|
ЭНЦИКЛОПЕДИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ К расчету КПД антенн при компьютерном моделировании. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники
Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Гражданская радиосвязь В статье приводится сравнительная характеристика некоторых подходов к оценке коэффициента полезного действия (КПД) антенн и антенных систем по результатам электромагнитного компьютерного моделирования с учетом потерь. Показаны возможности расчета КПД антенны с помощью программы MMANA и приведено описание программы для расчета КПД по результатам моделирования. Введение Компьютерное моделирование предоставляет полезные возможности оценки КПД действующих антенн и предсказания КПД разрабатываемых антенн. Если в процессе излучения участвуют предметы ближнего окружения антенны (опоры, оттяжки, крыша), то можно оценить влияние и этих предметов, иными словами, КПД всей антенной системы. Оценка КПД представляет особый интерес для электрически малых антенн (ЭМА) ввиду трудностей получения высокой эффективности при малых волновых (т. е. выраженных в долях длины волны) размерах Самое общее определение КПД - это отношение мощности излучения P∑ к мощности возбуждения РE в режиме передачи:
где PL - мощность потерь в материалах проводников и диэлектриков антенны. Из принципа взаимности следует, что в режиме приема КПД антенны такой же, как в режиме передачи. Другое определение КПД (по цепному эквиваленту) - это отношение сопротивления излучения R∑, приведенного к месту подключения антенны, к активной части входного импеданса (полного сопротивления) RA, представляющей собой сумму R∑ и эквивалентного сопротивления потерь RL:
Способы расчета КПД при моделировании 1. Использование данных о мощности возбуждения и мощности потерь Мощность возбуждения (подводимая к антенне мощность) РЕ легко вычисляется по результатам моделирования:
где lE - действующее (эффективное) значение тока возбуждения. Если, зная токи In и активные составляющие Rn импедансов всех отдельных сегментов антенны, вычислить мощность потерь
то можно получить мощность излучения как разность между мощностью возбуждения и мощностью потерь:
Расчет КПД производится по формуле (1). Способ малопригоден для оценки низких КПД (единицы процентов и меньше), особенно когда велики погрешности определения мощности потерь и мощности возбуждения. Часто получаются отрицательные значения P∑ и, следовательно, КПД (например, в программе NEC2d). 2. Аналитический расчет сопротивления излучения или его определение анализом модели идеальной антенны без учета потерь Для несложных антенн сопротивление излучения можно рассчитать по известным формулам или получить в результате моделирования идеальной антенны. Это лучше, чем иметь его как разность очень близких чисел, полученных с большими погрешностями. Расчет КПД производится по формуле (2). Следует иметь в виду, что в некоторых случаях распределение тока и, следовательно, приведенное сопротивление излучения сильно зависят от потерь, и формула (2) при определении R∑ моделированием идеальной структуры может дать КПД с большой погрешностью (например, получится КПД больше единицы). Так получается, например, при моделировании диполя длиной в одну длину волны. 3. Сравнение максимальных значений усиления реальной антенны и аналогичной по структуре антенны без потерь Максимальное усиление антенны, как известно, связано с максимальным коэффициентом направленного действия (КНД) Dmax через КПД:
Отсюда непосредственно получают КПД, если есть уверенность в том, что форма диаграммы направленности (ДН) без учета потерь подобна форме ДН реальной антенны. Значение получаем в результате моделирования идеальной антенны, имеющей единичный КПД (η = 1). При определении КПД из соотношения (6) Gmax и Dmax должны быть выражены в относительных единицах, а не в децибелах. Для перехода от децибелов к отношениям рассматриваемых величин используются формулы
Можно также найти величину КПД по результатам анализа в децибелах непосредственно:
Если в составе антенной системы есть провода существенно разных диаметров или из разных материалов, то диаграммы направленности антенн с потерями и без потерь могут заметно различаться по форме, и этот способ тоже приводит к ошибкам. 4. Использование данных о подводимой мощности и определение мощности излучения методом вектора Пойнтинга Наилучший и наиболее универсальный метод расчета мощности излучения любой антенны - метод вектора Пойнтинга [1]. Рассмотрим режим работы антенны в свободном пространстве (рис. 1).
Вектор Пойнтинга Р, как известно, есть векторное произведение векторов электрической Е и магнитной Н составляющих электромагнитного поля
Его направление в каждой точке М дальней зоны совпадает с направлением излучения радиоволн, а его величина Выделим на сфере радиусом R в окрестности точки М площадку, ограниченную малыми приращениями ΔΘ и Δφ (рис. 1). Ее площадь определяется из выражения
Мощность излучения через эту площадку
Разбив всю сферу на достаточно большое количество малых площадок и просуммировав мощности излучения через все площадки, можно получить величину, очень близкую к мощности излучения антенны через всю сферическую поверхность:
Здесь М - количество шагов по координате φ; N - количество шагов по координате Θ. Если взять одинаковые шаги А в градусах по Θ и φ, то получим М = 360/Δ и N = 180/Δ. Для свободного пространства не имеет значения величина радиуса R этой поверхности. Рассчитав подводимую к антенне мощность по формуле (3), получаем КПД иэ (1). Недостаток способа - в реальных условиях результат зависит от потерь в среде распрострвнения. При моделировании это можно обойти, используя условия свободного пространства или идеальной земли. Заметим, что для идеальной земли надо рассматривать не всю сферу, а только верхнюю полусферу, и N = 90/Δ. Особенности расчета КПД по результатам программы MMANA Расчет по пп. 2 и 3 возможен с указанными выше оговорками непосредственно по результатам анализа антенны с потерями и антенны без потерь. Единственное условие: режим свободного пространства или идеальной земли. MMANA не позволяет выводить для анализа импедансы отдельных сегментов. Это делает недоступным первый путь (п. 1), имеющий серьезные недостатки. Не выводятся также значения напряженности поля в дальней зоне, которые можно было бы использовать для расчета мощности излучения методом вектора Пойнтинга. В таблицах результатов приводятся значения усиления в децибелах GA(Θ, φ) (дБи) в данном направлении для данной антенны относительно идеального изотропного излучателя при той же подводимой мощности. Однако этого все же достаточно для определения КПД. И даже по более простому алгоритму, чем в соответствии с (12), (3), (1):
Здесь и далее значения GA(Θ, φ) должны быть в относительных единицах:
В соответствии с алгоритмом (13) составлена программа вычисления КПД антенны. Программа вычисления КПД антенны Программа для расчета КПД антенны по результатам анализа в программе MMANA написана на языке Turbo Basic и доступна на сайте журнала "Радио". Файл kpdmm.exe размещают в любой директории и запускают в системе MS DOS или MS Windows без какой-либо специальной инсталляции. Программа использует файл вида name.csv, который создается программой MMANA по выбору "Таблица углы/усиление" в меню "Файл". КПД можно рассчитывать после анализа в режиме свободного пространства или в режиме идеальной земли. Шаги по азимутальному и зенитному углам устанавливают одинаковыми. В программе предусмотрены только два возможных значения шага: 2° или 10°. Для оценочных расчетов рекомендуется шаг 10°, а для точных - 2°. (Дальнейшее уменьшение шага в случае программы MMANA к существенному улучшению точности не приводит, но требует большого объема памяти и значительно замедляет процесс вычислений.) В таблице 1 приведены обязательные значения начальных углов, шага и количества шагов по углам для всех четырех возможных ситуаций.
Сразу после запуска программа предлагает выбрать рабочий язык диалога: русский (кодировка DOS 866) или английский. После этого надо указать, в каком режиме выполнялся анализ антенны в MMANA (свободное пространство или идеальная земля). Неправильное указание режима вместе с неправильным вводом данных в таблицу может быть не обнаружено программой и привести к значительной ошибке вычисления КПД. Затем вводят имя файла, содержащего таблицу "Углы/усиление". Имя файла должно содержать не более восьми символов без кириллицы. Если файл находится не в рабочей директории, следует указать путь к нему. Программа обнаруживает ошибочно указанные файлы, а также ошибки ввода исходных данных (несоответствие данных таблице 1) и выдает соответствующие замечания. Если файл или путь к нему не найден, выводится сообщение. При успешном вводе после обработки файла выводится результат расчета КПД в относительных единицах и в процентах. Сравнение и оценка способов расчета КПД после моделирования программой MMANA В таблице 2 приведены результаты расчетов КПД рассмотренными выше способами для некоторых моделей антенн из архива MMANA, выполненных из материала без потерь, из хорошего проводника и из железа.
Модель 1 имела устойчивые к потерям формы распределения тока и диаграмм направленности. Поэтому результаты расчетов КПД всеми способами практически совпадают. Для модели 2 имеем заметную разницу только для железа по первому способу. Причина - существенное изменение токов в проводе, где включен источник возбуждения. Третья модель в отличие от исходной имела в 10 раз меньшую толщину пассивных вибраторов. Это сильно сказалось как на распределении тока, так и на диаграмме направленности, особенно в случае с железом. Поэтому есть значительные отклонения результатов по первым двум способам от третьего. Диаграмма направленности 4-й модели под влиянием идеальной земли оказалась сильно изрезанной, поэтому появилась разница даже между результатами по программе, полученными с разными шагами по углам. Наибольшего доверия заслуживают результаты, полученные по программе с шагом 2°. Из других способов меньшую погрешность обеспечивает 2-й способ (по усилению). AGT - тест сходимости моделирования Если воспользоваться предложенной программой для расчета КПД антенны без потерь, то результат будет тем ближе к единице, чем удачнее выполнено геометрическое моделирование структуры из проводов. Это относится, в частности, к сегментации, моделированию близко расположенных проводов, малых рамок и расположенных под острым углом соединений проводов. Такая проверка известна как AGT (Average Gain Test) или APG (Average Power Gain)-тест сходимости анализа по усредненному коэффициенту усиления. Качество моделирования следует считать неудовлетворительным, если результат выходит за пределы 0,95... 1,05. Чем лучше качество моделирования, тем ближе к единице результат. Однако могут быть ситуации, когда результат теста - ровно единица, а модель неудачна. AGT - проверка необходимая, но недостаточная. Хорошим признаком сходимости и устойчивости модели является слабая зависиместь параметров модели от увеличения количества сегментов (улучшения точности моделирования). Если имеющийся в программе AGT-тест применить к модели антенны с потерями, то результатом будет КПД антенны. Такая возможность, в частности, имеется в программе NEC2d, где выполняется также отдельно расчет КПД по методике (5) со всеми ее минусами. Расчет КПД с учетом влияния земли и окружения Расчет КПД антенны над идеальной землей полезен в тех случаях, когда антенная система находится настолько близко от поверхности земли или от другой, в частности проводящей поверхности, что эта поверхность оказывает существенное влияние на распределение токов по проводам и диаграмму направленности. В режиме "Идеальная земля" программа может обрабатывать файлы, полученные и в условиях реальной земли. Результатом обработки будет значение КПД, рассчитанное с учетом потерь не только в самой антенне, но и при отражении от неидеальной поверхности. Поэтому в сообщении "Идеальная (?) земля" стоит знак вопроса, предупреждающий о возможной ошибке, которую программа обнаружить не может. Расчет КПД над реальной землей даст более или менее верные результаты только для программ, учитывающих влияние земли на входной импеданс (этого не делают программы М IN IN ЕС и ее производные). Расчет КПД с учетом окружения возможен только при условии соответствующего (с учетом свойств материала) электромагнитного моделирования предметов, находящихся в ближнем поле антенны. Трудности могут возникнуть при невозможности задать для разных проводов разные параметры материала (как, например, в программе MMANA). Частично эта проблема может быть решена заданием значительно меньшего (или большего) диаметра провода. Заключение Рассмотренные в статье вопросы не затрагивают потерь в фидерных линиях и устройствах согласования. КПД антенно-фидерного устройства в целом есть произведение КПД антенны и КПД фидерной линии с устройством согласования. Применение описанной методики не ограничивается указанными программами. Погрешности определения КПД по методу вектора Пойнтинга связаны с качеством моделирования, а также с округлением данных в файле для дальнего поля. К сожалению, выходные данные после моделирования программой MMANA имеют невысокую точность. Есть надежда, что в новых версиях программы MMANA этот недостаток будет устранен, а разработчики новых программ моделирования антенн не забудут включить определение КПД в число решаемых задач с учетом высказанных здесь пожеланий. Литература
Авторы: А.Гречихин, И.Каретникова, Д.Проскуряков, г. Нижний Новгород
Чувства кота, ожидаюшего возвращения хозяина
16.07.2026 Целесообразность приема пробиотиков после курса антибиотиков
16.07.2026 Резкое похудение и возврат веса могут навредить сердцу
15.07.2026
▪ Бетон, работающий как аккумулятор ▪ 4К монитор Acer с поддержкой NVIDIA G-Sync ▪ Микроконтроллеры TI Hercules RM57Lx и TMS570LCx ▪ Лазер для лечения алкоголизма
▪ раздел сайта Узлы радиолюбительской техники. Подборка статей ▪ статья Эразм Роттердамский. Знаменитые афоризмы ▪ статья Ревень пальчатый. Легенды, выращивание, способы применения ▪ статья ТВЗ в ламповом УМЗЧ. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники
Главная страница | Библиотека | Статьи | Карта сайта | Отзывы о сайте
www.diagram.com.ua |
(3)
представляет плотность потока энергии излучения (Вт/м2) на данном расстоянии (R) в данном направлении (Θ, φ). Здесь Z0 = 120π (Ом) - волновое сопротивление свободного пространства; E(Θ, φ, R) - напряженность (В/м) электрической компоненты поля в данной точке.
Смотрите другие статьи раздела 
Последние новости науки и техники, новинки электроники: