Лабораторная работа №1 «Исследование простых вибраторных антенн»

1. Цель работы: Знакомство с общими принципами работы программы моделирования антенн MMANA. Исследование параметров простых вибраторных антенн с использованием программы MMANA.

2. Перечень и характеристику оборудования, приборов и материалов:

Персональный компьютер с установленной программой MMANA.

Литература

Основная

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

2. И. Гончаренко Компьютерное моделирование антенн. Все о про­грамме MMANA. - М.: ИП РадиоСофт.- 2002. [Электронный ресурс]: http://dl2kq.de/ant/MMANA-Book.pdf

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. Линейный симметричный электрический вибратор - определение и основные параметры.

2. Связь между распределением тока и направленными свойствами линейного симметричного вибратора;

3. Связь между длиной и входным сопротивлением ЛСЭВ.

4. Влияние подстилающей поверхности на диаграмму направленности горизонтального и вертикального излучателей.

5. Содержание работы

1. Построить симметричный вибратор в свободном пространстве с дли­ной плеча l=0,25A и рабочей частотой 100 МГц. С помощью программы MMANA снять зависимость распределения тока и построить диаграмму направленности антенны в E и Н плоскостях.

2. Построить график зависимости R вх, Хвх, от частоты входного сиг­нала. Для этого следует выбрать вкладку «Вычисления», нажать кнопку «Графики», в открывшемся окне во вкладке «Настройки» установить Доп. точки = 4, Полоса = 120000 кГц, нажать кнопку «Доп. точки», перейти на вкладку «Z».

3. Снять зависимость распределения тока и диаграммы направленно­сти антенны в Е и Н плоскостях для случаев, когда вибратор находится на высоте h для случаев h/λ = {0,25; 0,5; 1,0}: а) идеально проводящая земля; б) земля с сухой почвой (δ = 0,001 См/м, ε =20...30); в) земля с влажной почвой (δ = 0,1..0,5 См/м, ε =0,1).

4. Повторить п.п.1.. п.п.3 для l = {0,5А, 0,625А, 0,75А, 1,0 А}.

5. Построить несимметричный вибратор на высоте 0 м над идеально проводящей землей с длиной плеча 1=0,25А и рабочей частотой 100 МГц. С помощью программы MMANA снять зависимость распределений тока и построить диаграммы направленности для всех случаев, указанных в п.п.

6. Провести исследования для случаев, когда вибратор находится над: а) землей с сухой почвой (δ = 0,001 См/м, ε =20.30); б) землей с влажной почвой (δ = 0,1..0,5 См/м, ε =0,1). При этом следует отметить изменение диаграммы направленности.

7. Повторить п.п.5.. п.п.7 для l = {0,5А, 0,625А, 0,75А, А,}.

8. Сделать выводы по проделанной работе.

 

6. Методические указания к работе

Построение симметричного электрического вибратора в про­грамме MMANA:

1. Во вкладке Геометрия:

- задать рабочую частоту 100 МГц;

- установить параметры сегментации по умолчанию;

- рассчитать координаты начала и конца вибратора. Из рисунка 1.1 видно, что координата начала вибратора лежит на оси oy (т.е. x=0, z=0) и сдвинута по ней на величину l в отрицательную сторону, а координата конца вибратора также лежит на оси oy и сдвинута по ней на величину l в положительную сторону

- записать координаты в соответствующие ячейки таблицы;

- установить источник в центре провода (в таблице описания источни­ков под словом «Pulse» необходимо задать wlc);

2. Во вкладке Вычисления:

- установить тип подстилающей поверхности;

- задать высоту расположения вибратора;

- произвести расчеты нажатием кнопки Пуск.

Рис. 1.1.Симметричный вибратор

 

Построение несимметричного вибратора в программе MMANA:

 

 

1. Во вкладке Геометрия:

- задать рабочую частоту 100 МГц;

- установить параметры сегментации по умолчанию;

- рассчитать координаты начала и конца вибратора. Из рисунка 1.2 видно, что координата начала вибратора лежит в центре системы координат (т.е. x=0, y=0, z=0), а координата конца вибратора лежит на оси oz (т.е. x=0, y=0), и сдвинута по ней на величину l в положительную сторону

- записать координаты в соответствующие ячейки таблицы;

- установить источник в центре провода (в таблице описания источников под словом «Pulse» необходимо задать w1b2);

2. Во вкладке Вычисления:

- установить тип подстилающей поверхности;

задать высоту расположения вибратора равной 0;

- произвести расчеты нажатием кнопки Пуск.

 

 

 

Рис. 1.2.Несимметричный вибратор

 

 

7. Содержание отчета

В отчете должны быть приведены:

1. Рисунок симметричного и несимметричного вибратора.

3. Графики распределений тока для всех длин симметричного вибра­тора, указанных в п.4, диаграммы направленности в Е и Н плоскостях. При­мер диаграммы направленности изображен на рисунке 1.3.

4. Выводы по проделанной работе.

Рис. 1.3. Оформление диаграмм направленности антенн

 

 

Лабораторная работа №2 «Исследование фазированных антенных решеток (ФАР)»

1. Цель работы: При помощи программы MMANA исследовать принципы создания фа­зированных антенных решеток на базе симметричного электрического из­лучателя. Исследовать влияние геометрических параметров антенной ре­шетки и фазирования питания элементов антенной решетки на диаграмму направленности.

2. Перечень и характеристику оборудования, приборов и материалов:

Персональный компьютер с установленной программой MMANA.

Литература

Основная

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

2. И. Гончаренко Компьютерное моделирование антенн. Все о про­грамме MMANA. - М.: ИП РадиоСофт.- 2002. [Электронный ресурс]: http://dl2kq.de/ant/MMANA-Book.pdf

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. Понятие двумерной эквидистантой синфазной антенной решетки.

2. Влияние горизонтального и вертикального развития (количество элементов) двумерной эквидистантой синфазной антенной решетки на направленные свойства.

3. Влияние горизонтального и вертикального межэлементного рассто­яния на направленные свойства двумерной эквидистантой синфаз­ной антенной решетки.

4. Влияние фазового распределения питания элементов решетки на направленные свойства двумерной эквидистантой антенной ре­шетки.

5. Использование рефлектора для получения односторонней диа­граммы направленности двумерной эквидистантой антенной ре­шетки.

6. Влияние расстояния до рефлектора на направленные свойства дву­мерной эквидистантой антенной решетки.

 

5. Содержание работы

1. Построить симметричный вибратор в свободном пространстве с дли­ной плеча l=0,25A и рабочей частотой 100 МГц, ориентированный вдоль оси oz, зарисовать диаграммы направленности в горизонтальной и верти­кальной плоскостях.

2. Построить вертикальную антенную решетку, состоящую из двух симметричных вибраторов с длиной плеча l=0,25A и рабочей частотой 100 МГц, ориентированных вдоль оси oz и сдвинутых друг относительно друга на величину a вдоль оси oz (рис. 2.1). Зарисовать диаграммы направ­ленности в XOY и ZOY плоскостях.

3. Изменяя расстояние a (рис. 2.1) в соответствии с таблицей 2.1 изме­рить и записать в таблицу значения активной части входного сопротивле­ния (Явх), реактивной части (Хвх), коэффициента стоячих волн (КСВ) при резонансе. Проследить изменение диаграммы направленности.

Таблица 2.1

4. При a = 0,75 λ, изменяя набег фазы источника напряжения в одном из вибраторов от 0° до 180° с шагом 20° проследить изменение диаграммы направленности. Для пяти промежуточных вариантов зарисовать диа­граммы направленности и сделать выводы об их изменениях.

Примечание. Наиболее наглядно изменение диаграммы направленности в вертикальной плоскости можно увидеть на трехмерном изображении (Кнопка «3Д ДН»).

5. Построить горизонтальную антенную решетку, состоящую из двух симметричных вибраторов с длиной плеча l=0,25A и рабочей частотой 100 МГц, ориентированный вдоль оси oz и сдвинутых друг относительно друга на расстоянии b вдоль оси oy (рис. 2.2). Зарисовать диаграммы направленности в XOY и ZOY плоскостях.

Таблица 2.2

 

6. Изменяя расстояние b в соответствии с таблицей 2.2 вычислить и за­писать в таблицу значения активной части входного сопротивления (Rвх), реактивной части (Хвх), коэффициента стоячей волны (КСВ) при резонансе. Проследить изменение диаграммы направленности.

7. При b = 0,3λ, изменяя набег фазы источника напряжения в одном из вибраторов от 0° до 180° с шагом 20° проследить изменения диаграммы направленности. Для пяти промежуточных вариантов зарисовать диа граммы направленности и сделать выводы об их изменениях.

8. Построить графики зависимости Rвх, Хвх, КСВ от a и b и диаграммы направленности для плоскостей XOY и ZOY. Сделать выводы по результатам проделанной работы.

 

6. Методические указания к работе

Вертикальная антенная решетка

 

1. Во вкладке Геометрия: - задать рабочую частоту 100 МГц; - рассчитать координаты начала и конца первого вибратора. Из рисунка 2.1 видно, что координата начала вибратора лежит на оси oz (т.е. x=0, y=0) и сдвинута по ней на величину (a/2-l), а координата конца вибратора также лежит на оси oz и сдвинута по ней на величину (a/2+l); - аналогичным образом рассчитать координаты начала и конца второго вибратора; - записать координаты в соответствующие ячейки таблицы; - установить источники в центре каждого провода (в таблице описания источников под словом «Pulse» необходимо задать w1c и w2c); 2. Во вкладке Вычисления: - установить тип подстилающей поверхности - «Свободное пространство»; - произвести расчеты нажатием кнопки «Пуск»

Рис. 2.1. Вертикальная антенная решетка

 

Горизонтальная антенная решетка

1. Во вкладке Геометрия:

- задать рабочую частоту 100 МГц;

- рассчитать координаты начала и конца первого вибратора. Из ри­сунка 2.1 видно, что координаты вибратора лежат в плоскости yoz (т.е. x=0) и сдвинуты по оси oy на величину b/2, в отрицательную сторону. при этом координаты начала и конца вибратора сдвинута на l вдоль оси oz в положи­тельную и отрицательную стороны;

- аналогичным образом рассчитать координаты начала и конца второго вибратора;

- записать координаты в соответствующие ячейки таблицы;

- установить источники в центре каждого провода;

2. Во вкладке Вычисления:

- установить тип подстилающей поверхности «Свободное простран­ство»;

- задать высоту расположения вибратора;

произвести расчеты нажатием кнопки «Пуск»

 

 

Рис. 2.2. Горизонтальная антенная решетка

 

7. Содержание отчета

В отчете должны быть приведены:

1. Рисунок горизонтальной и вертикальной антенной решетки в декар­товой системе координат.

2. Таблица со значениями Явх, Хвх, КСВ при резонансе.

3. Диаграммы направленности в XOY и ZOY плоскостях, график зави­симости Явх, Хвх, КСВ от a и b.

4. Выводы о проделанной работе.