Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки / Цивільний радіозв'язок

 Коментарі до статті

У статті наводиться порівняльна характеристика деяких підходів до оцінки коефіцієнта корисної дії (ККД) антен та антенних систем за результатами електромагнітного комп'ютерного моделювання з урахуванням втрат. Показано можливості розрахунку ККД антени за допомогою програми MMANA та наведено опис програми для розрахунку ККД за результатами моделювання.

Запровадження

Комп'ютерне моделювання надає корисні можливості оцінки ККД антен, що діють, і передбачення ККД антен, що розробляються. Якщо процесі випромінювання беруть участь предмети ближнього оточення антени (опори, відтяжки, дах), можна оцінити вплив цих предметів, інакше кажучи, ККД всієї антени. Оцінка ККД представляє особливий інтерес для електрично малих антен (ЕМА) через труднощі отримання високої ефективності при малих хвильових (тобто виражених у частках довжини хвилі) розмірах

Найзагальніше визначення ККД - це відношення потужності випромінювання P∑ до потужності збудження РE в режимі передачі:

де PL - потужність втрат у матеріалах провідників та діелектриків антени. З принципу взаємності випливає, що в режимі прийому ККД антени такий самий, як у режимі передачі.

Інше визначення ККД (по ланцюговому еквіваленту) - це відношення опору випромінювання R∑, наведеного до місця підключення антени, до активної частини вхідного імпедансу (повного опору) RA, що є сумою R∑ і еквівалентного опору втрат RL:

Способи розрахунку ККД при моделюванні

1. Використання даних про потужність збудження та потужність втрат

Потужність збудження (підводиться до антени потужність) РЕ легко обчислюється за результатами моделювання:

(3)

де lE – діюче (ефективне) значення струму збудження.

Якщо, знаючи струми In та активні складові Rn імпедансів всіх окремих сегментів антени, обчислити потужність втрат

то можна отримати потужність випромінювання як різницю між потужністю збудження та потужністю втрат:

Розрахунок ККД здійснюється за формулою (1).

Спосіб малопридатний для оцінки низьких ККД (одиниці відсотків і менше), особливо коли великі похибки визначення потужності втрат та потужності збудження. Часто виходять негативні значення P∑ і, отже, ККД (наприклад, у програмі NEC2d).

2. Аналітичний розрахунок опору випромінювання або його визначення аналізом моделі ідеальної антени без урахування втрат

Для нескладних антен опір випромінювання можна розрахувати за відомими формулами або отримати в результаті моделювання ідеальної антени. Це краще, ніж мати його як різницю дуже близьких чисел, одержаних з великими похибками.

Розрахунок ККД здійснюється за формулою (2). Слід пам'ятати, що у деяких випадках розподіл струму і, отже, наведений опір випромінювання сильно залежить від втрат, і формула (2) щодо R∑ моделюванням ідеальної структури може дати ККД з великою похибкою (наприклад, вийде ККД більше одиниці). Так виходить, наприклад, при моделюванні диполя завдовжки одну довжину хвилі.

3. Порівняння максимальних значень посилення реальної антени та аналогічної за структурою антени без втрат

Максимальне посилення антени, як відомо, пов'язане з максимальним коефіцієнтом спрямованої дії (КНД) Dmax через ККД:

Звідси безпосередньо отримують ККД, якщо є впевненість у тому, що форма діаграми спрямованості (ДН) без урахування втрат подібна до форми ДН реальної антени.

Значення отримуємо в результаті моделювання ідеальної антени, що має одиничний ККД (? = 1).

При визначенні ККД із співвідношення (6) Gmax та Dmax повинні бути виражені у відносних одиницях, а не в децибелах. Для переходу від децибелів до відносин аналізованих величин використовуються формули

Можна також знайти величину ККД за результатами аналізу у децибелах безпосередньо:

Якщо в складі антеної системи є дроти суттєво різних діаметрів або з різних матеріалів, то діаграми спрямованості антен з втратами і без втрат можуть помітно відрізнятися формою, і цей спосіб теж призводить до помилок.

4. Використання даних про потужність, що підводиться, і визначення потужності випромінювання методом вектора Пойнтінга

Найкращий і найбільш універсальний метод розрахунку потужності випромінювання будь-якої антени – метод вектора Пойнтінга [1].

Розглянемо режим роботи антени у вільному просторі (рис. 1).

Вектор Пойнтінга Р, як відомо, є векторним твіром векторів електричної Е та магнітної Н складових електромагнітного поля

Його напрям у кожній точці М дальньої зони збігається з напрямом випромінювання радіохвиль, яке величина представляє щільність потоку енергії випромінювання (Вт/м2) на даній відстані (R) у цьому напрямку (Θ, φ). Тут Z0 = 120π (Ом) – хвильовий опір вільного простору; E(Θ, φ, R) - напруженість (В/м) електричної компоненти поля у цій точці.

Виділимо на сфері радіусом R на околиці точки М майданчик, обмежений малими приростами ΔΘ і Δφ (рис. 1). Її площа визначається з виразу

Потужність випромінювання через цей майданчик

Розбивши всю сферу на досить велику кількість малих майданчиків і підсумувавши потужності випромінювання через всі майданчики, можна отримати величину, дуже близьку до потужності випромінювання антени через всю сферичну поверхню:

Тут М – кількість кроків по координаті φ; N – кількість кроків за координатою Θ. Якщо взяти однакові кроки А в градусах по Θ та φ, то отримаємо М = 360/Δ та N = 180/Δ. Для вільного простору немає значення величина радіуса R цієї поверхні.

Розрахувавши потужність, що підводиться до антени за формулою (3), отримуємо ККД иэ (1). Недолік способу - в реальних умовах результат залежить від втрат у середовищі розповсюдження. Під час моделювання це можна обійти, використовуючи умови вільного простору або ідеальної землі. Зауважимо, що з ідеальної землі треба розглядати всю сферу, лише верхню півсферу, і N = 90/Δ.

Особливості розрахунку ККД за результатами програми MMANA

Розрахунок за пп. 2 і 3 можливий із зазначеними вище застереженнями безпосередньо за результатами аналізу антени з втратами та антени без втрат. Єдина умова: режим вільного простору чи ідеальної землі.

MMANA не дозволяє виводити для аналізу імпеданс окремих сегментів. Це унеможливлює перший шлях (п. 1), що має серйозні недоліки.

Не виводяться значення напруженості поля в дальній зоні, які можна було б використовувати для розрахунку потужності випромінювання методом вектора Пойнтінга. У таблицях результатів наводяться значення посилення в децибелах GA(Θ, φ) (дБі) у даному напрямку для даної антени щодо ідеального ізотропного випромінювача при тій же потужності, що підводиться. Однак цього все ж таки достатньо для визначення ККД. І навіть за більш простим алгоритмом, ніж відповідно до (12), (3), (1):

Тут і далі значення GA(Θ, φ) мають бути у відносних одиницях:

Відповідно до алгоритму (13) складено програму обчислення ККД антени.

Програма обчислення ККД антени

Програма для розрахунку ККД антени за результатами аналізу у програмі MMANA написана мовою Turbo Basic та доступна на сайті журналу "Радіо". Файл kpdmm.exe розміщують у будь-якій директорії та запускають у системі MS DOS або MS Windows без будь-якої спеціальної інсталяції.

Програма використовує файл виду name.csv, який створюється програмою MMANA на вибір "Таблиця кути/підсилення" в меню "Файл". ККД можна розраховувати після аналізу у режимі вільного простору чи режимі ідеальної землі. Кроки по азимутальному та зенітному кутах встановлюють однаковими. У програмі передбачено лише два можливі значення кроку: 2° або 10°. Для оціночних розрахунків рекомендується крок 10°, а точних - 2°. (Дальше зменшення кроку у разі програми MMANA до суттєвого поліпшення точності не призводить, але вимагає великого обсягу пам'яті та значно уповільнює процес обчислень.) У таблиці 1 наведено обов'язкові значення початкових кутів, кроку та кількості кроків по кутах для всіх чотирьох можливих ситуацій.

Відразу після запуску програма пропонує вибрати робочу мову діалогу: російську (кодування DOS 866) або англійську. Після цього треба зазначити, у якому режимі виконувався аналіз антени в MMANA (вільний простір чи ідеальна земля). Неправильна вказівка ​​режиму разом із неправильним введенням даних у таблицю може бути не виявлено програмою та призвести до значної помилки обчислення ККД. Потім вводять ім'я файлу, що містить таблицю "Кути/посилення". Ім'я файлу має містити не більше восьми символів без кирилиці. Якщо файл знаходиться не в робочій директорії, слід вказати шлях до нього. Програма виявляє помилково вказані файли, а також помилки введення вихідних даних (невідповідність даних таблиці 1) та видає відповідні зауваження. Якщо файл або шлях до нього не знайдено, відображається повідомлення. При успішному введенні після обробки файлу виводиться результат розрахунку ККД у відносних одиницях та у відсотках.

Порівняння та оцінка способів розрахунку ККД після моделювання програмою MMANA

У таблиці 2 наведено результати розрахунків ККД розглянутими вище способами деяких моделей антен з архіву MMANA, виконаних з матеріалу без втрат, з хорошого провідника і з заліза.

Модель 1 мала стійкі до втрат форми розподілу струму та діаграм спрямованості. Тому результати розрахунків ККД усіма способами практично збігаються.

Для моделі 2 маємо помітну різницю тільки заліза за першим способом. Причина - суттєва зміна струмів у дроті, де включено джерело збудження.

Третя модель, на відміну від вихідної, мала в 10 разів меншу товщину пасивних вібраторів. Це дуже позначилося як у розподілі струму, і на діаграмі спрямованості, особливо у випадку із залізом. Тому є значні відхилення результатів за першими двома способами від третього.

Діаграма спрямованості 4 моделі під впливом ідеальної землі виявилася сильно порізаною, тому з'явилася різниця навіть між результатами за програмою, отриманими з різними кроками по кутах.

Найбільшої довіри заслуговують на результати, отримані за програмою з кроком 2°. З інших способів меншу похибку забезпечує 2-й спосіб (підсилення).

AGT – тест збіжності моделювання

Якщо скористатися запропонованою програмою для розрахунку ККД антени без втрат, то результат буде тим ближчим до одиниці, чим вдалі виконано геометричне моделювання структури з проводів. Це відноситься, зокрема, до сегментації, моделювання близько розташованих проводів, малих рамок та розташованих під гострим кутом з'єднань проводів. Така перевірка відома як AGT (Average Gain Test) або APG (Average Power Gain)-тест збіжності аналізу за середнім коефіцієнтом посилення. Якість моделювання слід вважати незадовільною, якщо результат виходить за межі 0,95...1,05. Чим краща якість моделювання, тим ближче до одиниці результат. Однак можуть бути ситуації, коли результат тесту – рівно одиниця, а модель невдала. AGT – перевірка необхідна, але недостатня. Хорошим ознакою збіжності та стійкості моделі є слабка залежність параметрів моделі збільшення кількості сегментів (покращення точності моделювання).

Якщо наявний у програмі AGT-тест застосувати до моделі антени з втратами, результатом буде ККД антени. Така можливість, зокрема, є у програмі NEC2d, де виконується окремо розрахунок ККД за методикою (5) з усіма її мінусами.

Розрахунок ККД з урахуванням впливу землі та оточення

Розрахунок ККД антени над ідеальною землею корисний у тих випадках, коли антенна система знаходиться настільки близько від поверхні землі або від іншої, зокрема провідної поверхні, що ця поверхня істотно впливає на розподіл струмів по проводах та діаграму спрямованості.

У режимі "Ідеальна земля" програма може обробляти файли, отримані та в умовах реальної землі. Результатом обробки буде значення ККД, розраховане з урахуванням втрат не тільки в самій антені, але і при відображенні від неідеальної поверхні. Тому в повідомленні "Ідеальна (?) Земля" стоїть знак питання, що попереджає про можливу помилку, яку програма виявити не може. Розрахунок ККД над реальною землею дасть більш менш вірні результати тільки для програм, що враховують вплив землі на вхідний імпеданс (цього не роблять програми М IN IN ЄС та її похідні).

Розрахунок ККД з урахуванням оточення можливий лише за умови відповідного (з урахуванням властивостей матеріалу) електромагнітного моделювання предметів, що знаходяться у ближньому полі антени. Труднощі можуть виникнути при неможливості задати різні проводи різні параметри матеріалу (як, наприклад, у програмі MMANA). Частково ця проблема може бути вирішена завданням значно меншого (або більшого) діаметра дроту.

Висновок

Розглянуті у статті питання не торкаються втрат у фідерних лініях та пристроях узгодження. ККД антенно-фідерного пристрою загалом є добуток ККД антени та ККД фідерної лінії з устроєм узгодження.

Застосування описаної методики не обмежується вказаними програмами. Похибки визначення ККД за методом вектора Пойнтінга пов'язані з якістю моделювання, а також округлення даних у файлі для далекого поля. На жаль, вихідні дані після моделювання програмою MMANA мають невисоку точність. Є надія, що в нових версіях програми MMANA цей недолік буде усунений, а розробники нових програм моделювання антен не забудуть включити визначення ККД до завдань, що вирішуються з урахуванням висловлених тут побажань.

література

1. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антени. - М: Енергія, 1975.
2. Гончаренко І.В. Комп'ютерне моделювання антен. Все про програму MMANA. - М: ІП РадіоСофт, Журнал "Радіо", 2002.

Автори: А.Гречихін, І.Каретнікова, Д.Проскуряков, м. Нижній Новгород

Дивіться інші статті розділу Цивільний радіозв'язок.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Спиртуознавство теплого пива 07.05.2024

Пиво, як один із найпоширеніших алкогольних напоїв, має свій унікальний смак, який може змінюватись в залежності від температури споживання. Нове дослідження, проведене міжнародною групою вчених, виявило, що температура пива значно впливає на сприйняття алкогольного смаку. Дослідження, очолюване матеріалознавцем Лей Цзяном, показало, що з різних температурах молекули етанолу і води формують різні типи кластерів, що впливає сприйняття алкогольного смаку. При низьких температурах утворюються пірамідоподібні кластери, що знижує гостроту "етанолового" смаку і робить напій менш алкогольним на смак. Навпаки, при підвищенні температури кластери стають ланцюжнішими, що призводить до більш вираженого алкогольного смаку. Це пояснює, чому смак деяких алкогольних напоїв, таких як байцзю, може змінюватись в залежності від температури. Отримані дані відкривають нові перспективи для виробників напоїв, ...>>

Основний фактор ризику ігроманії 07.05.2024

Комп'ютерні ігри стають все більш популярним видом розваг серед підлітків, але супутній ризик ігрової залежності залишається значною проблемою. Американські вчені провели дослідження, щоб визначити основні фактори, що сприяють виникненню цієї залежності, та запропонувати рекомендації щодо її запобігання. Протягом шести років 385 підлітків були піддані спостереженню, щоб з'ясувати, які фактори можуть привертати до ігрової залежності. Результати показали, що 90% учасників дослідження не схильні до ризику залежності, у той час як 10% стали ігроманами. Виявилося, що ключовим фактором у появі ігрової залежності є низький рівень соціальної поведінки. Підлітки з низьким рівнем просоціальної поведінки не виявляють інтересу до допомоги та підтримки оточуючих, що може призвести до втрати контакту з реальним світом та поглиблення залежності від віртуальної реальності, запропонованої комп'ютерними іграми. На основі цих результатів вчені ...>>

Шум транспорту затримує зростання пташенят 06.05.2024

Звуки, що оточують нас у сучасних містах, стають дедалі пронизливішими. Однак мало хто замислюється про те, як цей шум впливає на тваринний світ, особливо на таких ніжних створінь, як пташенята, які ще не вилупилися з яєць. Недавні дослідження проливають світло на цю проблему, вказуючи на серйозні наслідки для їхнього розвитку та виживання. Вчені виявили, що вплив транспортного шуму на пташенят зебрового діамантника може призвести до серйозних порушень у розвитку. Експерименти показали, що шумова забрудненість може суттєво затримувати їх вилуплення, а ті пташенята, які все ж таки з'являються на світ, стикаються з низкою здоровотворних проблем. Дослідники також виявили, що негативні наслідки шумового забруднення сягають і дорослого віку птахів. Зменшення шансів на розмноження та зниження плодючості говорять про довгострокові наслідки, які транспортний шум чинить на тваринний світ. Результати дослідження наголошують на необхідності ...>>

Випадкова новина з Архіву Створено молекулу з властивостями фторизуючих ензимів. 13.05.2018 У пошуку безпечних та ефективних способів покращення сучасних інструментів та біологічних компонентів сучасної медицини, деякі вчені звертаються до природного джерела будь-якого хімічного елемента – до самої природи. І для деяких груп учених – такої як команді молекулярних хіміків із Державного Університету Колорадо – такий підхід стає справді результативним. Команда фахівців з молекулярної хімії з Колорадо представила свій звіт про створену та протестовану молекулу, яка копіює роботу фторованих ензимів. Фторовані ензими, що знаходяться в природному середовищі проживання, вже давно є ключовим фокусом сучасної медицини в контексті застосування їх властивостей для збільшення ефективності багатьох ліків та лікарських сполук - завдяки самому процесу фторизації, ці ензими можуть суттєво збільшити хімічні реакції в ліках, таким чином роблячи їх більш ефективними та надійними. Однак традиційне їх застосування занадто дорого обходиться здебільшого. Саме тому талановита команда хіміків під керівництвом професора хімічного інжинірингу Роберта Паттона сьогодні представила свою створену молекулу, створену на основі цих ензимів, якою можна керувати віддалено без будь-яких проблем, таким чином регулюючи її властивості та вплив на хімічні реакції в лікарських сполуках. Варто відзначити той факт, що попередні результати не можуть не дивувати своєю ефективністю! Це стало можливим завдяки комплексному квантовому дослідженню попереднього року, в ході якого команді вдалося відтворити на практиці процес створення молекул з аналогічними ензимними властивостями, які можуть бути додатково посилені за рахунок сторонніх каталізаторів. Таким чином, створена молекула-каталізатор має більш високу ефективність і може застосовуватися навіть у найбільш складних та критичних ситуаціях, з точки зору медичної практики.

Інші цікаві новини:

▪ Нові джерела живлення для світлодіодних застосувань

▪ Векторний аналізатор ланцюгів до 26,5 ГГц від Rohde & Schwarz

▪ DC-контактори TE Connectivity IHVA150 та IHVA200

▪ Твердотільні накопичувачі Blue та Ultra об'ємом до 1 ТБ

▪ Персональний пристрій для зчитування пластикових карток Chip Shield Reader

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ розділ сайту Радіо - початківцям. Добірка статей

▪ стаття Будинок для кроликів. Поради домашньому майстру

▪ стаття Коли почали збирати мед? Детальна відповідь

▪ стаття Застосування локальних нормативних актів, що містять норми трудового права

▪ стаття Трьохканальний автомобільний УНЧ на мікросхемах TDA1518BQ. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття Липка паличка. Секрет фокусу

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages ​​of this page

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт

www.diagram.com.ua
2000-2024