Encyklopedia radioelektroniki i elektrotechniki / Cywilna łączność radiowa

 Komentarze do artykułu

Artykuł zawiera opis porównawczy niektórych podejść do oceny współczynnika efektywności (COP) anten i systemów antenowych na podstawie wyników komputerowej symulacji elektromagnetycznej z uwzględnieniem strat. Pokazano możliwości obliczania sprawności anteny za pomocą programu MMANA oraz podano opis programu do obliczania sprawności na podstawie wyników symulacji.

Wprowadzenie

Modelowanie komputerowe zapewnia przydatne możliwości oceny wydajności istniejących anten i przewidywania wydajności opracowywanych anten. Jeżeli w procesie promieniowania uczestniczą obiekty najbliższego otoczenia anteny (podpory, zastrzały, dach), to można oszacować wpływ tych obiektów, czyli sprawność całego systemu antenowego. Oszacowanie wydajności jest szczególnie interesujące w przypadku elektrycznie małych anten (ESA) ze względu na trudność uzyskania wysokiej wydajności przy małej wielkości fali (tj. Wyrażonej w ułamkach długości fali)

Najbardziej ogólną definicją sprawności jest stosunek mocy promieniowania P∑ do mocy wzbudzenia PE w trybie transmisji:

gdzie PL jest stratą mocy w materiałach przewodników i dielektryków anteny. Z zasady wzajemności wynika, że ​​w trybie odbioru skuteczność anteny jest taka sama jak w trybie nadawania.

Inną definicją sprawności (według równoważnika obwodu) jest stosunek rezystancji promieniowania R∑, zredukowanej do punktu podłączenia anteny, do czynnej części impedancji wejściowej (impedancji) RA, która jest sumą R∑ i strat równoważnych rezystancja RL:

Metody obliczania wydajności w symulacji

1. Wykorzystanie danych dotyczących mocy napędu i utraty mocy

Moc wzbudzenia (moc dostarczana do anteny) PE można łatwo obliczyć z wyników symulacji:

(3)

gdzie lE jest efektywną (efektywną) wartością prądu wzbudzenia.

Jeżeli znając prądy In i składowe czynne Rn impedancji wszystkich poszczególnych segmentów anteny, obliczyć straty mocy

wtedy możesz uzyskać moc promieniowania jako różnicę między mocą wzbudzenia a mocą strat:

Wydajność oblicza się według wzoru (1).

Metoda jest mało przydatna do oceny małej sprawności (kilka procent lub mniej), zwłaszcza gdy błędy wyznaczania mocy strat i mocy wzbudzenia są duże. Często uzyskuje się ujemne wartości P∑, a co za tym idzie wydajność (na przykład w programie NEC2d).

2. Analityczne obliczenie rezystancji promieniowania lub jej wyznaczenie poprzez analizę modelu idealnej anteny bez uwzględnienia strat

W przypadku prostych anten rezystancję promieniowania można obliczyć za pomocą znanych wzorów lub uzyskać modelując idealną antenę. Jest to lepsze niż posiadanie go jako różnicy między bardzo bliskimi liczbami uzyskanymi z dużymi błędami.

Sprawność oblicza się według wzoru (2). Należy pamiętać, że w niektórych przypadkach rozkład prądu, a co za tym idzie zmniejszona rezystancja promieniowania, silnie zależy od strat, a wzór (2) przy wyznaczaniu R∑ przez modelowanie idealnej struktury może dawać sprawność z dużym błędem (np. uzyskamy wydajność większą od jedności). Dzieje się tak na przykład podczas modelowania dipola o długości jednej długości fali.

3. Porównanie maksymalnych wartości wzmocnienia anteny rzeczywistej i anteny bezstratnej o podobnej konstrukcji

Maksymalny zysk anteny, jak wiadomo, jest powiązany z maksymalnym współczynnikiem kierunkowości (DFA) Dmax poprzez wydajność:

Stąd wydajność uzyskuje się bezpośrednio, jeśli istnieje pewność, że kształt charakterystyki promieniowania (RP) bez uwzględnienia strat jest podobny do kształtu RP rzeczywistej anteny.

Wartość uzyskuje się w wyniku modelowania idealnej anteny o sprawności jednostkowej (η = 1).

Przy określaniu sprawności z zależności (6) Gmax i Dmax muszą być wyrażone w jednostkach względnych, a nie w decybelach. Aby przejść od decybeli do stosunków rozważanych wielkości, stosuje się wzory

Możesz również znaleźć wartość wydajności z wyników analizy bezpośrednio w decybelach:

Jeśli system antenowy zawiera przewody o znacznie różnych średnicach lub z różnych materiałów, wówczas charakterystyki promieniowania anten stratnych i bezstratnych mogą znacznie różnić się kształtem, a ta metoda również prowadzi do błędów.

4. Wykorzystanie danych o mocy wejściowej i wyznaczenie mocy promieniowania metodą wektorową Poyntinga

Najlepszą i najbardziej uniwersalną metodą obliczania mocy promieniowania dowolnej anteny jest metoda wektorowa Poyntinga [1].

Rozważ tryb działania anteny w wolnej przestrzeni (ryc. 1).

Jak wiesz, wektor Poyntinga P jest iloczynem wektorowym składowych elektrycznych E i magnetycznych H pola elektromagnetycznego

Jego kierunek w każdym punkcie M dalekiej strefy pokrywa się z kierunkiem promieniowania fal radiowych i jego wartością reprezentuje gęstość strumienia energii promieniowania (W/m2) w danej odległości (R) w zadanym kierunku (Θ, φ). Tutaj Z0 = 120π (Ohm) jest impedancją falową wolnej przestrzeni; E(Θ, φ, R) - natężenie (V/m) składowej pola elektrycznego w danym punkcie.

Na kuli o promieniu R, w pobliżu punktu M, wyróżniamy obszar ograniczony małymi przyrostami ΔΘ i Δφ (rys. 1). Jego pole jest określone z wyrażenia

Moc promieniowania przez tę podkładkę

Dzieląc całą kulę na odpowiednio dużą liczbę małych obszarów i sumując moce promieniowania przechodzące przez wszystkie obszary, można uzyskać wartość bardzo zbliżoną do mocy promieniowania anteny na całej powierzchni kuli:

Tutaj M jest liczbą kroków wzdłuż współrzędnej φ; N to liczba kroków wzdłuż współrzędnej Θ. Jeśli wykonamy te same kroki A w stopniach w Θ i φ, to otrzymamy М = 360/Δ i N = 180/Δ. Dla wolnej przestrzeni wartość promienia R tej powierzchni nie ma znaczenia.

Obliczając moc dostarczoną do anteny według wzoru (3) otrzymujemy sprawność tj. (1). Wadą tej metody jest to, że w rzeczywistych warunkach wynik zależy od strat w ośrodku propagacyjnym. W modelowaniu można to obejść, wykorzystując wolną przestrzeń lub idealne warunki gruntowe. Zauważ, że dla idealnej ziemi konieczne jest uwzględnienie nie całej kuli, ale tylko górnej półkuli i N = 90/Δ.

Specyfika obliczania wydajności na podstawie wyników programu MMANA

Obliczenia zgodnie z ust. 2 i 3 jest możliwe z powyższymi zastrzeżeniami bezpośrednio z wyników analizy anteny stratnej i anteny bezstratnej. Jedyny warunek: tryb wolnej przestrzeni lub idealnej ziemi.

MMANA nie pozwala na wyświetlanie impedancji poszczególnych segmentów do analizy. To sprawia, że ​​pierwsza ścieżka (pozycja 1), która ma poważne wady, jest niedostępna.

Nie są również wyświetlane wartości siły pola dalekiego, które mogłyby posłużyć do obliczenia mocy promieniowania metodą wektorową Poyntinga. Tabele wyników podają zysk w decybelach GA(Θ, φ) (dBi) w danym kierunku dla danej anteny względem idealnego promiennika izotropowego przy tej samej mocy wejściowej. Jest to jednak nadal wystarczające do określenia wydajności. I nawet według prostszego algorytmu niż według (12), (3), (1):

Tutaj i poniżej wartości GA(Θ, φ) muszą być w jednostkach względnych:

Zgodnie z algorytmem (13) skompilowano program do obliczania sprawności anteny.

Program do obliczania wydajności anteny

Program do obliczania sprawności anteny na podstawie wyników analizy w programie MMANA napisany jest w Turbo Basic i jest dostępny na stronie magazynu Radio. Plik kpdmm.exe jest umieszczany w dowolnym katalogu i uruchamiany w systemie MS DOS lub MS Windows bez specjalnej instalacji.

Program wykorzystuje plik w postaci nazwa.csv, który jest tworzony przez program MMANA poprzez wybranie "Kąt/Tabela zbrojenia" z menu "Plik". Wydajność można obliczyć po analizie w trybie wolnej przestrzeni lub w trybie idealnego gruntu. Kroki dla kątów azymutu i zenitu są ustawione tak samo. Program udostępnia tylko dwie możliwe wartości kroku: 2° lub 10°. Do szacunkowych obliczeń zalecany jest krok 10°, a do dokładnych obliczeń krok 2°. (Dalsza redukcja krokowa w przypadku programu MMANA nie prowadzi do znacznej poprawy dokładności, ale wymaga dużej ilości pamięci i znacznie spowalnia proces obliczeń.) Tabela 1 pokazuje obowiązkowe wartości kątów początkowych , krok i liczbę stopni w rogach dla wszystkich czterech możliwych sytuacji.

Zaraz po uruchomieniu program prosi o wybór języka roboczego dialogu: rosyjski (kodowanie DOS 866) lub angielski. Następnie musisz określić, w jakim trybie przeprowadzono analizę anteny w MMANA (wolna przestrzeń lub idealna masa). Błędne wskazanie trybu wraz z błędnym wprowadzeniem danych do tablicy może nie zostać wykryte przez program i spowodować istotny błąd w obliczeniu sprawności. Następnie wprowadź nazwę pliku zawierającego tabelę "Kąty/zbrojenie". Nazwa pliku nie może zawierać więcej niż osiem znaków bez cyrylicy. Jeśli plik nie znajduje się w katalogu roboczym, musisz podać ścieżkę do niego. Program wykrywa błędnie podane pliki, a także błędy we wprowadzaniu danych początkowych (niespójność danych w tabeli 1) i wystawia odpowiedni komentarz. Jeśli plik lub jego ścieżka nie zostaną znalezione, zostanie wyświetlony komunikat. Jeśli wprowadzenie się powiedzie, po przetworzeniu pliku zostanie wyświetlony wynik obliczenia wydajności w jednostkach względnych oraz w procentach.

Porównanie i ocena metod obliczania wydajności po symulacji programem MMANA

W tabeli 2 przedstawiono wyniki obliczeń sprawności metodami omówionymi powyżej dla niektórych modeli anten z archiwum MMANA wykonanych z materiału bezstratnego, dobrego przewodnika i żelaza.

Model 1 miał kształty i wzorce rozkładu prądu odporne na straty. Dlatego wyniki obliczeń wydajności wszystkimi metodami praktycznie się pokrywają.

W przypadku modelu 2 zauważalną różnicę mamy tylko dla żelaza według pierwszej metody. Powodem jest znaczna zmiana prądów w przewodzie, w którym włączone jest źródło wzbudzenia.

Trzeci model, w przeciwieństwie do oryginału, miał 10-krotnie mniejszą grubość wibratorów pasywnych. To znacznie wpłynęło zarówno na rozkład prądu, jak i charakterystykę promieniowania, zwłaszcza w przypadku żelaza. W związku z tym występują znaczne odchylenia wyników dla dwóch pierwszych metod od trzeciej.

Wzór kierunkowy czwartego modelu okazał się mocno postrzępiony pod wpływem idealnej ziemi, więc istniała różnica nawet między wynikami programu uzyskanymi przy różnych skokach kątowych.

Najbardziej wiarygodne są wyniki uzyskane przez program z krokiem 2°. Spośród innych metod druga metoda (poprzez amplifikację) zapewnia mniejszy błąd.

AGT - symulacyjny test zbieżności

Jeżeli wykorzystamy proponowany program do obliczenia sprawności anteny bez strat, to wynik będzie im bliższy jedności, tym skuteczniejsze będzie modelowanie geometryczne struktury przewodu. Dotyczy to w szczególności segmentacji, modelowania blisko rozmieszczonych przewodów, małych ramek oraz połączeń przewodów pod ostrymi kątami. Ten test jest znany jako test AGT (Test średniego wzmocnienia) lub APG (Average Power Gain) testu zbieżności analizy przez średnie wzmocnienie. Jakość modelowania należy uznać za niezadowalającą, jeśli wynik nie mieści się w granicach 0,95…1,05. Im lepsza jakość symulacji, tym wynik jest bliższy jedności. Mogą jednak wystąpić sytuacje, w których wynik testu jest dokładnie jeden, a model zawiedzie. AGT - weryfikacja jest konieczna, ale niewystarczająca. Dobrą oznaką zbieżności i stabilności modelu jest słaba zależność parametrów modelu od zwiększania liczby segmentów (poprawa dokładności symulacji).

Jeśli test AGT dostępny w programie zostanie zastosowany do stratnego modelu anteny, wynikiem będzie wydajność anteny. Taka możliwość jest w szczególności dostępna w programie NEC2d, w którym osobno obliczany jest również współczynnik sprawności według metody (5) ze wszystkimi jej minusami.

Obliczenia sprawności z uwzględnieniem wpływu ziemi i środowiska

Obliczanie wydajności anteny na idealnym podłożu jest przydatne, gdy system antenowy znajduje się tak blisko ziemi lub innej powierzchni, takiej jak powierzchnia przewodząca, że ​​powierzchnia ta ma znaczący wpływ na rozkład prądów w przewodach i charakterystykę promieniowania .

W trybie „Idealny grunt” program może przetwarzać pliki uzyskane w rzeczywistych warunkach gruntowych. Wynikiem przetwarzania będzie wartość sprawności obliczona z uwzględnieniem strat nie tylko w samej antenie, ale także przy odbiciu od nieidealnej powierzchni. Dlatego w komunikacie „Perfect (?) Ground” pojawia się znak zapytania ostrzegający o możliwym błędzie, którego program nie może wykryć. Obliczenie sprawności względem masy rzeczywistej da mniej lub bardziej poprawne wyniki tylko dla programów uwzględniających wpływ masy na impedancję wejściową (nie robią tego programy M IN IN EC i jego pochodne).

Obliczenie sprawności z uwzględnieniem środowiska jest możliwe tylko pod warunkiem odpowiedniego (z uwzględnieniem właściwości materiału) modelowania elektromagnetycznego obiektów znajdujących się w polu bliskim anteny. Trudności mogą pojawić się w przypadku braku możliwości ustawienia różnych parametrów materiału dla różnych drutów (jak np. w programie MMANA). Problem ten można częściowo rozwiązać, określając znacznie mniejszą (lub większą) średnicę drutu.

wniosek

Zagadnienia omówione w artykule nie mają wpływu na straty w liniach zasilających i urządzeniach dopasowujących. Sprawność urządzenia antenowo-zasilającego jako całości jest iloczynem sprawności anteny i sprawności linii zasilającej wraz z urządzeniem dopasowującym.

Zastosowanie opisanej metodologii nie ogranicza się do tych programów. Błędy w wyznaczaniu wydajności metodą wektorową Poyntinga związane są z jakością symulacji, jak również z zaokrągleniem danych w pliku dla pola dalekiego. Niestety dane wyjściowe po symulacji przez program MMANA nie są zbyt dokładne. Należy mieć nadzieję, że w nowych wersjach programu MMANA ta wada zostanie wyeliminowana, a twórcy nowych programów do modelowania anten nie zapomną o uwzględnieniu wyznaczania wydajności wśród zadań do rozwiązania, biorąc pod uwagę wyrażone tutaj życzenia.

literatura

1. Markow GT, Sazonov D.M. Anteny. - M.: Energia, 1975.
2. Gonczarenko I.V. Modelowanie komputerowe anten. Wszystko o programie MMANA. - M.: IP RadioSoft, Czasopismo „Radio”, 2002.

Autorzy: A. Grechikhin, I. Karetnikova, D. Proskuryakov, Niżny Nowogród

Zobacz inne artykuły Sekcja Cywilna łączność radiowa.

Czytaj i pisz przydatne komentarze do tego artykułu.

<< Wstecz

<< Wstecz

Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:

Pułapka powietrzna na owady 01.05.2024

Rolnictwo jest jednym z kluczowych sektorów gospodarki, a zwalczanie szkodników stanowi integralną część tego procesu. Zespół naukowców z Indyjskiej Rady Badań Rolniczych i Centralnego Instytutu Badań nad Ziemniakami (ICAR-CPRI) w Shimla wymyślił innowacyjne rozwiązanie tego problemu – napędzaną wiatrem pułapkę powietrzną na owady. Urządzenie to eliminuje niedociągnięcia tradycyjnych metod zwalczania szkodników, dostarczając dane dotyczące populacji owadów w czasie rzeczywistym. Pułapka zasilana jest w całości energią wiatru, co czyni ją rozwiązaniem przyjaznym dla środowiska i niewymagającym zasilania. Jego unikalna konstrukcja umożliwia monitorowanie zarówno szkodliwych, jak i pożytecznych owadów, zapewniając pełny przegląd populacji na każdym obszarze rolniczym. „Oceniając docelowe szkodniki we właściwym czasie, możemy podjąć niezbędne środki w celu zwalczania zarówno szkodników, jak i chorób” – mówi Kapil ... >>

Zagrożenie śmieciami kosmicznymi dla ziemskiego pola magnetycznego 01.05.2024

Coraz częściej słyszymy o wzroście ilości śmieci kosmicznych otaczających naszą planetę. Jednak do tego problemu przyczyniają się nie tylko aktywne satelity i statki kosmiczne, ale także pozostałości po starych misjach. Rosnąca liczba satelitów wystrzeliwanych przez firmy takie jak SpaceX stwarza nie tylko szanse dla rozwoju Internetu, ale także poważne zagrożenia dla bezpieczeństwa kosmicznego. Eksperci zwracają obecnie uwagę na potencjalne konsekwencje dla ziemskiego pola magnetycznego. Dr Jonathan McDowell z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics podkreśla, że ​​firmy szybko wdrażają konstelacje satelitów, a liczba satelitów może wzrosnąć do 100 000 w następnej dekadzie. Szybki rozwój tych kosmicznych armad satelitów może prowadzić do skażenia środowiska plazmowego Ziemi niebezpiecznymi śmieciami i zagrożenia dla stabilności magnetosfery. Metalowe odłamki ze zużytych rakiet mogą zakłócać jonosferę i magnetosferę. Oba te systemy odgrywają kluczową rolę w ochronie i utrzymaniu atmosfery ... >>

Zestalanie substancji sypkich 30.04.2024

W świecie nauki istnieje wiele tajemnic, a jedną z nich jest dziwne zachowanie materiałów sypkich. Mogą zachowywać się jak ciało stałe, ale nagle zamieniają się w płynącą ciecz. Zjawisko to przyciągnęło uwagę wielu badaczy i być może w końcu jesteśmy coraz bliżej rozwiązania tej zagadki. Wyobraź sobie piasek w klepsydrze. Zwykle przepływa swobodnie, ale w niektórych przypadkach jego cząsteczki zaczynają się zatykać, zamieniając się z cieczy w ciało stałe. To przejście ma ważne implikacje dla wielu dziedzin, od produkcji leków po budownictwo. Naukowcy z USA podjęli próbę opisania tego zjawiska i zbliżenia się do jego zrozumienia. W badaniu naukowcy przeprowadzili symulacje w laboratorium, wykorzystując dane z worków z kulkami polistyrenowymi. Odkryli, że wibracje w tych zbiorach mają określone częstotliwości, co oznacza, że ​​tylko określone rodzaje wibracji mogą przemieszczać się przez materiał. Otrzymane ... >>

Przypadkowe wiadomości z Archiwum Ośrodki przyjemności wspomagają układ odpornościowy 18.07.2016 Poczucie przyjemności, poczucie zadowolenia z wykonanej pracy, z jedzenia, z seksu itp. rodzi się w systemie wzmacniania mózgu - tak nazywa się zespół połączonych ze sobą ośrodków nerwowych, które obejmują zarówno pewne obszary kora i obszary podkorowe. System wzmocnień w dużej mierze determinuje motywację do działania, skłania nas do dążenia do wyznaczonych celów oraz pomaga zaplanować działania, aby te cele osiągnąć. Wiadomo, że efekt placebo też jest z tym w jakiś sposób związany: kiedy człowiek bierze lekarstwo, jego system wzmacniania działa – podobno przez to, że czujemy, że jesteśmy leczeni i wszystko idzie tak, jak powinno. Sztuczka polega na tym, że ta sama reakcja zachodzi w odpowiedzi na obojętną pigułkę, która jest udawana jako prawdziwy lek. Ale efekt placebo czasami naprawdę pomaga w chorobie. Może chodzi o sygnał z nerwowych ośrodków przyjemności? Trzeba tylko zrozumieć, dokąd przemieszcza się z mózgu i jaki konkretny efekt ma. Jednym z kluczowych działów systemu wzmacniającego jest brzuszny obszar nakrywki, który jest częścią śródmózgowia. Asya Rolls i jej koledzy z Technion Institute of Technology w Izraelu pobudzili neurony w brzusznym obszarze nakrywki myszy, a następnie pobrali od tych myszy komórki odpornościowe i dodali do nich patogenne szczepy E. coli. Okazało się, że komórki odpornościowe, po aktywacji układu wzmacniającego, są dwukrotnie skuteczniejsze w zabijaniu drobnoustrojów: zarówno samodzielnie, w postaci hodowli komórkowej, jak i gdy dostaną się do organizmu innych myszy, u których nic w mózgu był stymulowany. Dalsze eksperymenty wykazały, że brzuszny obszar nakrywki wpływa na odporność poprzez współczulny układ nerwowy. Tak nazywa się oddział autonomicznego (lub autonomicznego) układu nerwowego, którego zadaniem jest utrzymanie pracy narządów wewnętrznych w trybie autonomicznym z mózgu (sam mózg, jeśli zajdzie taka potrzeba, może zakłócić pracę autonomicznego układu nerwowego). Jednym z zadań działu współczulnego jest reakcja na każdy stres, mobilizuje siły organizmu do energicznej aktywności, zwiększa metabolizm itp. Z drugiej strony stres wiąże się z niebezpieczeństwem: istnieje wysokie ryzyko kontuzji i infekcji, więc logiczne jest, że ośrodki nerwu współczulnego również aktywują układ odpornościowy. A co z systemem zbrojenia? Biorąc pod uwagę, że czuje, kiedy dana osoba ma jakąś przyjemność, czy to z jedzeniem, czy z kontaktem seksualnym. Ale oba są również związane z ryzykiem infekcji.

Inne ciekawe wiadomości:

▪ Telewizor Philips 55PUS9109 na Androida

▪ Zwiększona wydajność paneli grafenowych

▪ Technologia opracowana do wydobywania wody z księżyca

▪ Cement dobrze wchłania dwutlenek węgla

▪ Znalazłem najzimniejsze miejsce w Układzie Słonecznym

Wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika

Ciekawe materiały z bezpłatnej biblioteki technicznej:

▪ sekcja witryny Iluzje wizualne. Wybór artykułów

▪ artykuł René Descartes. Biografia naukowca

▪ Jakie były przyczyny upadku imperium Karola Wielkiego? Szczegółowa odpowiedź

▪ artykuł Ziziphorusa Bunge. Legendy, uprawa, metody aplikacji

▪ artykuł Kompaktowa stacja radiowa na 1215-1300 MHz. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki

▪ artykuł Stopień buforowy dla wyjścia liniowego. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki

Zostaw swój komentarz do tego artykułu:

Wszystkie języki tej strony

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

Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn

www.diagram.com.ua
2000-2024