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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Al calcolo dell'efficienza delle antenne nella simulazione al computer. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Radiocomunicazioni civili L'articolo fornisce una descrizione comparativa di alcuni approcci alla valutazione del coefficiente di prestazione (COP) di antenne e sistemi di antenne basati sui risultati della simulazione elettromagnetica al computer, tenendo conto delle perdite. Vengono mostrate le possibilità di calcolare l'efficienza dell'antenna utilizzando il programma MMANA e viene fornita una descrizione del programma per il calcolo dell'efficienza in base ai risultati della simulazione. Introduzione La modellazione al computer offre utili opportunità per valutare l'efficienza delle antenne esistenti e prevedere l'efficienza delle antenne in fase di sviluppo. Se gli oggetti dell'ambiente circostante l'antenna (supporti, bretelle, tetto) partecipano al processo di irraggiamento, allora è possibile stimare l'influenza di questi oggetti, in altre parole, l'efficienza dell'intero sistema di antenna. La stima dell'efficienza è di particolare interesse per le antenne elettricamente piccole (ESA) a causa della difficoltà di ottenere un'elevata efficienza a piccole onde (espresse in frazioni di lunghezza d'onda) La definizione più generale di efficienza è il rapporto tra la potenza di radiazione P∑ e la potenza di eccitazione PE nella modalità di trasmissione:
dove PL è la perdita di potenza nei materiali dei conduttori e dei dielettrici dell'antenna. Dal principio di reciprocità deriva che in modalità di ricezione l'efficienza dell'antenna è la stessa che in modalità di trasmissione. Un'altra definizione di efficienza (per circuito equivalente) è il rapporto tra la resistenza alla radiazione R∑, ridotta al punto di connessione dell'antenna, e la parte attiva dell'impedenza di ingresso (impedenza) RA, che è la somma di R∑ e la perdita equivalente resistenza RL:
Metodi per calcolare l'efficienza nella simulazione 1. Uso dei dati relativi alla potenza dell'azionamento e alla perdita di potenza La potenza di eccitazione (potenza fornita all'antenna) PE è facilmente calcolabile dai risultati della simulazione:
dove lE è il valore effettivo (efficace) della corrente di eccitazione. Se, conoscendo le correnti In e le componenti attive Rn delle impedenze di tutti i singoli segmenti dell'antenna, si calcola la potenza dissipata
quindi puoi ottenere la potenza di radiazione come differenza tra la potenza di eccitazione e la potenza di perdita:
L'efficienza è calcolata secondo la formula (1). Il metodo è di scarsa utilità per valutare la bassa efficienza (pochi percento o meno), specialmente quando gli errori nella determinazione della potenza di perdita e della potenza di eccitazione sono grandi. Spesso si ottengono valori negativi di P∑ e quindi efficienza (ad esempio, nel programma NEC2d). 2. Calcolo analitico della resistenza alle radiazioni o sua determinazione analizzando il modello di un'antenna ideale senza tener conto delle perdite Per antenne semplici, la resistenza alle radiazioni può essere calcolata utilizzando formule note o ottenuta modellando un'antenna ideale. Questo è meglio che averlo come differenza tra numeri molto vicini ottenuti con grandi errori. L'efficienza è calcolata secondo la formula (2). Va tenuto presente che in alcuni casi la distribuzione di corrente e, di conseguenza, la ridotta resistenza alle radiazioni dipendono fortemente dalle perdite, e la formula (2) quando si determina R∑ modellando una struttura ideale può dare un'efficienza con un errore elevato (per esempio, si otterrà un rendimento maggiore dell'unità). Ciò accade, ad esempio, quando si modella un dipolo con una lunghezza di una lunghezza d'onda. 3. Confronto dei valori di guadagno massimo di un'antenna reale e di un'antenna senza perdita di struttura simile Il massimo guadagno d'antenna, come è noto, è legato al massimo fattore di direttività (DFA) Dmax attraverso l'efficienza:
Da qui, l'efficienza si ottiene direttamente se si ha la certezza che la forma del diagramma di radiazione (RP) senza tener conto delle perdite sia simile alla forma dell'RP di un'antenna reale. Il valore è ottenuto come risultato della modellazione di un'antenna ideale con un'efficienza unitaria (η = 1). Quando si determina l'efficienza dalla relazione (6), Gmax e Dmax devono essere espressi in unità relative e non in decibel. Per passare dai decibel ai rapporti delle quantità in esame, vengono utilizzate delle formule
È inoltre possibile trovare direttamente il valore di efficienza dai risultati dell'analisi in decibel:
Se il sistema di antenne contiene fili di diametri significativamente diversi o di materiali diversi, i modelli di radiazione delle antenne con perdita e senza perdita possono differire notevolmente nella forma e anche questo metodo porta a errori. 4. Utilizzo dei dati sulla potenza in ingresso e determinazione della potenza di radiazione mediante il metodo del vettore di Poynting Il metodo migliore e più universale per calcolare la potenza di radiazione di qualsiasi antenna è il metodo del vettore di Poynting [1]. Considera la modalità di funzionamento dell'antenna nello spazio libero (Fig. 1).
Il vettore di Poynting P, come sai, è il prodotto vettoriale dei vettori delle componenti elettriche E e magnetiche H del campo elettromagnetico
La sua direzione in ogni punto M della zona lontana coincide con la direzione della radiazione delle onde radio e il suo valore Su una sfera di raggio R, in prossimità del punto M, individuiamo un'area delimitata da piccoli incrementi ΔΘ e Δφ (Fig. 1). La sua area è determinata dall'espressione
Potenza di radiazione attraverso questo pad
Dividendo l'intera sfera in un numero sufficientemente grande di piccole aree e sommando le potenze di radiazione attraverso tutte le aree, si può ottenere un valore molto vicino alla potenza di radiazione dell'antenna attraverso l'intera superficie sferica:
Qui M è il numero di passi lungo la coordinata φ; N è il numero di passi lungo la coordinata Θ. Se facciamo gli stessi passi A in gradi in Θ e φ, allora otteniamo М = 360/Δ e N = 180/Δ. Per lo spazio libero, il valore del raggio R di questa superficie non ha importanza. Calcolata la potenza fornita all'antenna secondo la formula (3), otteniamo l'efficienza ie (1). Lo svantaggio di questo metodo è che in condizioni reali il risultato dipende dalle perdite nel mezzo di propagazione. Nella modellazione, questo può essere aggirato utilizzando lo spazio libero o le condizioni ideali del terreno. Si noti che per una terra ideale è necessario considerare non l'intera sfera, ma solo l'emisfero superiore, e N = 90/Δ. Peculiarità del calcolo dell'efficienza sulla base dei risultati del programma MMANA Calcolo secondo i paragrafi. 2 e 3 è possibile con le riserve di cui sopra direttamente dai risultati dell'analisi di un'antenna lossy e di un'antenna lossless. L'unica condizione: la modalità dello spazio libero o della terra ideale. MMANA non consente di visualizzare le impedenze dei singoli segmenti per l'analisi. Ciò rende inaccessibile il primo percorso (punto 1), che presenta gravi inconvenienti. Anche i valori dell'intensità del campo lontano non vengono visualizzati, che potrebbero essere utilizzati per calcolare la potenza della radiazione utilizzando il metodo del vettore di Poynting. Le tabelle dei risultati forniscono il guadagno in decibel GA(Θ, φ) (dBi) in una data direzione per una data antenna rispetto a un radiatore isotropo ideale alla stessa potenza di ingresso. Tuttavia, questo è ancora sufficiente per determinare l'efficienza. E anche secondo un algoritmo più semplice rispetto a (12), (3), (1):
Qui e sotto, i valori di GA(Θ, φ) devono essere in unità relative:
In accordo con l'algoritmo (13), è stato compilato un programma per calcolare l'efficienza dell'antenna. Programma di calcolo dell'efficienza dell'antenna Il programma per il calcolo dell'efficienza dell'antenna basato sui risultati dell'analisi nel programma MMANA è scritto in Turbo Basic ed è disponibile sul sito Web della rivista Radio. Il file kpdmm.exe viene inserito in qualsiasi directory ed eseguito su MS DOS o MS Windows senza alcuna installazione speciale. Il programma utilizza un file del formato nome.csv, che viene creato dal programma MMANA scegliendo "Tabella angolo/armatura" dal menu "File". L'efficienza può essere calcolata dopo l'analisi in modalità spazio libero o in modalità terreno ideale. I passaggi per gli angoli di azimut e zenit sono impostati allo stesso modo. Il programma prevede solo due possibili valori di passo: 2° o 10°. Per calcoli stimati si consiglia un passo di 10° e per calcoli accurati un passo di 2°. (Un'ulteriore riduzione del passo nel caso del programma MMANA non porta a un miglioramento significativo della precisione, ma richiede una grande quantità di memoria e rallenta notevolmente il processo di calcolo.) La tabella 1 mostra i valori obbligatori degli angoli iniziali , il passo e il numero di passi negli angoli per tutte e quattro le possibili situazioni.
Subito dopo l'avvio, il programma richiede di selezionare la lingua di lavoro del dialogo: russo (codifica DOS 866) o inglese. Successivamente, è necessario specificare in quale modalità è stata eseguita l'analisi dell'antenna in MMANA (spazio libero o terreno ideale). L'indicazione errata della modalità, unitamente all'inserimento errato dei dati nella tabella, potrebbero non essere rilevati dal programma e portare a un errore significativo nel calcolo dell'efficienza. Inserire quindi il nome del file contenente la tabella "Angoli/Armatura". Il nome del file non deve contenere più di otto caratteri senza cirillico. Se il file non si trova nella directory di lavoro, è necessario specificarne il percorso. Il programma rileva i file specificati erroneamente, così come gli errori nell'inserimento dei dati iniziali (incoerenza dei dati nella Tabella 1) ed emette commenti appropriati. Se il file o il suo percorso non viene trovato, viene visualizzato un messaggio. Se l'input ha esito positivo, dopo l'elaborazione del file, viene visualizzato il risultato del calcolo dell'efficienza in unità relative e in percentuale. Confronto e valutazione di metodi per il calcolo dell'efficienza dopo simulazione mediante il programma MMANA La tabella 2 mostra i risultati dei calcoli di efficienza utilizzando i metodi discussi sopra per alcuni modelli di antenna dell'archivio MMANA realizzati in materiale senza perdite, buon conduttore e ferro.
Il modello 1 aveva forme e modelli di distribuzione della corrente tolleranti alla perdita. Pertanto, i risultati dei calcoli dell'efficienza con tutti i metodi praticamente coincidono. Per il modello 2, abbiamo una differenza notevole solo per il ferro secondo il primo metodo. Il motivo è un cambiamento significativo delle correnti nel filo in cui è accesa la sorgente di eccitazione. Il terzo modello, a differenza di quello originale, aveva uno spessore di vibratori passivi 10 volte inferiore. Ciò ha influenzato notevolmente sia la distribuzione della corrente che il diagramma di radiazione, specialmente nel caso del ferro. Pertanto, ci sono deviazioni significative dei risultati per i primi due metodi rispetto al terzo. Lo schema direzionale del 4° modello si è rivelato fortemente frastagliato sotto l'influenza della terra ideale, quindi c'era una differenza anche tra i risultati del programma ottenuti con diversi passi angolari. I più attendibili sono i risultati ottenuti dal programma con un gradino di 2°. Degli altri metodi, il 2° metodo (per amplificazione) fornisce un errore minore. AGT - test di convergenza di simulazione Se si utilizza il programma proposto per calcolare l'efficienza dell'antenna senza perdite, il risultato sarà tanto più vicino all'unità quanto più efficace sarà la modellazione geometrica della struttura del filo. Ciò vale in particolare per la segmentazione, la modellazione di fili ravvicinati, piccoli telai e connessioni di fili ad angolo acuto. Questo test è noto come test AGT (Average Gain Test) o APG (Average Power Gain) della convergenza dell'analisi per il guadagno medio. La qualità della modellazione è da considerarsi insoddisfacente se il risultato è al di fuori dei limiti di 0,95 ... 1,05. Migliore è la qualità della simulazione, più il risultato è vicino all'unità. Tuttavia, potrebbero esserci situazioni in cui il risultato del test è esattamente uno e il modello fallisce. AGT - la verifica è necessaria ma non sufficiente. Un buon segno della convergenza e stabilità del modello è la debole dipendenza dei parametri del modello dall'aumento del numero di segmenti (migliorando l'accuratezza della simulazione). Se il test AGT disponibile nel programma viene applicato a un modello di antenna con perdita, il risultato sarà l'efficienza dell'antenna. Tale possibilità, in particolare, è disponibile nel programma NEC2d, dove anche il fattore di efficienza viene calcolato separatamente secondo il metodo (5) con tutti i suoi svantaggi. Calcolo dell'efficienza tenendo conto dell'influenza della terra e dell'ambiente Il calcolo dell'efficienza di un'antenna su un terreno ideale è utile quando il sistema di antenna è così vicino al suolo o altra superficie, come una superficie conduttiva, che questa superficie ha un effetto significativo sulla distribuzione delle correnti attraverso i fili e il diagramma di radiazione . Nella modalità "Terra ideale", il programma può elaborare file ottenuti in condizioni reali del terreno. Il risultato dell'elaborazione sarà il valore di efficienza calcolato tenendo conto delle perdite non solo nell'antenna stessa, ma anche quando riflesse da una superficie non ideale. Pertanto, nel messaggio "Perfect (?) Ground" è presente un punto interrogativo che avverte di un possibile errore che il programma non è in grado di rilevare. Il calcolo dell'efficienza su terreno reale darà risultati più o meno corretti solo per programmi che tengono conto dell'effetto del terreno sull'impedenza di ingresso (questo non viene fatto dai programmi M IN IN EC e suoi derivati). Il calcolo dell'efficienza tenendo conto dell'ambiente è possibile solo a condizione di un'appropriata modellazione elettromagnetica (tenendo conto delle proprietà del materiale) degli oggetti situati nel campo vicino dell'antenna. Possono sorgere difficoltà quando è impossibile impostare parametri di materiale diversi per fili diversi (come, ad esempio, nel programma MMANA). Questo problema può essere parzialmente risolto specificando un diametro del filo molto più piccolo (o più grande). conclusione I problemi discussi nell'articolo non influiscono sulle perdite nelle linee di alimentazione e nei dispositivi di abbinamento. L'efficienza del dispositivo antenna-alimentatore nel suo complesso è il prodotto dell'efficienza dell'antenna e dell'efficienza della linea di alimentazione con il dispositivo di adattamento. L'applicazione della metodologia descritta non è limitata a questi programmi. Gli errori nella determinazione dell'efficienza utilizzando il metodo del vettore di Poynting sono legati alla qualità della simulazione, nonché all'arrotondamento dei dati nel file per il campo lontano. Sfortunatamente, i dati di output dopo la simulazione del programma MMANA non sono molto accurati. Si spera che nelle nuove versioni del programma MMANA questa lacuna venga eliminata e gli sviluppatori di nuovi programmi di modellazione dell'antenna non dimenticheranno di includere la determinazione dell'efficienza tra i compiti da risolvere, tenendo conto dei desideri qui espressi. Letteratura
Autori: A. Grechikhin, I. Karetnikova, D. Proskuryakov, Nizhny Novgorod
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rappresenta la densità del flusso di energia radiante (W/m2) a una data distanza (R) in una data direzione (Θ, φ). Qui Z0 = 120π (Ohm) è l'impedenza d'onda dello spazio libero; E(Θ, φ, R) - intensità (V/m) della componente del campo elettrico in un dato punto.
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