Дослідження багатоелементної антени в моделювальному комп’ютерному середовищі

Завдання роботи:

змоделювати та дослідити багатоелементну антену «Хвильовий канал» у моделювальному комп’ютерному середовищі.

Обладнання:

ПК з програмою MMANA-GAL.

Основні терміни та поняття

Антена Хвильовий канал

Теоретична частина

1. Основні відомості. Півхвильовий вібратор з одним пасивним елементом.

Півхвильовий вібратор може бути перетвореним на двоелементну спрямовану антену шляхом додавання до неї рефлектора або директора на відстані в межах λ/4.

Рефлектор – це провід, який має довжину, більшу за довжину активного вібратора, а директор – меншу. Директор і рефлектор електрично не зв’язані ні з активним вібратором, ні з передавачем (приймачем). Такі елементи антени називаються пасивними. Антени, що використовують декілька пасивних елементів, були описані у 1926 р. японцями С. Уда та Х. Ягі й отримали розповсюдження під назвами «Уда – Ягі» або «хвильовий канал».

Розглянемо систему, що складається з активного вібратора та пасивного рефлектора, відстань між якими дорівнює λ/4 (рис. 1). Електромагнітна хвиля від активного вібратора до рефлектора проходить відстань λ/4, завдяки чому чого утворюється відставання за фазою на 90º. ЕРС, що наводиться в рефлекторі, відстає ще на 90º від електромагнітного поля, яке її утворює, що витікає з закону про електромагнітну індукцію Фарадея. Оскільки довжина рефлектора більша за довжину активного вібратора, його реактивний опір jX_А > 0 та має індуктивний характер, а струм у ньому відстає від ЕРС ще на 90º. Отже, струм у рефлекторі відстає від струму в активному вібраторі на 270º, що еквівалентно випередженню на 90º. Електромагнітні поля активного вібратора й рефлектора в напрямку від рефлектора до вібратора додаються з однаковими фазами, а в напрямку від вібратора до рефлектора – зі зсувом за фазою 180º, тобто у протифазі. Через це випромінювання такої двоелементної антени має спрямований характер.

Як було зазначено вище, двоелементна спрямована антена може бути утворена також шляхом додавання до півхвильового активного вібратора пасивного директора (рис. 2). У такому випадку електромагнітна хвиля від активного вібратора до директора також проходить відстань λ/4 з утворенням відставання за фазою 90º. ЕРС, що наводиться в директорі, також відстає ще на 90º від електромагнітного поля, яке її утворює. Довжина директора менша за довжину активного вібратора, тому його реактивний опір jXА < 0 та має ємнісний характер, а струм у ньому випереджає ЕРС на 90º. Отже, струм в активному вібраторі випереджає струм у директорі на 90º. Електромагнітні поля активного вібратора й директора в напрямку від вібратора до директора додаються з однаковими фазами, а в напрямку від директора до вібратора – зі зсувом за фазою 180º, тобто у протифазі. Через це випромінювання такої двоелементної антени також має спрямований характер.

Рис. 1. Півхвильовий вібратор з рефлектором

Рис. 2. Півхвильовий вібратор з директором

Коефіцієнт посилення двоелементної антени залежить від відстані між активним вібратором і пасивним елементом. Також від цієї відстані та довжини пасивного елемента залежать вхідний опір антени та резонансна довжина активного вібратора. На практиці відстань між активним вібратором та рефлектором зазвичай обирається в межах 0,1…0,25 λ, а між активним вібратором і директором – в межах 0,1…0,15 λ. Коефіцієнт посилення двоелементних антен становить у середньому 5 дБ.

2. Півхвильовий вібратор з кількома пасивними елементами.

Півхвильовий вібратор може використовуватися у складі не лише двоелементних, а й багатоелементних антен. Трьохелементна антена (рис. 3) зазвичай має один рефлектор і один директор.

Рис. 3. Півхвильовий вібратор з рефлектором та директором

Антени з кількістю елементів більше трьох зазвичай мають один рефлектор і декілька директорів.

Коефіцієнт посилення трьохелементної антени зазвичай перебуває в межах 6…7 дБ.

У міру додавання директорів коефіцієнт посилення антени зростає. Приблизна залежність коефіцієнта посилення багатоелементної антени відносно півхвильового вібратора, який можливо реалізувати, від кількості елементів N представлена на рисунку 4.

Слід зауважити, що залежність, графік якої представлено на рис. 4, справедлива лише за умови, що разом зі збільшенням кількості елементів збільшується й довжина антени, а відстань між елементами є оптимальною.

 Рис. 4. Залежність коефіцієнта посилення багатоелементної антени від кількості елементів

Збільшення кількості елементів за незмінної загальної довжини багатоелементної антени практично не приводить до зростання коефіцієнту посилення, але збільшує смугу її пропускання.

На практиці кількість пасивних елементів, їхні розміри та розміщення добирають так, щоб окрім потрібного посилення забезпечити потрібну ширину смуги та прийнятні значення КСХ у цій смузі.

Сучасні комп’ютерні програми дають змогу оптимізувати відстань між елементами та довжину пасивних елементів для досягнення максимального коефіцієнта посилення за нормального узгодження антени з фідером.

У цій лабораторній роботі пропонується змоделювати дві антени типу «Хвильовий канал» з трьома та шістьма елементами й дослідити зміну коефіцієнта посилення та співвідношення F/B при переході від трьох до шести елементів. Креслення шестиелементної антени представлено на рис. 5. Трьохелементна антена утворюється простим виключенням останніх трьох директорів.

Запропонована антена є широкосмуговою та розрахована на діапазон, що охоплює частоти 868 та 915 МГц.

Рис. 5. Шестиелементна антена «Хвильовий канал» на діапазон 868/915 МГц

Хід роботи

Перш ніж приступати до виконання цієї лабораторної роботи, рекомендується виконати роботу «Дослідження півхвильового вібратора в моделювальному комп’ютерному середовищі».

1. Підготуйте таблицю результатів.

Таблиця 1. Результати моделювання

2.  Змоделюйте трьохелементну антену.

2.1. Відкрийте програму MMANA-GAL та перейдіть у вікно «Geometry».

2.2. У полі «Freq» введіть частоту 892 МГц.

2.3. У таблиці «Wires» введіть координати початку X1, Y1, Z1 та кінця X2, Y2, Z2 трьох елементів (проводів) антени у м. У графі R(mm) введіть радіус дротів у мм. Активний вібратор – радіус 3 мм, пасивні елементи – радіус 1,7 мм.

2.4. У нижній лівій таблиці «Sources» у графі «PULSE» введіть «w1c» і натисніть Enter.

Позначення «w1c» означає, що джерело сигналу розташоване в центрі першого проводу. «w1b» – джерело сигналу розташоване на початку першого проводу; «w1e» – джерело сигналу розташоване в кінці першого проводу.

Рис. 6. Приклад заповнення вкладинки «Geometry»

2.5. Перейдіть у вкладинку «View» та переконайтеся, що вигляд антени відповідає трьохелементному «хвильовому каналу» з вертикальною поляризацією (рис. 7).

Рис. 7. Вигляд моделі трьохелементної антени «Хвильовий канал»

2.6. Перейдіть у вкладинку «Calculate» і в таблиці «Ground» обреріть Free space (вільний простір).

2.7. Зайдіть у меню Setup – Setup. У вікні, що з’явилося, в таблиці «Standard Z (SWR = 1)» оберіть значення R = 50 Ом, натисніть ОК.

2.8. Унизу зліва натисніть кнопку «Start». У таблиці мають з’явитися результати розрахунків. Занесіть результати розрахунків до таблиці результатів.

2.9. Перейдіть у вкладинку «Far field plots».

2.10. Унизу натисніть кнопку «3D FF». У вікні, що з’явилося, внизу зліва натисніть ОК. Порівняйте отриману тривимірну діаграму спрямованості з зображеною на рис. 4 першої лабораторної роботи.

2.11. Закрийте вікно 3D FF і поверніться у вкладинку «Calculate».

2.12. У графі Freq введіть частоту 868 МГц і внизу зліва натисніть кнопку «Start».

2.13. Занесіть результати розрахунків для частоти 868 МГц до таблиці результатів.

2.14. У графі Freq введіть частоту 915 МГц і натисніть кнопку «Start».

2.15. Занесіть результати розрахунків для частоти 915 МГц до таблиці результатів.

2.16. Збережіть файл трьохелементної антени.

3. Змоделюйте шестиелементну антену.

3.1. Зайдіть у меню File – Save as…(*.maa) та збережіть ще один файл під іншим іменем для шестиелементної антени.

3.2. Поверніться у вкладинку «Geometry» та введіть координати початку X1, Y1, Z1 і кінця X2, Y2, Z2 ще трьох директорів антени у м. У графі R(mm) введіть радіус елементів 1,7 мм.

Рис. 8. Приклад заповнення вкладинки «Geometry» для шестиелементної антени

3.3. Перейдіть у вкладинку «View» та переконайтеся, що вигляд антени відповідає шестиелементному «хвильовому каналу» вертикальної поляризації (рис. 9).

Рис. 9. Вигляд моделі шестиелементної антени «Хвильовий канал»

3.4. Перейдіть у вкладинку «Calculate» і натисніть кнопку «Start». У таблиці мають з’явитися результати розрахунків. Занесіть результати розрахунків до таблиці результатів.

3.5. Перейдіть у вкладинку «Far field plots».

3.6. Унизу натисніть кнопку «3D FF». У вікні, що з’явилося, внизу зліва натисніть ОК. Порівняйте отриману тривимірну діаграму спрямованості з діаграмою спрямованості трьохелементної антени.

3.7. Закрийте вікно 3D FF і поверніться у вкладинку «Calculate».

3.8. У графі Freq введіть частоту 868 МГц і внизу зліва натисніть кнопку «Start».

3.9. Занесіть результати розрахунків для частоти 868 МГц до таблиці результатів.

3.10. У графі Freq введіть частоту 915 МГц і натисніть кнопку «Start».

3.11. Занесіть результати розрахунків для частоти 915 МГц до таблиці результатів.

3.12. Збережіть зміни у файлі шестиелементної антени.

Аналіз даних

1. Зробіть висновки щодо властивостей багатоелементних антен типу «Хвильовий канал» залежно від кількості елементів.
2. Порівняйте результати визначення коефіцієнта посилення з даними рис. 4.