לחישוב יעילות אנטנות בהדמיית מחשב. תכנית, תיאור

אינציקלופדיה של רדיו אלקטרוניקה והנדסת חשמל
ספרייה חינם / ערכות של מכשירים רדיו-אלקטרוניים וחשמליים

לחישוב יעילות אנטנות בהדמיית מחשב. אנציקלופדיה של רדיו אלקטרוניקה והנדסת חשמל

ספריה טכנית בחינם

אנציקלופדיה של רדיו אלקטרוניקה והנדסת חשמל / תקשורת רדיו אזרחית

המאמר מספק תיאור השוואתי של כמה גישות להערכת מקדם הביצועים (COP) של אנטנות ומערכות אנטנות בהתבסס על תוצאות הדמיית מחשב אלקטרומגנטית, תוך התחשבות בהפסדים. מוצגות האפשרויות לחישוב יעילות האנטנה באמצעות תוכנת MMANA וניתן תיאור של התוכנית לחישוב היעילות על סמך תוצאות הסימולציה.

מבוא

מודלים ממוחשבים מספקים הזדמנויות שימושיות להערכת היעילות של אנטנות קיימות וחיזוי היעילות של אנטנות בפיתוח. אם עצמים מהסביבה הקרובה של האנטנה (תומכים, פלטה, גג) משתתפים בתהליך הקרינה, אז ניתן להעריך את ההשפעה של עצמים אלה, במילים אחרות, את היעילות של מערכת האנטנות כולה. הערכת יעילות מעניינת במיוחד עבור אנטנות קטנות חשמלית (ESA) בשל הקושי להשיג יעילות גבוהה בגודל גל קטן (כלומר, מבוטא בשברים של אורך גל).

ההגדרה הכללית ביותר של יעילות היא היחס בין הספק הקרינה P∑ להספק העירור PE במצב השידור:

כאשר PL הוא אובדן ההספק בחומרי המוליכים והדיאלקטריות של האנטנה. מעקרון ההדדיות נובע שבמצב קליטה יעילות האנטנה זהה ליעילות השידור.

הגדרה נוספת של יעילות (לפי מקבילה למעגל) היא היחס בין התנגדות הקרינה R∑, המופחתת לנקודת חיבור האנטנה, לחלק הפעיל של עכבת הכניסה (עכבה) RA, שהוא הסכום של R∑ וההפסד המקביל. התנגדות RL:

שיטות לחישוב יעילות בסימולציה

1. שימוש בנתוני כוח כונן ואובדן חשמל

כוח העירור (הספק מסופק לאנטנה) PE מחושב בקלות מתוצאות הסימולציה:

(3)

כאשר lE הוא הערך האפקטיבי (היעיל) של זרם העירור.

אם, בהכרת הזרמים In והרכיבים הפעילים Rn של העכבות של כל המקטעים הבודדים של האנטנה, חשב את אובדן ההספק

אז אתה יכול לקבל את עוצמת הקרינה כהפרש בין עוצמת העירור לעוצמת ההפסד:

היעילות מחושבת באמצעות נוסחה (1).

השיטה מועילה מעט להערכת יעילות נמוכה (כמה אחוזים או פחות), במיוחד כאשר השגיאות בקביעת כוח ההפסד וכוח העירור גדולות. לעתים קרובות מתקבלים ערכים שליליים של P∑ ומכאן יעילות (לדוגמה, בתוכנית NEC2d).

2. חישוב אנליטי של התנגדות הקרינה או קביעתה על ידי ניתוח המודל של אנטנה אידיאלית מבלי לקחת בחשבון הפסדים

עבור אנטנות פשוטות, ניתן לחשב את התנגדות הקרינה באמצעות נוסחאות ידועות או להשיג על ידי מודל של אנטנה אידיאלית. זה עדיף על זה כמו ההבדל בין מספרים קרובים מאוד המתקבלים עם שגיאות גדולות.

היעילות מחושבת לפי נוסחה (2). יש לזכור שבמקרים מסוימים התפלגות הזרם, וכתוצאה מכך, התנגדות הקרינה המופחתת תלויים מאוד בהפסדים, ונוסחה (2) בעת קביעת R∑ על ידי דוגמנות מבנה אידיאלי יכולה לתת יעילות עם שגיאה גדולה (עבור לדוגמה, תתקבל יעילות גדולה מאחדות). זה קורה, למשל, בעת מודלים של דיפול באורך של אורך גל אחד.

3. השוואה בין ערכי הרווח המקסימלי של אנטנה אמיתית ואנטנה נטולת אובדן דומה במבנה

הרווח המרבי של האנטנה, כידוע, קשור למקדם הכיווניות המקסימלי (DFA) Dmax באמצעות היעילות:

מכאן, היעילות מתקבלת ישירות אם יש ביטחון שצורת תבנית הקרינה (RP) ללא התחשבות בהפסדים דומה לצורת ה-RP של אנטנה אמיתית.

הערך מתקבל כתוצאה ממודלים של אנטנה אידיאלית עם יעילות יחידה (η = 1).

בעת קביעת היעילות מיחס (6), יש לבטא את Gmax ו-Dmax ביחידות יחסיות, ולא בדציבלים. כדי לעבור מדציבלים ליחסים של הכמויות הנחשבות, משתמשים בנוסחאות

אתה יכול גם למצוא את ערך היעילות מתוצאות הניתוח בדציבלים ישירות:

אם מערכת האנטנות מכילה חוטים בקטרים שונים באופן משמעותי או מחומרים שונים, אזי דפוסי הקרינה של אנטנות אובדות וחסרות אובדן יכולות להיות שונות בצורה ניכרת בצורתן, ושיטה זו מובילה גם לשגיאות.

4. שימוש בנתונים על הספק הכניסה וקביעת הספק הקרינה בשיטת Poynting Vector

השיטה הטובה והאוניברסלית ביותר לחישוב עוצמת הקרינה של כל אנטנה היא שיטת הווקטור פוינטינג [1].

שקול את אופן הפעולה של האנטנה בשטח פנוי (איור 1).

לחישוב יעילות האנטנה בהדמיית מחשב

וקטור ה-Poynting P, כפי שאתה יודע, הוא המכפלה הווקטורית של הווקטורים של הרכיבים E החשמליים וה-H המגנטיים של השדה האלקטרומגנטי

הכיוון שלו בכל נקודה M של האזור הרחוק עולה בקנה אחד עם כיוון הקרינה של גלי רדיו, וערכו מייצג את צפיפות השטף של אנרגיית הקרינה (W/m2) במרחק נתון (R) בכיוון נתון (Θ, φ). כאן Z0 = 120π (אוהם) היא עכבת הגל של החלל הפנוי; E(Θ, φ, R) - עוצמת (V/m) של רכיב השדה החשמלי בנקודה נתונה.

על כדור ברדיוס R, בקרבת הנקודה M, אנו מייחדים אזור התחום במרווחים קטנים ΔΘ ו-Δφ (איור 1). שטחו נקבע מהביטוי

כוח קרינה דרך כרית זו

על ידי חלוקת הכדור כולו למספר גדול מספיק של אזורים קטנים וסיכום כוחות הקרינה דרך כל האזורים, ניתן לקבל ערך קרוב מאוד לעוצמת קרינת האנטנה דרך כל פני השטח הכדוריים:

כאן M הוא מספר הצעדים לאורך הקואורדינטה φ; N הוא מספר הצעדים לאורך קואורדינטת Θ. אם ניקח את אותם צעדים A במעלות ב-Θ וב-φ, אז נקבל М = 360/Δ ו- N = 180/Δ. עבור שטח פנוי, הערך של רדיוס R של משטח זה אינו משנה.

לאחר חישוב הכוח המסופק לאנטנה לפי הנוסחה (3), נקבל את היעילות כלומר (1). החיסרון בשיטה זו הוא שבתנאים אמיתיים התוצאה תלויה בהפסדים במצע הריבוי. בדוגמנות, ניתן לעקוף זאת על ידי שימוש בשטח פנוי או בתנאי קרקע אידיאליים. שימו לב שעבור כדור הארץ אידיאלי, יש צורך לשקול לא את כל הכדור, אלא רק את חצי הכדור העליון, ו-N = 90/Δ.

המוזרויות של חישוב יעילות המבוסס על תוצאות תוכנית MMANA

חישוב לפי פסקאות. 2 ו-3 אפשריים עם ההסתייגויות לעיל ישירות מתוצאות הניתוח של אנטנה אובדת ואנטנה ללא הפסדים. התנאי היחיד: מצב השטח הפנוי או האדמה האידיאלית.

MMANA אינו מאפשר לך להציג את העכבות של מקטעים בודדים לניתוח. זה הופך את השביל הראשון (פריט 1), שיש לו חסרונות רציניים, לבלתי נגיש.

ערכי חוזק שדה רחוק גם אינם מוצגים, אשר ניתן להשתמש בהם כדי לחשב את עוצמת הקרינה באמצעות שיטת הווקטור Poynting. טבלאות התוצאות נותנות את הרווח בדציבלים GA(Θ, φ) (dBi) בכיוון נתון עבור אנטנה נתונה ביחס לרדיאטור איזוטרופי אידיאלי באותו הספק כניסה. עם זאת, זה עדיין מספיק כדי לקבוע את היעילות. ואפילו לפי אלגוריתם פשוט יותר מאשר לפי (12), (3), (1):

כאן ומטה, הערכים של GA(Θ, φ) חייבים להיות ביחידות יחסיות:

בהתאם לאלגוריתם (13), הורכבה תוכנית לחישוב יעילות האנטנה.

תוכנית חישוב יעילות אנטנה

התוכנית לחישוב יעילות האנטנה על סמך תוצאות הניתוח בתוכנית MMANA כתובה ב-Turbo Basic וזמינה באתר מגזין רדיו. הקובץ kpdmm.exe ממוקם בכל ספרייה ומופעל על MS DOS או MS Windows ללא התקנה מיוחדת.

התוכנה משתמשת בקובץ בטופס name.csv, אשר נוצר על ידי תוכנת MMANA על ידי בחירה ב"שולחן זווית/חיזוק" מתפריט "קובץ". ניתן לחשב יעילות לאחר ניתוח במצב שטח פנוי או במצב קרקע אידיאלי. השלבים עבור זוויות האזימוט והזניט מוגדרים זהים. התוכנית מספקת רק שני ערכי צעד אפשריים: 2° או 10°. לחישובים משוערים מומלץ שלב של 10°, ולחישובים מדויקים שלב של 2°. (הפחתת צעדים נוספת במקרה של תוכנית MMANA אינה מובילה לשיפור משמעותי ברמת הדיוק, אך היא דורשת כמות גדולה של זיכרון ומאטה משמעותית את תהליך החישוב.) טבלה 1 מציגה את ערכי החובה של הזוויות ההתחלתיות. , הצעד ומספר הצעדים בפינות עבור כל ארבעת המצבים האפשריים.

לחישוב יעילות האנטנה בהדמיית מחשב

מיד לאחר ההשקה, התוכנית מבקשת ממך לבחור את שפת העבודה של הדיאלוג: רוסית (קידוד DOS 866) או אנגלית. לאחר מכן, עליך לציין באיזה מצב בוצע ניתוח האנטנה ב-MMANA (שטח פנוי או קרקע אידיאלית). אינדיקציה שגויה של המצב, יחד עם הזנת נתונים שגויה לטבלה, עשויה שלא להתגלות על ידי התוכנית ולהוביל לשגיאה משמעותית בחישוב היעילות. לאחר מכן הזינו את שם הקובץ המכיל את טבלת "זוויות/חיזוק". שם הקובץ חייב להכיל לא יותר משמונה תווים ללא קירילי. אם הקובץ לא נמצא בספריית העבודה, עליך לציין את הנתיב אליו. התוכנית מזהה קבצים שצוינו בטעות, כמו גם שגיאות בהזנת נתונים ראשוניים (חוסר עקביות של הנתונים בטבלה 1) ומוציאה הערות מתאימות. אם הקובץ או הנתיב שלו לא נמצא, תוצג הודעה. אם הקלט הצליח, לאחר עיבוד הקובץ, מוצגת תוצאת חישוב היעילות ביחידות יחסיות ובאחוזים.

השוואה והערכה של שיטות לחישוב יעילות לאחר סימולציה על ידי תוכנית MMANA

טבלה 2 מציגה את התוצאות של חישובי יעילות באמצעות השיטות שנדונו לעיל עבור כמה דגמי אנטנות מארכיון MMANA העשויים מחומר נטול אובדן, מוליך טוב וברזל.

לחישוב יעילות האנטנה בהדמיית מחשב

לדגם 1 היו צורות ותבניות התפלגות זרם סבילות לאובדן. לכן, התוצאות של חישובי יעילות בכל השיטות כמעט תואמות.

לדגם 2 יש לנו הבדל ניכר רק לברזל לפי השיטה הראשונה. הסיבה היא שינוי משמעותי בזרמים בחוט שבו מופעל מקור העירור.

לדגם השלישי, בניגוד למקורי, היה עובי קטן פי 10 של ויברטורים פסיביים. זה השפיע מאוד הן על התפלגות הזרם והן על דפוס הקרינה, במיוחד במקרה של ברזל. לכן, קיימות סטיות משמעותיות של התוצאות עבור שתי השיטות הראשונות מהשלישית.

תבנית הכיוון של הדגם הרביעי התבררה כמשוננת מאוד בהשפעת כדור הארץ האידיאלי, כך שהיה הבדל אפילו בין תוצאות התוכנית שהושגו עם שלבי זווית שונים.

האמינות ביותר הן התוצאות שהושגו על ידי התוכנית בצעד של 2°. מבין השיטות האחרות, השיטה השנייה (על ידי הגברה) מספקת שגיאה קטנה יותר.

AGT - מבחן התכנסות סימולציה

אם אתה משתמש בתוכנית המוצעת כדי לחשב את יעילות האנטנה ללא הפסדים, התוצאה תהיה קרובה יותר לאחדות, ככל שהמודל הגיאומטרי של מבנה החוט יבוצע בהצלחה רבה יותר. זה חל במיוחד על פילוח, דוגמנות חוטים מרווחים קרובים, מסגרות קטנות וחיבורי חוטים בעלי זווית חדה. מבחן זה ידוע כמבחן AGT (Average Gain Test) או APG (Average Power Gain) של התכנסות הניתוח לפי הרווח הממוצע. איכות הדוגמנות צריכה להיחשב כלא מספקת אם התוצאה היא מחוץ לגבולות של 0,95 ... 1,05. ככל שאיכות הסימולציה טובה יותר, כך התוצאה קרובה יותר לאחדות. עם זאת, ייתכנו מצבים שבהם תוצאת הבדיקה היא בדיוק אחת, והמודל נכשל. AGT - אימות הכרחי אך לא מספיק. סימן טוב להתכנסות ויציבות המודל הוא התלות החלשה של פרמטרי המודל בהגדלת מספר המקטעים (שיפור דיוק הסימולציה).

אם מבחן AGT הזמין בתוכנית מיושם על דגם אנטנה אובדן, התוצאה תהיה יעילות האנטנה. אפשרות כזו, בפרט, זמינה בתוכנית NEC2d, שבה גם מקדם היעילות מחושב בנפרד לפי השיטה (5) עם כל המינוסים שלה.

חישוב יעילות תוך התחשבות בהשפעת כדור הארץ והסביבה

חישוב היעילות של אנטנה על פני קרקע אידיאלית שימושי כאשר מערכת האנטנות כל כך קרובה לקרקע או למשטח אחר, כגון משטח מוליך, שלמשטח זה יש השפעה משמעותית על חלוקת הזרמים דרך החוטים ודפוס הקרינה. .

במצב "קרקע אידאלי", התוכנית יכולה לעבד קבצים שהושגו בתנאי קרקע אמיתיים. תוצאת העיבוד תהיה ערך היעילות המחושב תוך התחשבות בהפסדים לא רק באנטנה עצמה, אלא גם כאשר משתקף ממשטח לא אידיאלי. לכן, בהודעה "Perfect (?) Ground" מופיע סימן שאלה המתריע על שגיאה אפשרית שהתוכנה לא יכולה לזהות. חישוב היעילות על פני קרקע אמיתית ייתן תוצאות נכונות פחות או יותר רק עבור תוכניות שלוקחות בחשבון את השפעת הארקה על עכבת הכניסה (זה לא נעשה על ידי התוכניות M IN IN EC ונגזרותיה).

חישוב היעילות תוך התחשבות בסביבה אפשרי רק בתנאי של מידול אלקטרומגנטי מתאים (בהתחשב בתכונות החומר) של עצמים הנמצאים בשדה הקרוב של האנטנה. קשיים עלולים להתעורר כאשר אי אפשר להגדיר פרמטרים שונים של חומרים עבור חוטים שונים (כמו, למשל, בתוכנית MMANA). בעיה זו ניתנת לפתרון חלקית על ידי ציון קוטר חוט קטן בהרבה (או גדול יותר).

מסקנה

הנושאים הנדונים במאמר אינם משפיעים על הפסדים בקווי הזנה ובמכשירים תואמים. היעילות של מכשיר מזין האנטנה בכללותו היא תוצר של יעילות האנטנה ויעילות קו המזין עם ההתקן התואם.

היישום של המתודולוגיה המתוארת אינו מוגבל לתוכניות אלה. השגיאות בקביעת היעילות בשיטת הווקטור Poynting קשורות לאיכות הסימולציה וכן לעיגול הנתונים בקובץ לשדה הרחוק. לרוע המזל, נתוני הפלט לאחר סימולציה על ידי תוכנית MMANA אינם מדויקים במיוחד. יש לקוות שבגרסאות חדשות של תוכנית MMANA חסרון זה יבוטל, והמפתחים של תוכניות דוגמנות אנטנות חדשות לא ישכחו לכלול את קביעת היעילות בין המשימות שיש לפתור, תוך התחשבות ברצונות המובעים כאן.

ספרות

Markov G.T., Sazonov D.M. אנטנות. - מ.: אנרגיה, 1975.
גונצ'רנקו I.V. מודלים ממוחשבים של אנטנות. הכל על תוכנית MMANA. - מ.: IP RadioSoft, כתב עת "רדיו", 2002.

מחברים: A. Grechikhin, I. Karetnikova, D. Proskuryakov, Nizhny Novgorod

ראה מאמרים אחרים סעיף תקשורת רדיו אזרחית.

תקרא ותכתוב שימושי הערות על מאמר זה.

<< חזרה

חדשות אחרונות של מדע וטכנולוגיה, אלקטרוניקה חדשה:

מכונה לדילול פרחים בגנים 02.05.2024

בחקלאות המודרנית מתפתחת התקדמות טכנולוגית שמטרתה להגביר את היעילות של תהליכי טיפול בצמחים. מכונת דילול הפרחים החדשנית Florix הוצגה באיטליה, שנועדה לייעל את שלב הקטיף. כלי זה מצויד בזרועות ניידות, המאפשרות התאמתו בקלות לצרכי הגינה. המפעיל יכול להתאים את מהירות החוטים הדקים על ידי שליטה בהם מתא הטרקטור באמצעות ג'ויסטיק. גישה זו מגדילה משמעותית את יעילות תהליך דילול הפרחים, ומעניקה אפשרות להתאמה אישית לתנאים הספציפיים של הגינה, כמו גם למגוון וסוג הפרי הגדלים בה. לאחר שנתיים של בדיקת מכונת פלוריקס על סוגי פירות שונים, התוצאות היו מאוד מעודדות. חקלאים כמו Filiberto Montanari, שהשתמש במכונת פלוריקס כבר כמה שנים, דיווחו על הפחתה משמעותית בזמן ובעבודה הנדרשים לדלל פרחים. ... >>

מיקרוסקופ אינפרא אדום מתקדם 02.05.2024

למיקרוסקופים תפקיד חשוב במחקר המדעי, המאפשר למדענים להתעמק במבנים ותהליכים בלתי נראים לעין. עם זאת, לשיטות מיקרוסקופיה שונות יש מגבלות, וביניהן הייתה הגבלת הרזולוציה בעת שימוש בטווח האינפרא אדום. אבל ההישגים האחרונים של חוקרים יפנים מאוניברסיטת טוקיו פותחים סיכויים חדשים לחקר עולם המיקרו. מדענים מאוניברסיטת טוקיו חשפו מיקרוסקופ חדש שיחולל מהפכה ביכולות של מיקרוסקופיה אינפרא אדום. מכשיר מתקדם זה מאפשר לך לראות את המבנים הפנימיים של חיידקים חיים בבהירות מדהימה בקנה מידה ננומטרי. בדרך כלל, מיקרוסקופים אינפרא אדום בינוני מוגבלים ברזולוציה נמוכה, אך הפיתוח האחרון של חוקרים יפנים מתגבר על מגבלות אלו. לדברי מדענים, המיקרוסקופ שפותח מאפשר ליצור תמונות ברזולוציה של עד 120 ננומטר, שהיא פי 30 מהרזולוציה של מיקרוסקופים מסורתיים. ... >>

מלכודת אוויר לחרקים 01.05.2024

חקלאות היא אחד מענפי המפתח במשק, והדברה היא חלק בלתי נפרד מתהליך זה. צוות של מדענים מהמועצה ההודית למחקר חקלאי-המכון המרכזי לחקר תפוחי אדמה (ICAR-CPRI), שימלה, העלה פתרון חדשני לבעיה זו - מלכודת אוויר של חרקים המופעלת על ידי רוח. מכשיר זה מטפל בחסרונות של שיטות הדברה מסורתיות על ידי מתן נתוני אוכלוסיית חרקים בזמן אמת. המלכודת מופעלת כולה על ידי אנרגיית רוח, מה שהופך אותה לפתרון ידידותי לסביבה שאינו דורש חשמל. העיצוב הייחודי שלו מאפשר ניטור של חרקים מזיקים ומועילים כאחד, ומספק סקירה מלאה של האוכלוסייה בכל אזור חקלאי. "על ידי הערכת מזיקים מטרה בזמן הנכון, נוכל לנקוט באמצעים הדרושים כדי לשלוט הן במזיקים והן במחלות", אומר קפיל ... >>

חדשות אקראיות מהארכיון

פחמן דו חמצני הפך לפחם 27.02.2019

חוקרים מאוניברסיטת מלבורן המלכותית לטכנולוגיה (RMIT) למדו כיצד להפוך פחמן דו חמצני לפחמן חלקיקי.

קיימות כבר טכנולוגיות להמרת CO2 לנוזל שניתן לאחסן מתחת לאדמה. אך לשיטה זו יש חסרונות משמעותיים: עלויות הובלה גבוהות וסיכון לדליפת נוזלים ממתקני אחסון. הפיכת פחמן דו חמצני למוצק היא גישה הרבה יותר בטוחה וידידותית לסביבה. עם זאת, זה היה אפשרי בעבר רק בטמפרטורות גבוהות במיוחד.

כעת, באמצעות מתכות נוזליות כזרז, מדענים הצליחו להפוך פחמן דו חמצני בחזרה לפחם בטמפרטורת החדר. זהו הצעד הראשון לקראת פיתוח דרך אמינה ויעילה לניקוי האטמוספירה מאחד מגזי החממה העיקריים האחראים להתחממות הגלובלית.

"אמנם אנחנו לא יכולים להחזיר את הזמן אחורה, פשוטו כמשמעו, אבל הפיכת הפחמן הדו-חמצני בחזרה לפחם והטמנתו באדמה היא סוג של היפוך לאחור של שעון האקלים", אומרים המדענים.

הם מציינים שתוצר הלוואי של תהליך זה הוא דלק סינטטי שניתן להשתמש בו בתעשייה.

עוד חדשות מעניינות:

▪ בצד הרחוק של הירח, טלסקופ רדיו החל לפעול

▪ קול של תירס

▪ Microchip LoRa RN2483 IoT אלחוטי מודול

▪ בלגיה תקים אי אנרגיה מלאכותית

▪ טעם נצחי של מסטיק

עדכון חדשות של מדע וטכנולוגיה, אלקטרוניקה חדשה

חומרים מעניינים של הספרייה הטכנית החופשית:

▪ קטע אתר ציוד ריתוך. בחירת מאמרים

▪ מאמר עזרה עם דימום. בטיחות ובריאות בעבודה

▪ מאמר כמה אחוזים מהמינים על הפלנטה שלנו פתוחים ומסווגים? תשובה מפורטת

▪ מאמר שפתיים סדוקות. בריאות

▪ מאמר בקרת עוצמת קול וצליל של קומפלקס סטריאו מודרני. אנציקלופדיה של רדיו אלקטרוניקה והנדסת חשמל

▪ מאמר זולו פתגמים ואמרות. מבחר גדול

השאר את תגובתך למאמר זה:

כל השפות של דף זה

בית | הספרייה | מאמרים | <font><font>מפת אתר</font></font> | ביקורות על האתר