Расчёт спиральной антенны круговой поляризации (стр. 4 из 5)

Волновое сопротивление конусной части линии должно быть:

По известному волновому сопротивлению можно определить соотношение диаметров элементов коаксиального тракта по формуле 26. Для коаксиального волновода с воздушным заполнением и Z=100 Ом отношение d/D=0.17, для Z=140 Ом - 0.096, для Z=50 Ом - 0.435.

Для того чтобы было удобно соединять трубку спирали и центральную жилу выходной части согласующего устройства возьмем последнюю диаметром меньше диаметра трубки например 3 мм.

Так как антенна согласована на средней рабочей частоте, то КСВ при этих условиях будет минимален. При изменении частоты КСВ будет увеличиваться. Для расчета КСВ в диапазоне частот используем формулу 24. Зависимость КСВ от частоты приведена на рисунке 4.1.

Зная геометрические размеры антенны, можно рассчитать ее электрические параметры. Формулы для расчета диаграмм направленности получаются для компонент Еq и Еf поля волны Т1. Эти выражения приводятся в литературе. Приближенно можно считать, что диаграммы направленности не зависят от угла f, т.е. являются телами вращения, хотя небольшая зависимость все же имеется. В итоге ДН для целого числа витков спирали определяются нижеприведенными выражениями.

Рисунок 4.1 – КСВ антенны в полосе частот

Диаграммы направленности имеют вид:

Рисунок 4.2 – ДН антенны на средней частоте диапазона в полярных координатах

Рисунок 4.3 - ДН антенны на средней частоте диапазона в прямоугольных координатах (плоскость Е)

Рисунок 4.4 – ДН антенны на средней частоте диапазона в прямоугольных координатах (плоскость Н)

Рисунок 4.5 – ДН антенны на нижней частоте диапазона в полярных координатах

Рисунок 4.6 – ДН антенны на верхней частоте диапазона в полярных координатах

Зависимость КНД от длины волны в пределах рабочего диапазона имеет вид:

Рисунок 4.7 – Зависимость КНД от длины волны

3.3 Программа для расчета электрических параметров

Для решения внешней задачи и для расчета электрических параметров цилиндрической спиральной антенны была использована программа MMANA. Программа разработана японским специалистом MakotoMori и переведена на русский язык специалистом И. Гончаренко.

В программе реализован метод интегральных уравнений для тонкопроволочных антенн. По заданной пользователем геометрии проволочной антенны MMANA позволяет:

· рассчитывать любые типы антенн, которые можно представить как произвольный набор проводов;

· производить расчет на любой частоте;

· создавать и редактировать описания антенны, как указанием цифровых координат, так и в графическом редакторе (просто рисовать антенну "мышкой");

· рассматривать множество разных видов антенны;

· рассчитывать диаграммы направленности (ДН) в вертикальной и горизонтальной плоскостях;

· строить трехмерные диаграммы направленности;

· одновременно сравнивать результаты моделирования нескольких разных антенн;

· редактировать каждый элемент антенны, включая возможность изменения его форму;

· редактировать описание каждого провода антенны простым перетаскиванием "мышкой";

· просчитывать комбинированные (состоящие из нескольких, разных диаметров) провода;

· создавать стеки, в качестве элемента стека можно использовать любую;

· оптимизировать антенну, гибко настраивая цели оптимизации: Zвх, КСВ, усиление, F/B, минимум вертикального угла излучения;

· задавать изменение при оптимизации более 90 параметров антенны, возможно описание совместного (зависимого) изменения нескольких параметров;

· сохранять все шаги оптимизации в виде отдельной таблицы для последующего анализа;

· строить множество разнообразных частотных графиков: Zвх, КСВ, усиление, F/B, ДН;

· автоматически рассчитывать разные согласующие устройства, с возможностью включать и выключать их при построении графиков;

· создавать таблицы для всех переменных расчетных данных: токов в каждой точке антенны, зависимости усиления от углов, изменение основных параметров антенны от частоты, напряженности полей антенны в заданной области пространства;

· рассчитывать катушки, контура, СУ на LС элементах, СУ на отрезках длинных линий (несколько видов), индуктивности и емкости, выполненные из отрезков коаксиального кабеля;

· Не имеет ограничений по взаимному расположению проводов. Максимальное число: проводов — 512, источников — 64, нагрузок — 100.

·

Рисунок 4.8 - Внешний вид программы MMANA

После задания геометрии, источников (обязательно), нагрузок (не обязательно) и частоты можно рассчитать характеристики и параметры антенны. Для этого необходимо выбрать пункт меню «Вычисления», в открывшемся экране щелкнуть по кнопке «Пуск». После расчета в таблицу этого экрана выводятся параметры антенны. Диаграмму направленности можно просмотреть, выбрав пункт меню «Диаграммы направленности».

Рисунок 4.9 - Вид модели в программе MMANA

Геометрию антенны можно создавать также с помощью встроенного графического редактора. Для того чтобы войти в редактор и рисовать в нем отрезки проводников, необходимо:

• или на экране «Геометрия» в главном меню выбрать пункт «Правка», в развернувшемся подменю щелкнуть по пункту «Правка провода»;

• или на экране «Вычисления» внизу щелкнуть по пункту «Правка провода». Методика рисования будет понятна после входа в редактор. Созданный файл геометрии и результатов расчета можно сохранить, выбрав в главном меню пункт «Файл».

Для задания геометрии спиральной антенны была использована программа, которая по основным параметрам антенны и экрана рассчитывает начальные и конечные координаты линейных отрезков (сегментов), на которые они разбиваются, и создает файл с расширением *.maa. Дальнейший расчет производится в программе MMANA.

Рисунок 4.10 - Внешний вид программы для расчета геометрии

В программе исходными данными для спирали являются: радиус, число витков, угол намотки, радиус проводника, шаг аппроксимации. Для экрана: радиус, число радиальных проводников, число колец экрана, дельта – размер ячейки относительно длины волны. Также задается: частота и имя выходного файла. Для начала работы следует нажать кнопку “Расчет и сохранение”. Файл с заданным именем создается в папке с программой.

3.4 Результаты численного моделирования антенны

Моделирования в программе MMANA будет выполнено для того, чтобы проверить правильность результатов, которые были получены в результате теоретического расчёта. При необходимости будут внесены необходимые коррективы в геометрию антенны.

Рисунок 4.11 – ДН антенны в полярных координатах

Рисунок 4.12 – Зависимость КСВ от частоты

Рисунок 4.13 – Зависимость КНД и F/B от частоты

Рисунок 4.14 – Зависимость активной и реактивной части входного сопротивления от частоты

Рисунок 4.15 – Зависимость ДН от частоты

При работе антенны в реальных условиях, КНД будет увеличиваться из-за изрезанности ДН в вертикальной плоскости. На рисунке 4.14 приведена ДН антенны, расположенной на высоте 5 метров над землёй.

Рисунок 4.16 – ДН антенны, расположенной на высоте 5 метров над землёй

Рисунок 4.17 – Объёмная ДН антенны, расположенной на высоте 5 метров над землёй

Активное сопротивление составляет около 140 Ом, что позволяет подключать антенну к стандартному коаксиальному кабелю с сопротивлением 50 Ом с применением согласующего устройства, рассчитанного в разделе 4.2.