Расчет антенн в программе MMANA-GAL

 

MMANA – это программа моделирования антенн, работающая в среде Windows. Вычислительной основой MMANA (так же как и многих коммерческих программ моделирования) является программа MININEC Ver.3, которая была создана для целей американских ВМС в Washington Research Institute.

Программа позволяет:

• Создавать и редактировать описания антенны как заданием координат, так и мышкой. Кто хоть раз набивал вручную длинные ряды цифр, описывающих координаты каждого провода в трехмерном пространстве, поймет, какой это колоссальный шаг вперед!

• Рассматривать множество разных видов антенны.

• Рассчитывать диаграммы направленности (ДН) антенн в вертикальной и горизонтальной плоскостях (под любыми вертикальными углами).

• Одновременно сравнивать результаты моделирования нескольких разных антенн (ДН и все основные характеристики).

• Редактировать описание каждого элемента антенны, включая возможность менять форму элемента без сдвига его резонансной частоты. Проще говоря, вы можете запару секунд трансформировать «волновой канал» в «квадраты» или «дельты».

• Редактировать описание каждого провода антенны. Имеется возможность перекомпоновки антенны без утомительного перебора цифр координат, простым перетаскиванием мышкой (практически всю антенну можно нарисовать и редактировать одной мышкой);

• Просчитывать комбинированные провода, состоящие из нескольких, разных диаметров. Это полезно при расчете элементов, составленных из труб разного диаметра, например «волновых каналов» или вертикалов.

• Использовать удобное меню создания многоэтажных антенн – стеков, причем в качестве элемента стека можно использовать любую существующую или созданную вами антенну.

• Оптимизировать антенну, гибко настраивая цели оптимизации: Zвх, КСВ, усиление, F/B, минимум вертикального угла излучения, причем предельно наглядно – движками указывается важность для вас того или иного параметра.

• Задавать изменение при оптимизации более 90 параметров антенны. Возможно описание совместного (зависимого) изменения нескольких параметров.

• Сохранять все шаги оптимизации в виде отдельной таблицы. Это полезно для последующего неспешного просмотра и анализа – не мелькнет ли там чего любопытного, что вы исходно и в виду то не имели.

• Строить множество разнообразных графиков: Zвх, КСВ, усиления, отношения излучений вперед/назад (F/B), включая показ зависимости ДН от частоты.

• Автоматически рассчитывать несколько типов согласующих устройств (СУ), причем возможно включать и выключать их при построении графиков.

• Создавать файлы таблицы (формата *.csv, просматриваемого в Excel) для всех переменных расчетных данных: таблицы токов в каждой точке антенны, зависимости усиления от вертикальных и горизонтальных углов, таблицы основных параметров антенны как функций частоты, и наконец весьма полезную таблицу напряженности электрического и магнитного полей антенны в заданном пространстве. Она необходима для определения соответствия антенны на требования электромагнитной совместимости.

• Рассчитывать катушки, контуры, СУ на LС элементах, СУ на отрезках длинных линий (несколько видов), индуктивности и емкости, выполненные из отрезков коаксиального кабеля.

Ограничений по взаимному расположению проводов нет. Это означает, что любая конфигурация проводников будет рассчитана корректно. Максимальное число: проводов – 512, источников – 64, нагрузок – 100.

При старте программы открывается закладка Геометрия и вы видите несколько полей вверху и три таблицы (рис. 90), на которой открыт файл уже имеющейся антенны (меню Файл/Открыть).

Рисунок 90 – Вид закладки геометрия в программе MMANA

Эта закладка – базовое описание антенны, поэтому изучить и пользоваться ею надо внимательно. Ошибки здесь не прощаются, ведь чтобы получить правильный ответ вы должны точно объяснить компьютеру, как именно устроена ваша антенна.

Поле Имя – это название антенны, любое, какое вы зададите. Оно будет фигурировать вверху всех закладок, и под этим же именем антенна будет выводится при ее последующем сравнении с другими. Поле F...MHz – основная частота антенны. Это значение будет использоваться в последующих расчетах по умолчанию (если вы не зададите там иное значение). В этом поле имеется удобный для выбора список частот – по несколько из каждого любительского диапазона, а если вам нужна специфическая частота, то просто введите ее значение вручную.

Первая таблица Провода – это описание проводов. В методе моментов любая антенна представляется как набор проводов. Каждая строка в этой таблице – описание одного провода: X1, Y1, Z1 – это координаты в трехмерном пространстве начала провода, а X2, Y2, Z2 – то же самое, но конца провода. R – радиус провода (обратите внимание, не диаметр, а именно радиус).

Закладка Вид позволяет посмотреть внешний вид в трехмерном пространстве описанной вами антенны (или взятой из готового файла) и распределение сегментов и токов по ней. Последнее возможно только после предварительного проведения расчета в закладке Вычисления, о которой речь пойдет позднее. На рисунке 91 показано окно этой закладки. Движками Верт. вращение, Гор. вращение и Масштаб можно внимательно рассмотреть антенну со всех сторон. Если вы потеряли из виду антенну, нормальное изображение восстанавливается либо флагом Нормальный вид, либо нажатием одной из двух кнопок Центр на антенне или Центр на X = 0,Y = 0,Z = 0.

Первая кнопка помещает в центр экрана геометрический центр антенны (автоматически изменяя при этом масштаб таким образом, чтобы в экран поместилась вся антенна целиком), вторая – в начало координат (выбранный масштаб при этом не меняется). Источники показаны красными кружками, нагрузки – красными крестиками. Напоминание об этом «висит» в левом верхнем углу окна.

При установке флага «сегменты» зелеными крестиками показываются точки разбиения проводов на сегменты. Это удобно делать, чтобы изучить, как меняется сегментация провода при установке разных значений в поле Seg закладки Геометрия и влияние на параметры автосегментации (при Seg равной отрицательной величине) изменение значений DM1, DM2, SC, EC. При установке флага «токи» показывается распределение тока в проводах (для этого предварительно должны быть сделан расчет антенны в закладке Вычисления). Масштаб отображения токов регулируется соответствующим движком. Просмотр распределения тока по антенне весьма желателен.

 

 

Рисунок 91 – Закладка вид в программе MMANA

 

С помощью закладки Вычисления производятся установки условий расчета, выводится ход расчета и окончательные результаты. Примерный вид закладки вычисления показан на рисунке 92. В окне Частота устанавливается частота анализа антенны (по умолчанию берется частота, установленная в закладке Геометрия). В этом поле имеется удобный для выбора список частот, по несколько из каждого любительского диапазона, а если вам нужна специфическая частота, то введите ее значение вручную.

Правое окно – информационное. Оно отображает текущее состояние расчета. Туда же выводятся сообщения о возможных ошибках расчета. В окошке Земля выбирается тип земли. Пункты Свободное пространство и Идеальная пояснения не требуют, а вот при установке Реальная земля, в этом же окошке появляется кнопка Параметры, которая вызывает окно Параметры реальной земли.

Высота антенны над землей устанавливается в поле Высота (естественно, этого можно не делать, если в окошке Земля выбрана опция Свободное пространство). Программа поднимает антенну вверх по оси Z.

В поле Материал выберите из списка материал антенны. Тип материала оказывает заметное влияние на УКВ и укороченных КВ антеннах.

 

 

Рисунок 92 – Закладка вычисления в программе MMANA

 

Закладка Диаграмма направленности рассчитывает диаграмму направленности (рис. 93) антенны для всех частот (шагов сетки) в рассчитанной полосе, а также табличку изменения основных параметров. Это бывает очень полезно при подгонке антенны, когда требуемые характеристики и форма ДН могут оказаться не на центральной частоте, а где_то в стороне. В этой же закладке в окошке ДН для поляризаций можно выбрать для какой поляризации (вертикальной V, горизонтальной H, их суммы Сумма или для одновременного отображения разными цветами V+H) будут построены ДН. Если ДН на каких то частотах вам не нужны, их можно выключить, щелкнув в строке соответствующей частоты в столбце On.

 

 

Рисунок 93 – Закладка ДН в программе MMANA

 

После того, как получены все параметры антенны, обычно возникает желание чего-нибудь в ней подправить. Конечно, это можно сделать, вернувшись в закладку Геометрия и изменяя вручную координаты проводов, но путь этот громоздок и весьма трудоемок. Гораздо проще нажать кнопку закладки Правка провода и вызвать окно, которое представляет собой мощный CAD-редактор, позволяющий наглядно создавать и редактировать антенну только мышью без утомительного перебора цифр в закладке Геометрия.

В открывшемся окне (рис.94) имеются четыре закладки с очевидным назначением – трехмерный вид антенны, а также двухмерные в каждой из трех плоскостей. В трех последних случаях для облегчения проектирования на изображение накладывается координатная сетка с указанием масштаба.

 

 

Рисунок 94 – Закладка правка провода в программе MMANA

 

При нажатии на закладку Графики выводится окно для построения графиков (рис.95). В поле Полоса устанавливается ширина полосы частот (относительно центральной), в которой вы хотите посмотреть параметры (как и во всех подобных) полях. Этот параметр можно либо выбрать из списка, либо установить вручную. Выбранное значение автоматически устанавливается по горизонтальной оси графика. Далее кнопками вверху выбирается число точек расчета. Для первого анализа достаточно нажать 2 точки – график будет построен грубо, только по двум точкам. Остальная часть его будет построена сложной экстраполяцией – предположениями MMANA как же этот график должен по ее мнению идти дальше. Точность таких предположений довольно высока, но конечно не абсолютна. Кроме того, на антеннах с нестандартным поведением КСВ от частоты (широкополосных, например) предположения MMANA оказываются неточными. При нажатии Вся сетка – просчитываются пять точек – каждый шаг сетки, чем уточняется предыдущий график. При нажатии Доп. точки, кроме пяти точек сетки, просчитываются несколько дополнительных точек между шагами сетки (по умолчанию 1, максимум 4), что позволяет иметь уже весьма точный и подробный график из 20 точек.

Последовательно выбирая закладки Z, КСВ, Gain/FB, ДН можно наглядно увидеть, как меняются от частоты в заданном вами диапазоне параметры антенны (для тех же самых частот расчета).

 

 

 

Рисунок 95 – Закладка Графики в программе MMANA

 

Кнопка Поиск резонанса предназначена для автоматического поиска резонансной частоты антенны (т. е. той, на которой реактивная составляющая ее входного импеданса равна нулю).