Лабораторная работа №3 «Исследование рупорных антенн»

1. Цель работы: Практическое исследование направленных свойств рупорных антенн с использованием программы SABOR. Исследование влияния геометриче­ских параметров рупора на характеристики излучения рупорных антенн.

2. Перечень и характеристику оборудования, приборов и материалов:

Персональный компьютер с установленной программой SABOR.

Литература

Основная

1. В.П. Кубанов Линейные симметричные электрические вибраторы в свободном пространстве. — Самара: ПГУТИ, 2011. - 52 с.

Дополнительная

1. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: Учеб­ник для вузов / Г.А. Ерохин, О.В. Чернышев, Н.Д. Козырев, В. Г Ко- чержевский; под ред. Г.А. Ерохина. - 3-е изд., испр. - М.: Горячая ли­ния - Телеком, 2007.- 531 с.

 

4. Контрольные вопросы

1. Объяснить устройство и принцип действия рупорной антенны (РА). Область применения рупорных антенн.

2. Направленные свойства РА.

3. Виды рупорных антенн, особенности геометрической формы.

4. В чем особенности и различия Н-плоскостного секториального и Е- плоскостного секториального рупоров?

5. Структура электромагнитного поля на открытом конце волновода.

6. Отличие поля в рупоре и поля в волноводе.

7. Фазовая ошибка, причины возникновения и методы ее устранения.

8. Коэффициент направленного действия рупора (КНД).

9. Какие факторы определяют значение КНД рупорной антенны.

10. Определение эффективной поверхности апертурной антенны. Связь КНД и коэффициента усиления с ее эффективной поверхно­стью.

5. Содержание работы

1. Выбрать Н-плоскостной рупор: Horn →Rectangular →H-plane sectoral.

 

 

Рис. 3.1. Геометрическая модель рупорной антенны

 

2. Установить в меню Options:

- рабочую частоту f=10 ГГц (Frequency);

- пределы измерений меридионального угла в от -90° до 90° (Theta);

- исследуемая плоскость 0° (Phi-cut);

- пределы измерений напряженности электрического поля E, Emax=0 дБ, Emin= - 40 дБ (Field Scale);

- число точек = 100 (N.points);

- выбрать полярную систему координат (Polars).

3. Установить в меню Dimensions: Waveguide dimensions

- размеры волновода a x b = 2,286 x 1,016 CM²(H-Plane, E-Plane); Horn aperture dimensions

- ширину плоскости раскрыва W = 2,625 см (H-Plane);

- длину стороны раскрыва Ri = 30 см (R1);

4. Нажатием на пункт меню Pattern произвести расчет диаграммы направленности рупора, ширины диаграммы направленности по уровню -3 дБ (Beamwidth -3dB), КНД (Directivity).

5. Произвести исследование зависимости ширины диаграммы направ­ленности ДН (Beamwidth -3dB) и коэффициента направленного действия (КНД) (Directivity) от ширины плоскости раскрыва W, изменяя угол рас­твора рупора Ф в соответствии с таблицей 3.1.

Примечание. После задание параметра W необходимо всегда выставлять прежнее значение R1.

Таблица 3.1

 

6. Повторить исследование для случаев R₁=60 см и R₁=90 см.

7. Построить график зависимости КНД Dh для Н-плоскостного секто­риального рупора от размеров апертуры W в виде зависимости (Dh λ / b) от (W/ λ). Построить график зависимости ширины диаграммы направленности (2θ_0,5) от (W / λ).

8. Повторить исследование для E-плоскостного рупора: Horn → Rectangular → E-plane sectoral. (повторить п.п.2 - п.п.7) и заполнить таб­лицу 3.2.

- при исследование следует произвести замену W → H, Dн → De; a → b; R1 →R2, установить Phi-cut=90°.

Таблица 3.2

 

9. Построить график зависимости КНД De для E-плоскостного секто­риального рупора от размеров апертуры H в виде зависимости (De λ / a) от (H / λ). Построить график зависимости ширины диаграммы направленности (2θ_0,5) от (H / λ).

 

6. Методические указания

Рупорная антенна (РА) состоит из волновода постоянного сечения, иг­рающего роль питающей линии, и присоединенного к нему рупора, пред­ставляющего собой волновод переменного сечения. Основные разновидно­сти PA отличаются формой поперечного сечения рупора: Е-плоскостной секториальный рупор, H-плоскостной секториальный рупор, пирамидаль­ный и конический рупор.

Рупорные антенны применяются в сантиметровом и дециметровом диапазонах волн как самостоятельные антенны или в качестве облучателей линзовых и параболических антенн.

Продольные сечения рупоров в плоскостях Е и Н имеют вид равнобед­ренных трапеций. Продолжив сходящиеся стороны трапеции до пересече­ния, получим равнобедренный треугольник, по которому определяются геометрические параметры РА: длина R1 (R2) (высота треугольника), длина стороны Rh (Re), угол раствора рупора Ф. Параметрам, относящимся к плос­костям E и Н, приписываются соответствующие индексы.

Поле в разных точках раскрыва РА не синфазно, что приводит к сни­жению коэффициента направленного действия (КНД) РА по сравнению с синфазной излучающей поверхностью, размеры которой совпадают с раз­мерами раскрыва РА. Очевидно, что максимальная разность фаз в раскрыве РА имеет место между точками, лежащими в середине и на краях раскрыва РА.

Форма диаграммы направленности (ДН) РА в данной плоскости пол­ностью определяется параметрами ее продольного сечения в этой плоско­сти. Диаграмма направленности РА содержит сигарообразный главный ле­песток и небольшое число слабых боковых лепестков.

С увеличением угла раствора рупора Ф ДН сначала сужается, КНД рас­тет, так как увеличивается размер излучающей поверхности, которая пока остается практически синфазной. При дальнейшем увеличении угла Ф глав­ный лепесток ДН расширяется и искажается, поскольку фронт волны в ру­поре все больше искривляется. Оптимальным называется рупор, размеры раскрыва которого подобраны таким образом, чтобы при заданной длине рупора получить максимальный КНД.

 

7. Содержание отчета

В отчете должны быть представлены:

1. Таблицы измерений и расчетов КНД, 2θ_0,5 для секториальных Н-плоскостного, Е-плоскостного рупоров.

2. Графики зависимости КНД Dh Н-плоскостного секториального ру­пора от размеров апертуры W в виде зависимости (Dh λ / b) от (W / λ). График зависимости (2θ_0,5) от (W / λ).

3. Графики зависимости зависимости КНД De для E-плоскостного секториального рупора от размеров апертуры H в виде зависимости (De λ / a) от (H / λ). График зависимости (2θ_0,5) от (H/λ).

4. Выводы о проделанной работе.

 

 

  Лабораторная работа №4 «Исследование зеркальных антенн»

1. Цель работы

Изучение устройства антенны с рефлектором в виде параболоида вра­щения. Исследование влияния диаметра зеркала и смещения облучателя из фокуса на форму диаграммы направленности антенны.

2. Литература

Основная

1. В.П. Кубанов Излучение возбужденных поверхностей. -Самара: ПГУТИ, 2011. -56 с.

Дополнительная

2. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: Учеб­ник для вузов / Г.А. Ерохин, О.В. Чернышев, Н.Д. Козырев, В. Г Ко- чержевский; под ред. Г.А. Ерохина. - 3-е изд., испр. - М.: Горячая ли­ния - Телеком, 2007.- 531 с.

 

3. Контрольные вопросы

1. Виды зеркальных антенн.

2. Параболическая однозеркальная осесимметричная антенна, прин­цип работы.

3. Длиннофокусные и короткофокусные зеркальные антенны.

4. Методы расчета поля излучения зеркальных антенн.

5. Коэффициент направленного действия (КНД). Формула расчета.

6. Расчет коэффициента усиления G, суммарной шумовой темпера­туры Ta.

7. Коэффициент использования поверхности раскрыва.

8. Эффективная площадь раскрыва.

9. Виды облучателей, принцип работы.

10. Антенна Кассегрена, принцип работы.

11. Антенна Грегори, принцип работы.

4. Содержание работы

1. Перевести программу в режим работы с зеркальными антеннами: Menu → Reflector → Ideal cos-q.

2. Установить тип зеркала «параболический»: Reflector → Parabolic. Выбрать аппертурный метод расчета антенны: Model → First principle.

3. Установить в меню Options:

- рабочую частоту f=10 ГГц (Frequency);

- пределы измерений меридионального угла 0 от -90° до 90° (Theta);

- исследуемая плоскость 0° (Phi-cut);

- пределы измерений напряженности электрического поля E, Emax=0 дБ, Emin= - 40 дБ (Field Scale);

- число точек = 100 (N.points);

- выбрать полярную систему координат (Polars).

4. Установить в меню Dimensions:

- диаметр зеркала = 45 см (Reflector diameter);

- отношение фокусного расстояния к диаметру = 1 (F/D Ratio);

5. Нажатием на пункт меню Pattern, произвести расчет диаграммы направленности антенны, ширины диаграммы направленности по уровню -3 дБ (Beamwidth), КНД (Directivity).

6. Изменяя диаметр зеркала в соответствии с таблицей 4.1, провести исследование зависимости ширины диаграммы направленности и коэффи­циента усиления от размеров зеркала.

 

Таблица 4.1

 

7. Построить графики зависимости ширины диаграммы направленно­сти (2θ_0,5) и коэффициента усиления (G) от отношения диаметра зеркала к длине волны (d/λ).

8. Установить в меню Dimensions:

- диаметр зеркала = 100 см(Reflector diameter);

Установить в меню Options:

- исследуемая плоскость 90° (Phi-cut);

9. Исследовать влияние смещения облучателя (Δy) из фокуса зеркала на форму диаграммы направленности и коэффициент усиления антенны. Для этого следует изменять параметр Options → Feed defocusing → Y Defo- cusing в соответствии с таблицей 4.2.

Таблица 4.2

 

10. Построить графики зависимости угла наклона максимума диа­граммы направленности (0max) и коэффициента усиления (G) от смещения облучателя из фокуса зеркала (|2Δy/d|).

 

5. Методические указания

Параболическая антенна используется для создания остронаправлен­ного излучения в диапазоне СВЧ, когда размеры антенны во много раз пре­вышают рабочую длину волны X. Антенна состоит из металлического зер­кала (рефлектора) в виде вырезки из параболоида вращения и облучателя, расположенного в ее фокусе.

В работе исследуется антенна с зеркалом в виде параболоида враще­ния (рис. 4.1) с раскрывом, имеющим форму круга диаметром d. Прямая, перпендикулярная плоскости раскрыва и проходящая через его центр, яв­ляется осью зеркала. Расстояние F от вершины зеркала до фокуса называ­ется фокусным расстоянием.

Для формирования узкой диаграммы направленности (ДН) в режиме передачи в раскрыве зеркала необходимо возбудить синфазное поле. В ре­жиме приема параболическое зеркало фокусирует падающую плоскую волну в небольшой объем вблизи фокуса («фокальное пятно»).

Поскольку линейные размеры зеркала значительно превышают длину волны X, при анализе параболической антенны можно пользоваться мето­дом геометрической оптики. Таким образом можно наглядно показать, что сферическая волна, создаваемая облучателем, помещенным в фокус пара­болического зеркала, преобразуется зеркалом в плоскую волну, распро­страняющуюся вдоль его оси.

В режиме осевого излучения нормированная ДН параболической антенны может быть рассчитана по формуле:

где θ - угол между осью зеркала и направлением в точку наблюде­ния;

k = 2π/λ - волновое число;

J₁(x) - функция Бесселя первого порядка от аргумента kR sin θ;

X - рабочая длина волны.

Коэффициент направленного действия (КНД) антенны равен:

где S = πR - площадь раскрыва зеркала; v - коэффициент использования поверхности (КИП) зеркала, зависящий от характера изменения амплитуды поля в его раскрыве (чем ближе распределение поля к равномерному, тем ближе величина КИП к единице).

Коэффициент усиления антенны равен:

где ɳ -КПД антенны.

 

 

Рис. 4.1. Параболическая зеркальная антенна

 

6.Содержание отчета

В отчете должны быть представлены:

1. Таблицы измерений и расчетов коэффициента усиления G, ширины диаграммы направленности 2θ_0,5 и угла наклона максимума диаграммы направленности 0max зеркальной антенны.

2. Графики зависимости ширины диаграммы направленности 2θ_0,5 и коэффициента усиления G от отношения диаметра зеркала к длине волны d/λ.

3. Графики зависимости угла наклона максимума диаграммы направленности 0max и коэффициента усиления G от смещения облучателя из фокуса зеркала |2Δy/d|.

4. Выводы о проделанной работе.

 

 

 

4. Самостоятельная работа

 

Самостоятельная работа студента включает:

– самостоятельное изучение разделов дисциплины по учебной литературе, а также используя глобальную сеть Интернет;

– подготовка студентов по конспектам лекций, учебной и учебно-методической литературе к практическим занятиям;

– выполнение индивидуальных заданий по указанию преподавателя;

– подготовка рефератов, сообщений и докладов на лекции, а также на научные конференции и семинары.

Контроль самостоятельной работы осуществляется в виде проверки конспектов по самостоятельно изученным вопросам, опросу на лекциях, тестированиях, результатов выполнения соответствующих учебных упражнений, примеров и проектов.

Примерные темы рефератов

1. Классификация радиоволн по диапазонам.

2. Классификация антенн. Основные задачи теории антенн.

3. Вибраторная антенна как разомкнутая длинная линия.

4. Основные электрические параметры передающих антенн.

5. Параметры, характеризующие приемные антенны.

6. Согласование приемной и передающей антенн по поляризации.

7. Условия выделения максимальной мощности в нагрузке приемной антенны.

8. Симметричные вибраторы, их характеристики.

9. Антенные решетки, их характеристики.

10. Влияние земли на направленные свойства антенн.

11. Фидеры, требования к ним.

12. Симметричные и каоксиальные фидеры, их характеристики.

13. Фидерные трасформаторы, их характеристики.

14. Антенны дециметровых и метровых волн, их конструкции, характеристики.

15. Антенны децимиллиметровых, сантиметровых, декаметровых, гектаметровых, километровых и мириаметровых волн, их конструкции, характеристики. Основы расчета характеристик антенн различных диапазонов.

16. Влияние геодезических условий и земной атмосферы на распространение радиоволн различных диапазонов.

17. Особенности космической связи.

Требования к оформлению реферата:

Реферат должен иметь объём не менее 15 страниц. Список литературных источников – не менее 5.

Текст реферата оформляется на листах бумаги формата А4 (210 х 297 мм). Текст должен быть оформлен через 1,5 межстрочный интервал, шрифт Times New Roman 12 пт. Ширина полей: слева 25, справа 10, сверху и снизу 15- 20 мм. Таблицы, схемы, рисунки и другие иллюстративные материалы, помещаются в тексте.

Все листы реферата брошюруются в одной папке со скоросшивателем. Каждая страница с текстом или иллюстрацией должна быть пронумерована без пропусков, начиная с первого листа, включая титульный лист и содержание. Номера страниц ставятся в центре сверху листов.

Разделы реферата могут начинаться с нового листа, либо следовать за предыдущим разделом, продолжая его лист. Разделы, подразделы и пункты нумеруются арабскими цифрами с точкой; точка в конце строки не ставится.

В содержании последовательно перечисляют номера и заголовки всех разделов и подразделов (если имеются) реферата, включая список литературы.

Оформление списка литературы. При цитировании материалов из литературных источников, патентной и технической документации обязательно должно быть указание на цитируемый источник и авторов. Перечень литературы помещают в конце текста реферата и включают в содержание. В него заносятся только источники, на которые в тексте имеется ссылка.

5. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

5.1. Основная литература

 

1. Нефедов, Е. И. Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства [Текст]: учеб. пособие для вузов / Е. И. Нефедов. - М.: Академия, 2010. - 317 с. - (Высшее профессиональное образование. Радиоэлектроника).

2. Сомов, А. М. Антенно-фидерные устройства [Текст]: учеб. пособие по специальностям "Информ. безопасность телекоммуникац. систем" и "Противодействие техн. разведкам" / А. М. Сомов, В. В. Старостин, Р. В. Кабетов: под ред. А. М. Сомова. - М.: Горячая линия - Телеком, 2011. - 404 с. - (Учебное пособие для высших учебных заведений)

3. Панченко, Б. А. Нано-антенны [Текст] / Б. А. Панченко, М. Г. Гизатуллин. - М.: Радиотехника, 2010. - 87 с.

4. Учебно-методическое пособие по дисциплине «Устройства СВЧ и антенны» для студентов специальности 210303.65 БРЭА [Текст]; сост. Т.С. Бочкарева. – Тольятти: ПВГУС, 2009. – 70с.

5. Учебно-методическое пособие по дисциплине "Введение в специальность" [Текст]: для студентов специальностей "Бытовая радиоэлектрон. аппаратура", "Аудиовизуал. техника" и направлений "Электрон. и микроэлектрон.", "Радиотехника" / Поволж. гос. ун-т сервиса (ПВГУС), Каф. "Радиотехника"; сост.: Н. М. Шевченко, С. Н. Скобелева. - Тольятти: ПВГУС, 2010. - 202 с.

6. Лабораторный практикум по дисциплине "Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн" [Текст]: для студентов специальности 210308.51 "Техн. обслуживания и ремонт радиоэлектрон. техники (по отраслям)" / Поволж. гос. ун-т сервиса (ФГБОУ ВПО "ПВГУС"), Каф. "Информ. и электрон. сервис"; сост. С. Н. Скобелева. - Тольятти: ПВГУС, 2012. - 86 с.

5.2. Дополнительная литература

7. Учебно-методическое пособие по дисциплине «Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства в СМС» для студентов направления подготовки 210700.62 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» [Электронный ресурс]; сост. С.Н. Скобелева, Т.С. Бочкарева. – Тольятти: ПВГУС, 2014. – 111с.

8. Лабораторный практикум по дисциплинам: «Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства» и «Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства в СМС» для студентов направлений подготовки: 210400.62 «Телекоммуникации» и 210700.62 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» [Электронный ресурс]; сост. С.Н. Скобелева. – Тольятти: ПВГУС, 2014. – 28с.

9. Гончаренко, И.В. Антенны KB и УКВ в 3-х частях [Текст]. - М.: Радио Софт, 2009. -125 с, 283 с, 286 с.

10. Бочкарева, Т.С. Устройства СВЧ и антенны [Текст]. – Тольятти.: ПВГУС, 2009. – 74 с.

11. Бочкарева, Т.С. Электродинамика и распространение радиоволн [Текс]. / В.А. Негалов, О.В. Осипов, В.А Соболев. – М.: Радио и связь, 2009. – 200с.

12. Бессонов, В.В. Электроника для начинающих и не только [Текст].- М.: Солон-Пресс. 2009. – 509с.

13. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование антенных решеток [Текс]. / Под ред. Д.И. Воскресенского. – М.: Радио и связь, 1999.

 

5.3. Программное обеспечение современных информационно-коммуникационных технологий и Интернет-ресурсы

1. Операционная система Microsoft Windows.
2. Пакет Microsoft Office (MS Word, MS Excel, MS PowerPoint).
3. Пакет ППО MMANA, SABORT.
4. Браузер Internet Explorer.
5. Инженерный калькулятор MS Windows.

Интернет-ресурсы:

1. Электронная библиотечная система ПВГУС [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://elib.tolgas.ru/book/.  – Заглав. с экрана.

2. Intuit.ru [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.intuit.ru/studies/courses. - Загл. с экрана.

3. Wikipedia [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.wikipedia.ru. - Загл. с экрана.

 

6. Материально-техническое обеспечение дисциплины

 

Лабораторный практикум выполняется в специализированной лаборатории, оснащенной современными компьютерами. Выполнение лабораторных работ предусматривает использование современных программных средств: Microsoft Office, MMANA, SABORT, Mathsoft Apps Mathcad.

Средства обучения включают в себя учебную литературу (рекомендованные учебники, учебные и учебно-методические пособия, справочную литературу, наглядные пособия в виде компьютерных презентаций, демо-роликов и видеокурсов), компьютерное оборудование и программное обеспечение.

При изучении дисциплины рекомендуется широкое использование информационных технологий, связанное с подготовкой студентами к лабораторным занятиям, при самостоятельном изучении отдельных вопросов дисциплины.

 

Аппаратное обеспечение	Операционная система
Процессор для IBM совместимого ПК с производительностью не менее 10000 MIPS. Жесткий магнитный диск со свободным местом не менее 20 Гб. Оперативная память объемом не менее 512 Мб. Видеоадаптер и монитор поддерживающий разрешение не менее 1024х768 пикселов с глубиной цвета не менее 16 бит. Клавиатура. Указатель типа мышь.	Операционная система семейства Ms Windows

 

Приложение 1«Моделирование проволочных антенн в программе MMANA»

Вычислительной основой программы MMANA является программа MININEC Ver.3, которая была создана для целей американских ВМС в Washington Research Institute. Все дополнительные функции и интерфейсы написаны программистом МакоШ Mori. Русифицированная и английская версии MMANA сделаны И. Гончаренко.

Программа позволяет:

■ создавать и редактировать описание антенны в визуальном и таблич­ном редакторах;

■ рассматривать множество разных видов антенны;

■ рассчитывать диаграммы направленности (ДН) антенн в вертикаль­ной и горизонтальной плоскостях (под любыми вертикальными уг­лами);

■ 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;

■ редактировать описание каждого провода антенны;

■ рассчитывать комбинированные провода, состоящие из нескольких, разных диаметров;

■ создавать многоэтажные антенны - стеки, причем, в качестве эле­мента стека можно использовать любую существующую или создан­ную антенну;

■ оптимизировать антенну, настраивая цели оптимизации: 2вх, КСВ, коэффициент усиления, F/B, минимум вертикального угла излуче­ния;

■ строить множество разнообразных графиков: 2вх, КСВ, коэффици­ента усиления, отношения излучений «вперед/назад» (F/B), включая показ зависимости ДН от частоты.

■ автоматически рассчитывать несколько типов согласующих устройств (СУ);

■ создавать файлы таблицы (формата *.csv, просматриваемого в Excel) для всех переменных расчетных данных: значения токов в каждой точке антенны, зависимости коэффициента усиления от вертикаль­ных и горизонтальных углов, значения основных параметров ан­тенны как функций частоты и результаты расчета напряженности электрического и магнитного полей антенны в заданном простран­стве;

■ рассчитывать индуктивности, контуры, согласующие устройства на LC-элементах, согласующие устройства 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. Максимальное число точек расчета - 8192 (установлено по умолчанию - 1280).

Необходимый объем ОЗУ для программы составляет: для 1024 точек - 8 Мб, для 2048 - 32 Мб, для 4096 - 128 Мб, для 8192 - 512 Мб. То есть, удвоение числа точек требует учетверения емкости ОЗУ. В еще более рез­кой, экспоненциальной зависимости растет время вычислений от числа то­чек.

Вкладка «Геометрия»

Вкладка Геометрия содержит три таблицы, служащие для ввода и ре­дактирования параметров проводов, источников напряжений и нагрузок. Кроме того, на ней расположены элементы, позволяющие настроить пара­метры сегментации и установить основную частоту.

 

 

 

Рис. П.1.1. Вкладка «Геометрия»

 

Таблица параметров проводов

Таблица расположена в верхней части окна и имеет 8 колонок. Первые шесть (X1, Y1, Z1, X2, Y2, Z2) описывают координаты (декартовы) начала и конца провода. Координаты указываются в метрах, или, при установленной опции «в лямбдах», координаты указываются в отношении к длине волны.

Седьмая колонка R описывает радиус провода:

R > 0 - радиус провода в миллиметрах;

R = 0 - изолятор, провод не учитывается при расчетах;

R < 0 - комбинированный провод, состоящий из нескольких проводов разного физического радиуса, описание которого задается в окне для уста­новок комбинированного провода или из окна с таблицей размеров комби­нированного провода. Оба окна можно вызвать из всплывающего меню, а окно Установки комбинированного провода и из главного меню Правка.

Последняя колонка Seg описывает способ сегментации (деления дан­ного провода на сегменты для метода моментов):

Seg > 0 - режим ручного разбиения;

Seg = 0 - Автоматическое разбиение провода на сегменты одинаковой длины. Рекомендуется к использованию только тогда, когда нежелательно использовать отрицательные значения Seg из-за малой длины сегмента на краях.

Seg = -1 - автоматическая сегментация с переменной длиной сегмента. Установлена по умолчанию. Рекомендуется к использованию в большин­стве случаев.

Seg = -2 - почти то же самое, что и Seg = -1, но длина сегментов умень­шается от начала к концу провода.

Seg = -3 - то же самое, что и Seg = -2, но длина сегментов уменьшается от конца к началу провода.

ОБЩИЕ ОГРАНИЧЕНИЯ МЕТОДА МОМЕНТОВ
ПО СЕГМЕНТАЦИИ И РАСПОЛОЖЕНИЮ ПРОВОДОВ

- Минимальная длина сегмента должна быть меньше чем 0,1Х, чем минимальное рас-
стояния между соседними проводами, чем минимальная высота провода над землей, чем
длина самого короткого провода.

- Длина сегмента должна быть больше, чем диаметр провода.

- Максимальный радиус не должен превышать 0,01Х для высокой точности расчета.

- Отношение длины сегментов в соединяемых проводах должно быть более 2.

Отношение радиусов проводов, образующих переход должно быть более 10.

 

Источники напряжения

Таблица расположена в нижней части окна и имеет три колонки

Таблица П.1.1. Значения источников напряжения

Puis	Место положения источника. Описывается так: ■ первая буква должна быть w(ire). ■ следующая за ней цифра означает номер провода в кото­рый включен источник. ■ буква после номера провода обозначает место включения источника в провод: b(ottom) - начало провода c(enter) - середина провода; e(nd) - конец провода. ■ следующая цифра (не обязательный элемент) показывает количество сегментов, на которое смещена точка включе­ния источника.
Phase deg.	Фаза напряжения источника. Необходимость в сдвиге фазы пи­тающего напряжения возникает при проектировании антенн с активным питанием.
Volt. V	Напряжение источников питания. При отмеченном окошечке "Авто напр." величина напряжения автоматически устанавлива­ется равной 1/(количество источников).

 

Нагрузки

Таблица нагрузок служит для задания RLC-элементов включенных в провода антенны. Количество используемых колонок зависит от способа описания нагрузки. Колонка Puis служит для описания места включения нагрузки, которое описывается так же, как для источников. В колонке Type описывается тип нагрузки: LC, R+jX, S:

■ LC элемент - в таблицу заносится значение индуктивности, емкости
и добротность (0 - означает бесконечную добротность);

■ R+jX - комплексное сопротивление нагрузки;

■ S - нагрузка задается при помощи коэффициентов полинома
Лапласа.

Для выбора типа нагрузки следует щелкнуть левой кнопкой мыши в колонке Type и выбрать желаемый тип из всплывающего меню.

Нагрузки можно включать и отключать, отмечая опцию "Включить нагрузки".

•      ПРИМЕЧАНИЕ: Для включения источников и нагрузок лучше всего создавать от дельный короткий провод. В таком случае не возникают проблемы при изменении плотности сегментации и при переводе модели из *.maa в *.nec.

 

Вкладка «Вид»

Выбрав эту вкладку можно посмотреть внешний вид в трехмерном пространстве описанной антенны (или взятой из готового файла) и разбие­ние ее на сегменты и распределение токов по ней.

Рис.П.1.2. Вкладка «Вид»

 

Последнее возможно только после предварительного проведения рас­чета во вкладке Вычисления.

 

 

Вкладка «Вычисления»

Вкладка Вычисления служит для запуска расчетов и вызова окон опти­мизации, графиков и редакторов провода и элементов. На этой вкладке можно устанавливать частоту для текущего расчета, параметры подстила­ющей поверхности и материал проводов.

Следует учитывать, что входное сопротивление и ближнее (реактив­ное) поле рассчитывается без учета потерь в реальной земле (т.е. полагая землю идеально проводящей). Потери в земле учитываются только при рас­чете диаграммы направленности модели. Радиус ближней зоны составляет около λ/2 π = 0,16λ.

Рис. П.1.3. Вкладка «Вычисления»

Рис. П.1.4. Вкладка «Диаграмма направленности»

Вкладка «Диаграмма направленности»

На этой закладке выводятся диаграммы направленности. По умолча нию горизонтальная диаграмма выводится для зенитного угла, соответству ющего максимальному усилению. Изменить зенитный угол построения го ризонтальной диаграммы направленности можно нажав кнопку «Зенитный угол». ДН в вертикальной плоскости строится для азимутального угла 0° (т.е. вдоль оси Х). Изменить этот угол можно вращением антенны вокруг оси Z.

Выбрав точку на диаграмме направленности, можно получить подробную информацию по излучению в выбранном направлении.

В программе предусмотрена возможность построения трехмерной диаграммы направленности. Для ее вывода на экран следует нажать кнопку«3Д ДН».

Окно «Правка провода»

Модель антенны можно просматривать и изменять объемном виде или в одной из трех плоскостей. В верхней правой части выводится информация о выбранном проводе.

 

Рис. П. 1.5. Окно Правка провода

 

Для удобства рассмотрения на двухмерных плоскостях выводится сетка, шаг которой может определяться автоматически или устанавли­ваться вручную. Следует обратить внимание на то, что длина редактируе­мых или вновь созданных проводов кратна шагу сетки.

Приложение 2 «Моделирование апертурных антенн в программе SABORT»

Программа SABOR¹, работающая под операционной системой Windows позволяет производить расчет, оптимизацию основных параметров апер турных антенн (рупорных, зеркальных). Программа относиться к классу обучающих программ, однако может успешно применяться для создания прототипов реальных антенн.

2. Подробное описание

Основное рабочее окно программы изображено на рис. П.2.1. Для все типов антенн, которые можно исследовать в программе SABOR, окна содержит:

- чертеж антенны;

- значения геометрических параметров антенны;

Рис. П.2.1. Основное окно программы

 

- рассчитанные параметры антенн (КНД - Directivity, ширина диа­граммы направленности по заданному уровню в дБ - Beamwidth и др.)

Окно содержит главное меню:

- Menu (Меню),

- Horn (Рупор),

- Options (Опции),

- Model (Модель),

- Dimensions (Размеры),

- Patterns (Диаграммы направленности),

- Compare (Сравнение диаграмм направленности),

- Help (Помощь).

 

Menu (Меню)

Вкладка Menu позволяет выбирать для исследования рупорные либо зеркальные антенны. По умолчанию, после старта, программа работает в режиме исследования рупорных антенн.

Остановимся более подробно на данном режиме.

1. Режим Horn (Рупор)

Вкладка Horn позволяет выбрать тип рассчитываемого рупора: Rectangular - позволяет выбрать для расчета гладкостенный прямо­угольный рупор, возможные варианты:

Е-plane sectoral - секториальный Е-плоскостной рупор - возбуждается

волноводом прямоугольного сечения с основной волной Н10 и расширяется в плоскости вектора напряженности электрического поля E.

H-plane sectoral - секториальный Н-плоскостной рупор - возбужда-

ется волноводом прямоугольного сечения с основной волной Н10 и расши­ряется в плоскости вектора напряженности магнитного поля H.

Pyramidal - пирамидальный рупор образован одновременным расши­рением стенок поперечного сечения волновода.

Circular - конический рупор возбуждается волноводом круглого сече-

ния с основной волной типа Н11.

Corrugated - выбирает для расчета и построения диаграммы направ­ленности гофрированный рупор.

Options (Опции)

Меню Options позволяет задавать физические параметры для расчета рупоров, а также выбирать систему координат для построения диаграммы направленности - полярную или декартову. Доступны следующие пункты:

Frequency (частота), где можно задать рабочую частоту (ГГц) или ра­бочую длину волны (см).

В качестве дополнительной информации приведено значение критиче­ской частоты для возбуждающего волновода - Cut freq. (ГГц).

Theta - устанавливает диапазон значений угла Theta в градусах для рас­чета диаграммы направленности. Рекомендуется устанавливать диапазон Theta от -90 до 90.

N.divisions - количество делений с шагом s/div градусов

Phi-cut - позволяет задавать плоскость среза диаграммы направленно­сти.

Field Scale - дает возможность установить максимальное (Е_тах) и ми­нимальное (Emin) значения в дБ напряженности электрического поля, отоб­ражаемые на диаграммах направленности.

Automatic - при активном пункте меняю, программа автоматически устанавливает оптимальный формат представления диаграммы направлен­ности, параметры заданные в FieldScale, Theta не учитываются.

Beamwidth - позволяет рассчитать ширину основного лепестка диа­граммы направленности по уровню х дБ (по-умолчанию, -3 дБ). Также вы­числяется фазовый центр и уровень боковых лепестков.

XY - для построения диаграммы направленности используется декар­товая система координат.

Polars - для построения диаграммы направленности используется по­лярная система координат, с Theta, принимающей значения -90°...90°.

Rad. Power - позволяет вычислять излучаемую мощность двумя спосо­бами:

- Aperture - интегрированием тока на апертуре,

-Pattern - интегрированием диаграммы направленности, расчет по ме­тоду вектора Пойтинга.

N.points - устанавливает количество используемых точек (1...100) для построения диаграммы направленности. Рекомендуется установить макси­мальное значение.

Меню Model (Модель)

Поле излучения апертурных антенн приближенно может быть рассчи­тано двумя методами:

Firstprinciple - апертурный метод (от слова «апертура» - раскрыв), ос­нованный на использовании законов геометрической оптики. Поле вычис­ляется в раскрыве зеркала, а затем по известному полю в раскрыве, пользу­ясь понятием об элементе Гюйгенса, определяется поле излучения. Инте­грирование ведется по раскрыву зеркала. Этот метод является приближен­ным, т.к. законы геометрической оптики, строго говоря, точны при беско­нечно идеально проводящем плоском зеркале.

Secondprinciple - токовый метод излучения апертурных антенн.

Меню Dimensions (Размеры)

С помощью данного пункта устанавливаются геометрические размеры волновода, длины рупора, а также геометрические размеры раскрыва ру­пора.

Waveguide dimensions - геометрические размеры волновода (H-plane - ширина в Н-плоскости, размер a, E-plane - высота в E-плоскости, размер b);

Horn aperture dimensions - геометрические размеры апертуры рупора (H-plane -ширина в Н-плоскости, размер W; E-plane - высота в E-плоскости, размер