Шишаков К.В. (ред.). Моделирование антенн и элементов тракта - Учебно-методическое пособие для выполнения курсовых и самостоятельных работ
Подождите немного. Документ загружается.
31
3. Исследование характеристик направленности
симметричного электрического вибратора в п/п MMANA
Исходные данные: Высота - 20 м, материал – алюминиевая трубка,
частота f =60МГц. Требуется провести исследование антенны для
свободного пространства.
Рис. 1. Симметричный электрический вибратор (СЭВ)
Основные теоретические сведения.
Симметричный вибратор - это антенна в виде металлического провода
или стержня, у которого в сечениях, симметричных относительно середины,
продольные высокочастотные токи равны по величине и имеют одинаковую
фазу, т. е. обеспечивается равенство I(z)=I(-z).
СЭВ имеет входное сопротивление на резонансной частоте около 75
Ом. Именно его усиление обычно условно принимают за 0 дБ. Вибратор
изготовляют из трубок, прутков или полос. Диаметр d трубок выбирают
равным для МВ 20...30, а для ДМВ - 6...12 мм. Расстояние между концами
трубок l должно быть равно половине рабочей длины волны антенны,
умноженной на коэффициент укорочения К, зависящий от отношения
рабочей длины волны к диаметру трубок. Укорочение полуволнового
вибратора необходимо для настройки вибратора в резонанс. Зависимость
коэффициента укорочения от отношения λ/ d представлена на (рис. 2.).
Рис. 2. Зависимость коэффициента укорочения от отношения λ/ d: а- для
полуволнового, б- для волнового диполя.
32
Вибраторы широко применяются как в качестве самостоятельных
антенн, так и в сложных антенных системах; являются элементами антенных
решёток или облучателями зеркальных или линзовых антенн.
Выполнение работы.
1. Расчёт длины вибратора.
Рассчитаем длину полуволнового вибратора для частоты 60 МГц.
Длинна волны определяется как λ = c/F=3*10
8
/6*10
7
=5м. Находим длину
плеча l = λ/4=5/4=1.25м. Диаметр трубки вибратора выберем 25 мм. Найдём
коэффициент укорочения К. Его зависимость от отношения λ/d=5/0.025=200
приведена на рис. 2. В данном случае К=0.94. Получаем, что длина плеча
укороченного вибратора l = λ/4*К=1.25*0.94=1.175м.
Дальнейшее моделирование антенны будем вести в программе
MMANA –GAL версия 1.2.0.20
Моделирование антенны состоит из ряда следующих действий.
2. Открытие программы MMANA –GAL.
Запустить файл MMANAGAL1_2.exe
3. Вкладка Геометрия.
Моделирование антенны следует начинать с вкладки Геометрия.
Вкладка Геометрия изображена на (рис. 3).
Рис. 3. Вкладка Геометрия
В поле Имя указываем название, например СЭВ 60, это поле заполнять
необязательно. В поле Частота указываем частоту антенны 60 МГц.
Источник задаем в точке w1c. Поле нагрузок оставляем без изменений.
33
Согласно расчётам вводим длину каждого из плеч вибратора (координата
Z1(m) и Z2(m) ) и задаём радиус.
4. Вычисления.
Расчет параметров антенны производится на вкладке Вычисления.
Согласно заданию, вводим данные. Высота = 20 м., материал – алюминиевая
трубка. Нажимаем кнопку пуск.
5. Графики.
Изучим результаты расчета антенны в таблице. Для этого жмем на
кнопку Графики. В окне Графики 5 вкладок.
6.1 Закладка ДН.
Рис. 4. ДН.
Здесь показывается получившаяся диаграмма направленности и как
она меняется от частоты.
6.2 Вкладка Z.
Рис.. 5. График зависимости R(f) и jX(f) от частоты.
При нажатии кнопки резонанс, программа ищет его самостоятельно
jX(f)=0. Черной линией на рис. 6 показан график R(f), a красной (кривая 2) -
jX(f). Имеется полезная функция, обеспечивающая возможность
включить/выключить (во всплывающем под правой кнопкой мыши меню) на
этом графике согласующее устройство. Оно автоматически уже рассчитано,
и можно посмотреть, как измениться график.
34
6.3 Вкладка КСВ.
Рис. 6. График зависимости КСВ Рис. 7. График КСВ с
от частоты. включённым СУ .
График зависимости КСВ от частоты (рис. 6). Есть функция, обес-
печивающая возможность включить/выключить (во всплывающем под
правой кнопкой мыши меню) на этом графике согласующее устройство. Оно
автоматически уже рассчитано, и можно посмотреть, как измениться график
(рис. 7).
6.4 Вкладка Усиление/FB.
Рис. 8. График зависимости усиления и F/B от частоты.
Графики усиления Gain(f) черным цветом (рис. 9.) и отношения
излучений вперед/назад - красным.
7. Вкладка Диаграмма направленности.
На вкладке Диаграмма направленности можно посмотреть
диаграммы направленности для рабочей частоты. Диаграммы
направленности можно наблюдать для трех видов поляризации:
горизонтальная, вертикальная, суммарная, а также ДН для вертикальной и
35
горизонтальной поляризации, изображенные на одном графики (рис. 9), и в
трехмерном изображении (рис. 10).
Рис. 9. Диаграмма направленности. Рис. 10. Трехмерная ДН.
8. Распределение токов.
После расчета, открыв вкладку Вид, можно увидеть распределение
токов в проводах (рис. 11).
Рис. 11. Распределение токов в проводах.
9. Сохранение Проекта.
Для сохранения Проекта на диске, из меню выберем Файл>Сохранить
или Сохранить как. Далее задайте имя проекта и место сохранения.
36
4. Моделирование рупорных антенн
в п/п Microwave Studio
1. Задание исходных данных.
Рупорная антенна (РА) состоит из волновода постоянного сечения,
играющего роль питающей линии, и присоединенного к нему рупора,
представляющего собой волновод переменного сечения. Основные
разновидности PA, отличающиеся формой поперечного сечения рупора,
показаны на рис. 1: Е-плоскостной рупор (а), H-плоскостной рупор (б),
пирамидальный (в) и конический рупор (г). PA применяются в
сантиметровом и дециметровом диапазонах волн как самостоятельные
антенны или в качестве облучателей линзовых и параболических антенн.
Рис. 1. Основные разновидности РА.
Рис. 2. Структура электромагнитного поля в прямоугольном волноводе
для волны типа H
10
.
37
Из рассмотренных вариантов ограничимся пирамидальными РА.
Чтобы определить размеры волновода, необходимо найти длину
волны:
0
f
c
=λ
, где с - скорость света;
0
f
- резонансная частота.
Распространение волн возможно только в том случае, если
поперечные размеры волновода сравнимы с длиной волны
λ
или больше
λ
.
Необходимо так подобрать размеры а и b, чтобы распространялись только
нужные типы волны. На практике для прямоугольного волновода в качестве
рабочей волны обычно используют тип волны H
10
, изображенный на рис. 2.
Для большей наглядности на рисунке также приведены графики
распределения электрического и магнитного полей вдоль широкой стенки.
Для прямоугольного волновода и волны H
10
выбираем размеры
волновода. Величину а выбираем из соотношения a <
λ
< 2а (например: а
= 72 мм на
λ
= 100 мм; a = 23 мм на
λ
= 32 мм). Величину b выбираем
=0,5a. Длину волновода можно взять равной a.
Выбрав поперечные размеры волновода, необходимо определить
размеры раскрыва рупора А и В:
AB
HE
λ
θ
λ
θ
°°
≈≈
68
2,
51
2
5,05,0
,
где ширина ДН выбрана по уровню половинной мощности оптимального
пирамидального рупора.
Продольные сечения рупоров в плоскостях Е и Н имеют вид
равнобедренных трапеций (рис. 3). Продолжив сходящиеся стороны
трапеции до пересечения, получим равнобедренный треугольник, по
которому определяются геометрические параметры РА: длина L (высота
треугольника), длина стороны R, угол раствора рупора Ф. Параметрам,
относящимся к плоскостям E и Н, приписываются соответствующие
индексы. N - длинна рупора от конца волновода.
Рис. 3. Структура поля в Е-плоскостном и в Н-плоскостном
секториальных рупорах.
По следующим формулам определим оптимальную длину рупора:
38
Оптимальным называется рупор, размеры раскрыва которого
подобраны таким образом, чтобы при заданной длине рупора получить
максимальный КНД. Пирамидальный рупор будет оптимальным, если
оптимальны соответствующие ему Е- и Н-секториальные рупоры.
Выписанные формулы применимы к пирамидальному рупору с размерами
раскрыва А в Н-плоскости и B в Е-плоскости. При определения оптимальной
длины пирамидального рупора следует выбрать большую из величин (в
данном случае это будет R, оптимальное в Н-плоскости).
С помощью теоремы Пифагора и подобия треугольников необходимо
найти N: ,
−=
A
a
LN
H
1
Дальнейшее моделирование антенны будем вести в программе CST
Microwave Studio 5.0.
2. Открытие программы.
Для начала моделирования необходимо открыть программу, т.е.
запустить файл mwstudio.exe. После чего откроется программа.
3. Создание нового проекта.
Для создания нового проекта выполните следующие операции:
1. Выберите File > New.
2. Выберите Antenna (in Free Space, waveguide) в диалоговом окне
Create a New Project, как показано на рис. 4 и нажмите OK.
Рис. 4. Диалоговое окно Create a New Project.
Этот диалоговый блок всегда появится, когда создается новый проект.
Здесь можно выбрать один из встроенных шаблонов для того, чтобы
автоматически установить соответствующее значение для конкретного типа
устройства, которое собираетесь анализировать. Все эти установочные
параметры могут изменяться вручную в любое время позже.
5. Рисование рупорной антенны.
Для создания рупорной антенны выполните следующие операции:
39
1. Нажмите Objects >Basic Shapes>Brick.
2. Нажмите Esc. Появится диалог Brick рис. 5.
Рис. 5. Диалоговое окно Brick.
3. Установите Xmin=-a/2, Xmax=a/2, Ymin=-b/2, Ymax=b/2, Zmin=0,
Zmax=-a, Material как PEC. Нажмите ОК. Появится рис. 6.
Рис. 6. Волновод. Рис. 7. Диалоговое окно Move Local Coordinates System.
4. Чтобы нарисовать рупор, необходимо сместить систему координат.
Нажмите WCS >Local Coordinate System. Затем нажмите WCS> Move Local
Coordinates. Появляется диалог Move Local Coordinates System (рис. 7).
5. Введите DW=N (N - длинна рупора от конца волновода). Нажмите
ОК. Появится рис. 8.
Рис. 8. Смещение системы координат. Рис. 9. Диалоговое окно Brick.
6. Нажмите Objects >Basic Shapes>Brick.
7. Нажмите Esc. Появится диалог Brick рис. 9.
8. Установите Umin=-А/2, Umax=А/2, Vmin=-B/2, Vmax=B/2,
Wmin=0, Wmax=0.25, Material как PEC. Нажмите ОК. Появится рис. 10
(волновод и плоскость раскрыва рупора).
40
Рис. 10. Рис. 11. Рис.12.
9. Необходимо соединить волновод с плоскостью раскрыва рупора.
Для этого нажмите Objects > Pick> Pick Face. Сделайте двойной щелчок на
обратной стороне плоскости раскрыва рупора, как показано на рис. 11
(выделение плоскости раскрыва рупора).
Нажмите Objects > Pick> Pick Face. Сделайте двойной щелчок на
волноводе, как показано на рис. 12 (выделение волновода).
После этого нажимаем Objects >Loft. Появится диалог Loft. Ничего не
изменяя нажимаем OK. Появится рис. 13 (полая рупорная антенна).
Рис. 13. Рис.14. Рис.15.
10. Далее объединим все созданные элементы. В дереве навигации
выбираем Components>Component1>solid1, как показано на рис. 14 (дерево
навигации). Затем нажимаем Objects>Boolean>Add. Курсором выбираем
solid2. Нажимаем Enter. solid2 и solid1 должны объединится в solid1.
Аналогично объединяем solid3 и solid1.
1. Необходимо вырезать отверстие в рупорной антенне. Для этого
нажмите Objects > Pick> Pick Face. Сделайте двойной щелчок на
плоскости раскрыва рупора, как показано на рис. 15 (выделение
плоскости раскрыва рупора).
Нажмите Objects > Pick> Pick Face. Сделайте двойной щелчок на
волноводе, как показано на рис. 16 (выделение волновода).