Дослідження петльового вібратора в моделювальному комп’ютерному середовищі

Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.

Завдання роботи:

змоделювати й дослідити петльовий вібратор у моделювальному комп’ютерному середовищі.

Обладнання:

ПК з програмою MMANA-GAL.

Основні терміни та поняття

Антена

Теоретична частина

Якщо два півхвильових вібратора, один з яких розрізний, а другий – нерозрізний, розмістити на невеликій відстані та з’єднати між собою їхні кінці, то вийде так званий петльовий вібратор (рис. 1).

Рис. 1. Схема петльового вібратора

Діаграми спрямованості петльового та простого вібраторів практично не відрізняються. При паралельному з’єднанні двох простих вібраторів загальна індуктивність зменшується відповідно до формули:

, (1)

а ємність підсумовується. Відповідно, співвідношення L/C у петльового вібратора менше, ніж у простого, а смуга пропускання – ширше.

Для визначення опору випромінювання петльового вібратора скористаємося формулою:

, (2)

де РВ – потужність випромінювання;

І – антенний струм.

При паралельному з’єднанні двох однакових лінійних вібраторів, що утворюють петльовий вібратор, антенний струм розділяється на дві частини. Отже, за тієї самої потужності випромінювання антенний струм петльового вібратора дорівнює половині антенного струму простого лінійного вібратора, а формула для визначення опору випромінювання набуде вигляду:

. (3)

Отже, потужність випромінювання простого лінійного вібратора:

, (4)

а для петльового:

. (5)

Оскільки в обох випадках потужність випромінювання однакова, то

, (6)

тобто опір випромінювання петльового вібратора в чотири рази більший за опір випромінювання простого лінійного вібратора і має теоретичне значення 292 Ом.

Під час розрахунку довжини петльового вібратора так само, як і у випадку зі звичайним лінійним вібратором, використовують коефіцієнт вкорочення, який можна визначити за графіком на рис. 3 попередньої лабораторної роботи “Дослідження півхвильового вібратора в моделювальному комп’ютерному середовищі“. При цьому для визначення співвідношення λ/d використовують еквівалентний діаметр, що визначається за формулою:

, (7)

де е – відстань між проводами петльового вібратора.

У цій лабораторній роботі пропонується розрахувати вертикальний петльовий вібратор на задану частоту, змоделювати його в моделювальному комп’ютерному середовищі та дослідити залежність смуги його пропускання від відстані між проводами. Програма MMANA-GAL є вільно розповсюджуваним моделювальним комп’ютерним середовищем для розрахунку й моделювання антен.

Хід роботи

Перш ніж приступати до виконання цієї лабораторної роботи, рекомендуємо виконати попередню лабораторну роботу “Дослідження півхвильового вібратора в моделювальному комп’ютерному середовищі“.

  1. Підготуйте таблиці результатів.

Таблиця 1. Результати розрахунків та моделювання

F, МГц λ, м d, мм e, мм dекв, мм КВК l, м RA, Ом jXА, Ом КСХ Ga, dBi
100 10 80

Таблиця 2. Ширина смуги пропускання петльового вібратора залежно від відстані між його проводами

e, мм 80 100 150 200 250
dекв, мм
λ/d
КВК
l, м
F, МГц (КСХ ≤ 2)
F, % (КСХ ≤ 2)
  1. Розрахуйте довжину петльового вібратора.

2.1. За заданою частотою F = 100 МГц розрахуйте довжину хвилі за формулою:

, (8)

де с – швидкість світла. с = 3·108 м/с.

2.2. За заданими діаметром d = 10 мм і відстанню між проводами е = 80 мм  визначте еквівалентний діаметр dекв за формулою (7).

2.3. Визначте співвідношення λ/d, підставивши як d значення еквівалентного діаметра.

2.4. За номограмою на рис. 3 попередньої лабораторної роботи визначте приблизне значення коефіцієнта вкорочення вібратора.

2.5. Розрахуйте довжину петльового вібратора з урахуванням коефіцієнта вкорочення.

  1. Змоделюйте вібратор у MMANA-GAL.

3.1. Відкрийте програму MMANA-GAL і перейдіть у вікно «Geometry».

3.2. У полі «Freq» введіть задану частоту в МГц.

3.3. У таблиці «Wires» введіть координати початку X1, Y1, Z1 та кінця X2, Y2, Z2 чотирьох елементів (проводів) вібратора у м. У графі R(mm) введіть радіус дротів у мм.

3.4. 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. 2. Приклад заповнення вкладинки «Geometry»

3.5. Перейдіть у вкладинку «View» та переконайтеся, що вигляд антени відповідає вертикальному петльовому вібратору з живленням у центрі одного з проводів (рис 3).

Рис. 3. Вигляд моделі петльового вібратора

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

3.7. Зайдіть у меню Setup – Setup. У вікні, що з’явилося, в таблиці «Standard Z (SWR = 1)» оберіть значення R = 300 Ом, натисніть ОК.

3.8. Унизу зліва натисніть кнопку «Start». У таблиці мають з’явитися результати розрахунків.

3.9. Перейдіть у вкладинку «Far field plots».

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

  1. Дослідіть залежність ширини смуги пропускання від відстані між проводами петльового вібратора.

4.1. Поверніться у вкладинку «Calculate» і натисніть унизу кнопку «Plots» (графіки). У вікні, що з’явилося, встановіть ширину смуги BW 30000 KHz (30 MHz).

4.2. Натисніть «Z», а потім – «Detailed». Мають з’явитися графіки залежності активного й реактивного опорів антени від частоти.

4.3. Натисніть «SWR». Має з’явитися графік залежності КСХ від частоти. З отриманого графіка зчитайте значення ширини смуги, що відповідає КСХ < 2 (рис. 4), переведіть його у MHz і запишіть до таблиці 2.

Рис. 4. Графік залежності КСХ від частоти

4.4. Розрахуйте еквівалентний діаметр і значення λ/d та визначте за номограмою на рис. 3 попередньої лабораторної роботи КВК для решти значень відстані між проводами петльового вібратора, занесіть їх до таблиці 2.

4.5. Розрахуйте довжини вібратора для решти значень відстані між проводами та занесіть їх до таблиці 2.

4.6. Перейдіть у вкладинку «Geometry» та введіть до таблиці координати початку й кінця проводів для наступного значення відстані між проводами відповідно до результатів розрахунків.

4.7. Перейдіть у вкладинку «Calculate» і натисніть «Start».

4.8. Повторіть кроки 4.1–4.3.

4.9. Повторіть кроки 4.6–4.8 для решти значень відстані між проводами петльового вібратора.

Аналіз даних

  1. Побудуйте графік залежності ширини смуги петльового вібратора за критерієм КСХ < 2 від співвідношення λ/d.
  2. Зробіть висновки щодо смуги пропускання петльового вібратора порівняно з лінійним.