,28	1,54	1,13
0,009	117,77	13,68	1,25	1,53	1,14
0,01	124,32	14,38	1,21	1,51	1,16
0,011	130,88	15,20	1,2	1,51	1,16
0,012	137,42	15,90	1,15	1,5	1,18
0,013	137,42	15,90	1,14	1,47	1,18
0,014	150,51	17,41	1,13	1,5	1,19
0,015	150,51	17,28	1,06	1,45	1,21
0,016	163,70	18,79	1,05	1,48	1,21
0,017	170,14	19,46	1,03	1,46	1,21
0,018	170,14	19,46	1,03	1,46	1,23
0,019	176,69	20,13	1,02	1,46	1,23
0,02	170,14	19,32	1,13	1,49	1,28
0,021	176,69	19,98	1,15	1,5	1,28
0,022	176,69	19,98	1,15	1,5	1,28
0,023	189,78	21,47	1,19	1,52	1,30
0,024	189,78	21,47	1,19	1,52	1,30
0,025	196,32	22,12	1,2	1,52	1,30
0,026	202,86	22,78	1,21	1,53	1,32
0,027	209,41	23,43	1,23	1,54	1,32
0,028	209,41	23,43	1,24	1,54	1,32
0,029	222,50	24,89	1,25	1,55	1,32
0,03	229,04	25,53	1,27	1,57	1,32

На рис. 2.12 приведен график зависимости коэффициента укорочения от величины радиуса проводников симметричного вибратора, изменяющегося от 0,001?л до 0,03?л.

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?л до 0,03?л.

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?л до 0,03?л.

Выводы: На частоте 861 МГц для симметричного полуволнового вибратора с зазором 0,006?л при увеличении радиуса плеч вибратора от 0,001?л до 0,03?л улучшается значение КСВ от 1,41 до 1,02 (при а = 0,019?л), затем увеличивается до 1,27. Наибольшее значение полосы рабочих
частот 11,98% наблюдается при а = 0,027?л по уровню КСВ = 1,5 и 25,53 % при а = 0,03?л по уровню КСВ = 2. Наименьшее значение КСВ = 1,02 наблюдается при а = 0,019?л 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?л. Радиус траверсы антенны - 0,005?л. Общая длина активного вибратора 0,46?л. Длина рефлектора 0,5?л, длина первого директора 0,42?л, второго - 0,38?л, третьего - 0,34?л. Зазор между плечами активного вибратора - 0,005?л.

По оси x активный вибратор располагаем в начале координат, рефлектор по координате минус 0,1?л, первый директор - плюс 0,1?л, второй директор - плюс 0,2?л, третий директор - плюс 0,3?л. Размеры сформированной модели, введенные в программу MMANA приведены на рис. 2.15.

На рис. 2.16 приведен внешний вид с распределением амплитуд ВЧ токов по элементам антенны на частоте 861 МГц, а на рис. 2.17 - рассчитанные параметры, сечение диаграммы направленности в двух плоскостях.

Оптимизируем конструкцию антенны с целью получения максимального усилению и наилучшего значения КСВ. При оптимизации изменяем положение рефлектора и директоров только по оси х, причем параллельно оси у. После оптимизации размеры задаем с точностью до миллиметра, радиусы плеч 2 мм, радиус траверсы - 6 мм.

На рис. 2.18 приведен внешний вид антенны с распределением амплитуд ВЧ токов по элементам оптимизированной конструкции антенны на частоте 861 МГц, на рис. 2.19 - рассчитанные параметры, сечение диаграммы направленности в двух плоскостях и на рисунке 2.20 - параметры конструкции.

Рассчитаем параметры антенны на заданной частоте, оценим полосу рабочих частот, минимальный уровень КСВ и коэффициент усиления.

Конструкция, оптимизированная (изначальная) имеет КСВmin = 1,01 (2,47). Полоса рабочих частот 10 % по ТЗ. Средний коэффициент усиления в полосе рабочих частот - 8.7 дБи, среднее значение КСВ = 1,31. Рабочая полоса частот по КСВ = 1,5 составляет 85,17 МГц или 9,81%; по КСВ = 2 составляет 112,725 МГц или 13,05%.

Зависимость КСВ и коэффициента усиления антенны от частоты приведена на рис. 2.21.

Конструктивные размеры элементов оптимизированной антенны сведем в табл. 2.9.



Таблица 2.9

Тип элемента	Общая длина, мм	Радиус проводника, мм	Зазор, мм
Рефлектор	174	2	-
Активный вибратор	160	2	0,00696
Директор 1	146	2	-
Директор 2	132	2	-
Директор 3	118	2	-
Траверса	240	6	-

Выводы: Таким образом, синтезирована конструкция антенны «волновой канал» с 3 директорами, рефлектором и активным вибратором. Проведена оптимизация по критерию наибольшего усиления и наибольшего уровня КСВ. Оптимизированная конструкция имеет в требуемой полосе рабочих частот 10% средний уровень КСВ = 1,31 и средний коэффициент усиления 8,7 дБи. Рабочая полоса частот по КСВ = 1,5 составляет 85,17 МГц или 9,81%; по КСВ = 2 составляет 112,725 МГц или 13,05%.

1.4 Исследование направленных свойств антенны горизонтальной поляризации с учетом свойств поверхности земли

1). Для вычислений введем параметры реальной земли е = 13, у = 5 мСим/м.

2). Рассчитаем высоты размещения для частоты 861 МГц. В табл. 2.10 приведены соответствующие высоты.

Таблица 2.10

Высота в л	0,16	0,2	0,25	0,37	0,5	0,62	0,75	1	1,5	2
Высота в м	0,05	0,06	0,08	0,12	0,17	0,21	0,26	0,34	0,52	0,69

3). Создаем таблицы «углы/усиление» для каждой высоты для последующих расчетов в программе MathCad 14.

Для каждого варианта строим трехмерную сферическую развертку верхней полусферы пространства ДН (ТСРВПП ДН) для горизонтальной поляризации и для вертикальной поляризации.

Полученные трехмерные сферические развертки верхней полусферы пространства для обоих поляризаций приведены для вертикальной поляризации на рис. 2.22 и для горизонтальной поляризации на рис. 2.23.

Выводы: Наибольшие значения направленности антенны обеспечиваются при горизонтальной поляризации (рис. 2.23). Наиболее эффективно антенна работает на углах прихода от 20° до 40° в азимутальном секторе ± 45°. На высотах подъема до 0,62·л в секторе углов прихода от 0° до 90° диаграмма направленности однолепестковая. Характерным является малый уровень КН антенны в азимутальном направлении 180° для вертикальной поляризации (рис.2.22).

1.5 Исследование направленных свойств антенны горизонтальной поляризации с учетом свойств поверхности земли в направлении максимального КНД

антенна поляризация частота

1). Для вычислений введем параметры реальной земли е = 13, у = 5 мСим/м.

2). Рассчитаем высоты размещения для частоты 861 МГц. В табл. 2.11 приведены соответствующие высоты.

Таблица 2.11

Высота в л	0,16	0,2	0,25	0,37	0,5	0,62	0,75	1	1,5	2
Высота в м	0,05	0,06	0,08	0,12	0,17	0,21	0,26	0,34	0,52	0,69
Высота в л	2,5	3	3,5	4	4,5	5	5,5	6	6,5	7
Высота в м	0,87	1,04	1,21	1,39	1,56	1,74	1,91	2,08	2,26	2,43

3). Задаём высоту над уровнем Земли в метрах, материал - Медь.

4). Задаём частоту 861 МГц.

5). Строим графики зависимости КНД от углов прихода на заданной частоте.

Графики представлены на рисунках 2.24 и 2.25

Выводы: Направленное действие антенны по углам прихода сильно зависит от высоты размещения над поверхностью земли. В секторе углов прихода от 0° до 90° до высоты подъема 0,62·л сечение ДН имеет однолепестковый характер. Увеличение высоты подъема на 0,5·л приводит к появлению дополнительного лепестка в сечении ДН в секторе углов прихода от 0° до 90°. Увеличение высоты подъема приводит к прижатию лепестка диаграммы направленности к земле, что дает возможность работать при малых углах прихода.

1.6 Исследование направленных свойств антенны горизонтальной поляризации с учетом свойств поверхности земли при различных углах наклона траверсы антенны

1). Для вычислений используем оптимизированную антенну и параметры реальной земли е = 13, у = 5 мСим/м.

2). Высота размещения над поверхностью земли 1,5·л. Тогда высота в метрах будет равна 0,52 м.

3). Задаем высоту над Землей в метрах, материал - Медь.

4). Задаем вращение антенны от +50 до -50 градусов по оси у.

5). Задаем частоту 861 МГц и для каждого варианта строим трехмерную сферическую развертку верхней полусферы пространства для горизонтальной поляризации и для вертикальной поляризации. Результаты приведены соответственно на рис. 2.26 и 2.27.

Выводы: При горизонтальном расположении антенны большие значения коэффициента направленности антенны наблюдаются для горизонтальной поляризации (рис. 2.27). Наклон траверсы антенны приводит к некоторому уменьшению направленного действия антенны и уменьшению провалов в квазивертикальном направлении.

1.7 Исследование направленных свойств антенны горизонтальной поляризации с учетом свойств поверхности земли в направлении максимального КНД при различных углах наклона траверсы антенны

1). Для вычислений используем параметры реальной земли е = 13, у = 5 мСим/м.

2). Высота размещения над поверхностью земли 0,52 м.

3). Задаем высоту над Землей в метрах, материал - Медь.

4). Задаем вращение антенны от +50 до -50 градусов по оси у.

5). Задаем частоту 861 МГц.

Полученные графики зависимостей КНД от углов прихода на частоте 861 МГц при различных высотах над поверхностью земли в плоскости XOZ приведены на рис. 2.28 и 2.29.

Выводы: На представленных сечениях (рис. 2.29, 2.30) видно, что при наклоне траверсы антенны возможно исключение провалов (в одном случае при 20° минус 20 дБ при угле наклона минус 5°) и повышение направленного действия антенны до 25 дБ в квазивертикальном направлении.



Заключение

Таким образом, смоделированы конструкции и исследованы параметры симметричных электрических вибраторов в зависимости от радиуса его плеч и от величины зазора для подключения ЭДС, а также смоделирована трёхдиректорная антенна типа «волновой канал», проведена ее конструктивная оптимизация и исследованы направленные свойства горизонтально расположенной над землей антенны в зависимости от высоты расположения и при различных углах наклона траверсы на высоте 1,5·л.

Для моделирования использована русскоязычная версия программного обеспечения MMANA-GAL Pro.

На частоте 861 МГц для симметричного полуволнового вибратора с радиусом плеч 0,01·л при увеличении зазора от 0,001·л до 0,05·л улучшается значение КСВ от 1,34 до 1,01 (при Z = 0,031·л), затем увеличивается до 1,15. Наибольшее значение полосы рабочих частот 8,41 % наблюдается при
Z = 0,013·л и Z = 0,015?л по уровню КСВ = 1,5 и 15,20 % при Z = 0,005?л и
Z = 0,006?л по уровню КСВ = 2. Наименьшее значение КСВ = 1,01 наблюдается при Z = 0,031·л 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.

На частоте 861 МГц для симметричного полуволнового вибратора с зазором 0,006?л при увеличении радиуса плеч вибратора от 0,001?л до 0,03?л улучшается значение КСВ от 1,41 до 1,02 (при а = 0,019?л), затем увеличивается до 1,27. Наибольшее значение полосы рабочих частот 11,98% наблюдается при а = 0,027?л по уровню КСВ = 1,5 и 25,53 % при а = 0,03?л по уровню КСВ = 2. Наименьшее значение КСВ = 1,02 наблюдается при а = 0,019?л 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.

Синтезирована и оптимизирована конструкция антенны «волновой канал» с 3 директорами, рефлектором и активным вибратором. Проведена оптимизация по критерию наибольшего усиления и наименьшего уровня КСВ. Оптимизированная конструкция имеет в требуемой полосе рабочих частот 10% средний уровень КСВ = 1,31 и средний коэффициент усиления 8,7 дБи.

Наибольшие значения направленности антенны обеспечиваются при горизонтальной поляризации. Наиболее эффективно антенна работает на углах прихода от 20° до 40° в азимутальном секторе ± 45°. На высотах подъема до 0,62·л. в секторе углов прихода от 0° до 90° диаграмма направленности однолепестковая. Характерным является малый уровень КН антенны в азимутальном направлении 180° для вертикальной поляризации.

Направленное действие антенны по углам прихода сильно зависит от высоты размещения над поверхностью земли. В секторе углов прихода от 0° до 90° до высоты подъема 0,62·л сечение ДН имеет однолепестковый характер. Увеличение высоты подъема на 0,5·л приводит к появлению дополнительного лепестка в сечении ДН в секторе углов прихода от 0° до 90°. Увеличение высоты подъема приводит к прижатию лепестка диаграммы направленности к земле, что дает возможность работать при малых углах прихода.

При горизонтальном расположении антенны большие значения коэффициента направленности антенны наблюдаются для горизонтальной поляризации. Наклон траверсы антенны приводит к некоторому уменьшению направленного действия антенны и уменьшению провалов в квазивертикальном направлении. При наклоне траверсы антенны возможно исключение провалов (в даном случае при 20° минус 20 дБ при угле наклона минус 5°) и повышение направленного действия антенны до 25 дБ в квазивертикальном направлении.

В графической части курсового проекта выполнен сборочный чертеж антенны со спецификацией и чертежи элементов конструкции.

Библиографический список

1. Антенны и устройства СВЧ. Под ред. Воскресенского Д.И. - М: Советское радио, 1972.

2. Ардабьевский, А.И. Пособие по расчету антенн сверхвысоких частот / А.И. Ардабьевский, В.Г. Воропаева, К. И. Гринева. - М.: Оборонгиз, 1957.

3. Дорохов, А.П. Расчет и конструирование антенно-фидерных устройств / А.П. Дорохов. - Изд. Харьковского университета, 1960.

4. Марков, Г.Т. Антенны / Г.Т. Марков. - Госэнергоиздат, 1960.

5. Гончаренко, И.В. Компьютерное моделирование антенн. Все о программе MMANA / И.В. Гончаренко. - М.: ИП РадиоСофт, Журнал «Радио», 2002.

6. Ротхаммель, К. Антенны / К. Ротхаммель. - М.: Энергия, 1979.

7. Сапаров, В.Е. Системы стандартов в электросвязи и радиоэлектронике / В.Е. Сапаров, М.И. Максимов. - М.: Радио и связь, 1985

Размещено на Allbest.ru