Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Проектирование антенн с помощью пакета ELNEC: Методические указания

Голосов: 0

Методические указания содержат краткое описание пакета компьютерного моделирования проволочных антенн ELNEC. Пакет позволяет рассчитать диаграммы направленности, коэффициент усиления и входное сопротивление антенн произвольного вида, которые можно представить в виде набора элементарных проводников - сегментов. Показан вид основных меню и дан пример описания антенн. Подготовлено кафедрой "Высокочастотные средства радиосвязи и телевидения" УГТУ-УПИ.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
        Министерство образования Российской Федерации

Уральский государственный технический университет - УПИ




      ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНТЕНН
     С ПОМОЩЬЮ ПАКЕТА ELNEC


         Методические указания по курсам
           “Распространение радиоволн
                и антенно-фидерные
      устройства в системах подвижной связи”,
            "Антенны и устройства СВЧ"
       для студентов всех форм обучения
         радиотехнических специальностей




                  Екатеринбург 2001


УДК 621.38


Составитель С.Н. Шабунин

Научный редактор доц., канд. техн. наук С.Т. Князев

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНТЕНН С ПОМОЩЬЮ ПАКЕТА ELNEC:
Методические указания по курсам “Распространение радиоволн и антенно-
фидерные устройства в системах подвижной связи”, "Антенны и устройст-
ва СВЧ"/ С.Н. Шабунин. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2001. 12 с.



    Методические указания содержат краткое описание пакета компью-
терного моделирования проволочных антенн ELNEC. Пакет позволяет рас-
считать диаграммы направленности, коэффициент усиления и входное со-
противление антенн произвольного вида, которые можно представить в
виде набора элементарных проводников – сегментов. Показан вид основ-
ных меню и дан пример описания антенн.

    Рис.7.




    Подготовлено кафедрой “Высокочастотные средства радиосвязи и те-
левидения”.




                                          ©Уральский государственный
                                   технический университет – УПИ, 2001




                                      2


     ELNEC – программа электродинамического моделирования и анализа
проволочных антенн, позволяющая моделировать конструкцию разнооб-
разных антенн. Программа позволяет рассчитывать диаграммы направлен-
ности с учетом поляризационных свойств антенн, определять коэффициент
усиления, уровень боковых лепестков и ширину главного лепестка по
уровню половинной мощности, соотношение излучения вперед-назад.
Программа дает возможность увидеть в трехмерном измерении располо-
жение проводников антенны, точки соединения сегментов, а также по-
смотреть расчетное распределение тока по проводникам антенны. Помимо
полевых характеристик антенны, можно исследовать и ее импедансные
свойства: рассчитать входное сопротивление и КСВ по входу антенны при
заданном волновом сопротивлении фидера. При расчете можно учесть
проводимость материала антенны. Анализ характеристик антенны прово-
дится как для открытого пространства, так и при наличии идеально прово-
дящей поверхности или реальной земли (ее параметры можно задать в за-
висимости от вида подстилающей поверхности). В конструкцию антенны
могут быть включены реактивные сопротивления.
     ELNEC имеет очень просто построенное базовое меню для моделиро-
вания и анализа параметров антенн. Описания антенн и их диаграмм на-
правленности могут быть легко сохранены и считаны с диска. Имеется
возможность в одной системе координат показать несколько диаграмм на-
правленности антенны для наглядного представления эффективности
предпринятых изменений ее конструкции и способов включения. Легко
выполняется анализ изменения диаграмм направленности антенны в поло-
се частот. Программа позволяет легко изменять конструкцию антенны, из-
менять длину и расположение сегментов и их диаметр. Алгоритм работы
программы ELNEC при модификации антенны позволяет проводить не
полный пересчет ее параметров, а только тех из них, которые изменились,
что приводит к существенной экономии времени счета. Результаты расче-
тов могут быть выведены на принтер.

                            ИНСТАЛЛЯЦИЯ

     Для инсталляции пакета ELNEC следует создать на жестком диске
поддиректорию (например, с именем ELNEC) и скопировать в нее содер-
жимое файлов. Желательно для файлов описания конструкции антенн соз-
дать отдельную поддиректорию (например, \ELNEC\ANTENNAS). Для со-
хранения выходной информации целесообразно создать еще одну подди-
ректорию (например, \ELNEC\DATA). В этой же поддиректории сохраня-
ются результаты исследования параметров антенн при частотном сканиро-
вании. Программа ENSETUP позволяет несколько изменить конфигурацию
системы, сохраняемую в файле ELNEC.CFG.



                                     3


                 МОДЕЛИРОВАНИЕ АНТЕНН В ELNEC

    ELNEC – программа моделирования антенны, т.е. построения модели
антенны, имитирующей реальную антенну. Создание подходящей модели
антенны является своеобразным искусством. Соответствие параметров
смоделированной антенны параметрам реально изготовленной появляется
после получения определенных навыков проектирования антенн.

            МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ АНТЕННЫ

     ELNEC моделирует любую антенну набором прямых круглых провод-
ников – WIRES. Даже петлевые элементы антенн следует создавать из ко-
ротких прямых проводников. Диаметр проводников может быть любым,
но не более 0,02 длины волны. Практически любая проводящая структура
может быть смоделирована набором проводников. Например, проводящая
поверхность может быть заменена сеткой проводников с шагом 0,1 длины
волны или меньше.
     Положение проводников в пространстве задается координатами нача-
ла и конца соответственно вдоль осей x, y и z. ELNEC имеет некоторые
возможности упростить и ускорить процедуру ввода координат элементов
антенны, которые будут описаны ниже. Проводники могут быть электри-
чески соединены только концами. Пересекающиеся проводники, проходя-
щие через одну точку, не могут иметь электрического контакта. Таким об-
разом, корректно смоделировать Х - соединение можно при использовании
четырех проводников. Проводники соединяются концами, если координа-
ты этих концов совпадают. При учете подстилающей поверхности (иде-
ально проводящей или имеющей параметры реальной земли) проводник
антенны имеет контакт с этой поверхностью, если координата z одного из
его концов равна нулю.
     Каждый проводник (wire) делится на сегменты. Максимальное число
сегментов – 127. Считается, что распределение тока вдоль каждого сегмен-
та изменяется линейно. Это создает дополнительную проблему рациональ-
ного выбора сегментов - числа элементов разбиения каждого проводника.
Время счета увеличивается по квадратичному закону от числа сегментов.
Разумным является использование порядка 10 сегментов на полдлины вол-
ны при расчете полевых характеристик антенны и порядка 20 сегментов
при расчете входного сопротивления. Близко расположенные проводники
или сходящиеся под небольшим углом могут потребовать большего числа
сегментов. Оптимальное число сегментов в этом случае определяется при
исследовании влияния на результаты счета изменения количества разбие-
ний. Поможет и просмотр картинок распределения тока по проводникам.
Резкие разрывы могут свидетельствовать о некорректном числе сегментов



                                     4


в проводнике. Таким образом, нужно приобрести определенный опыт про-
ектирования антенн в ELNEC.
     В документации на MININEC – еще одну программу проектирования
антенн - сказано, что длина сегмента должна быть больше 1,25 его диамет-
ра и больше 0,0001 длины волны.
     В ELNEC легко задаются источники возбуждения антенн. Источник
возбуждения должен быть расположен на одном из проводников. Источ-
ников возбуждения может быть несколько со своими амплитудами и фаза-
ми. Имеется возможность включить в разрыв соседних проводников на-
грузку R + jX . Нагрузок может быть несколько.


                   ИНТЕРПРЕТАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

     Рассчитанная диаграмма направленности исследуемой антенны пред-
ставляется в стандартной для антенн сферической системе координат в
азимутальной (плоскость XOY) и меридиональной (проходящей через ось z
под некоторым углом к оси х) плоскостях. Диаграммы направленности
рассчитываются для дальней зоны. При нажатии клавиши «А» на экран
монитора выдаются результаты анализа поля излучения антенны (коэффи-
циент усиления, ширина главного лепестка диаграммы направленности,
уровень бокового и заднего излучения). Диаграмма направленности антен-
ны может быть показана вместе с антенной, причем поворот антенны при-
водит к соответствующему повороту картинки поля. Для активизации это-
го режима следует в режиме основного меню после команды «VA» или в
режиме ввода описания конструкции антенны после команды «V» один
или два раза нажать клавишу «Т».
     Входное сопротивление и коэффициент стоячей волны (КСВ), а также
напряжение и ток для каждого излучателя могут быть распечатаны или
просмотрены на экране монитора при вводе команды «SD» в режиме ос-
новного меню. КСВ рассчитывается для заданного волнового сопротивле-
ния питающего фидера.
     Распределение тока можно увидеть в режиме просмотра конструкции
антенны после ввода команды «VA» или в режиме ввода описания конст-
рукции антенны после команды «V» в соответствии с экранной подсказкой.
Форма тока по проводникам антенны позволяет судить о корректности
сегментации антенны и ее моделирования.
     Ввод данных о нагрузках, которые могут быть включены в конструк-
цию антенны, осуществляется при вводе команды «LD» в режиме основ-
ного меню. Нагрузки могут быть как вещественными, так и комплексны-
ми. Программа позволяет рассчитать дополнительные потери мощности в
нагрузках.



                                     5


    Программа ELNEC имеет возможность выполнить масштабирование
размеров антенны при изменении рабочей частоты.

                   РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ

                               Основное меню

     Для запуска программы проектирования антенн ELNEC необходимо
обратиться к файлу ELNEC.ЕХЕ непосредственно или через соответст-
вующую иконку на рабочем столе WINDOWS. После запуска программы
на экране появляется основное меню (рис.1).
     В режиме основного меню можно задать название проекта вводом ко-
манды «TI», ввести частоту командой «FR» или режим расчета параметров
антенны на нескольких частотах командой «FS», войти в режим ввода эле-
ментов конструкции антенны командой «WI», считать ранее записанный
файл или сохранить созданный командами «RE» и «SA», удалить файл ко-
мандой «DE», перейти в режим ввода данных об источниках и нагрузках
командами «SO» и «LО», распечатать содержимое файла командой «PD»,
посмотреть внешний вид антенны командой «VA», перейти в режим расче-
та параметров антенны нажатием клавиши «Enter», окончить работу с про-
граммой ELNEC вводом команд «QU» или «EX». В режиме основного ме-
ню вводятся данные о наличии подстилающей поверхности командой
«GT» и ее свойствах командой «GD». Введение команд «TA», «CU»,
«SD» позволяет вывести таблицы с диаграммами направленности, распре-
делением тока и значениями входного сопротивления и КСВ исследуемой
антенны. После ввода этих команд появляется дополнительное меню с вы-
бором объекта вывода. Им может быть экран (команда «S»), принтер (ко-
манда «Р») или файл (команда «F»).
     В основном меню задается способ представления диаграмм направ-
ленности. Команда «PT» задает плоскость, в которой рассчитывается диа-
грамма направленности: азимутальная или меридиональная. Команда
«PА» определяет азимутальный угол, для которого вычисляется диаграмма
направленности в меридиональной плоскости. Команда «PR» дает возмож-
ность рассчитывать диаграмму направленности в заданном диапазоне уг-
лов. Шаг по угловой координате, т.е. число точек, задается командой «SS».
Масштабную сетку для рисования диаграмм направленности можно изме-
нить по команде «OR». Программа позволяет рассчитывать диаграммы на-
правленности антенн с учетом их поляризационных характеристик. По ко-
манде «FI» можно строить диаграммы направленности как отдельно для
вертикальной и горизонтальной поляризации, так и суммарную для обеих
поляризаций. Точность анализа диаграмм направленности определяется по
команде «AR», а масштаб при расчете коэффициента усиления антенны –


                                      6


по команде «RF». Волновое сопротивление подводящей линии для расчета
КСВ и входного сопротивления антенны задается при помощи команды
«SZ».
    Единицы измерения, используемые для ввода координат проводников
антенны, задаются по команде «UN» и могут быть выражены в метрах (M),
миллиметрах (L) , футах (F) , дюймах (I) и долях длины волны (W).
    Проводимость материала антенны может определяется по команде
«WL» и может соответствовать идеальному проводнику (Z), медному (C)
алюминиевому (A) или задается пользователем нажатием клавиши (U) и
вводом требуемого значения поверхностного сопротивления материала.


                           Меню описания проводников антенны

    В меню ввода координат проводников антенны можно попасть из ос-
новного меню введением команды «WI». В этом режиме вводятся коорди-
наты начала и конца проводников моделируемой антенны, их диаметр,
число сегментов разбиения, проверяется наличие контактов между отдель-
ными проводниками. Вид меню ввода проводников показан на рис.2.

                                ------------- WIRES -----------

     Wire Conn.      End 1 (x,y,z : m)      Conn. End 2 (x,y,z : m)    Dia(mm) Seg
      1 W5E1      0.600, 0.000, -0.015     W4E1 0.600, 0.000, 0.015    5.00E+00 2
      2 W4E2      0.600, 0.000, 0.080             0.600, 0.000, 0.960  4.00E+01 8
      3 W5E2      0.600, 0.000, -0.080            0.600, 0.000, -0.960 4.00E+01 8
      4 W1E2      0.600, 0.000, 0.015      W2E1 0.600, 0.000, 0.080 4.00E+01 2
      5 W1E1      0.600, 0.000, -0.015     W3E1 0.600, 0.000, -0.080 4.00E+01 2
      6 W2E1      0.600, 0.000, 0.080      W11E1 0.000, 0.300, 0.080 4.00E+01 6
      7 W3E1      0.600, 0.000, -0.080     W11E2 0.000, 0.300, -0.080 4.00E+01 6
      8 W2E1      0.600, 0.000, 0.080      W10E1 0.000, -0.300, 0.080 4.00E+01 6
      9 W3E1      0.600, 0.000, -0.080     W10E2 0.000, -0.300, -0.080 4.00E+01 6
     11 W6E2      0.000, 0.300, 0.080      W7E2 0.000, 0.300, -0.080 4.00E+01 4
     12 W14E1     0.000, -0.300, 1.120     W15E1 0.000, 0.300, 1.120 4.00E+01 8

             (17 total)                                     Tot segs: 102


     (number) = wire to change    (A)dd wires   (D)elete wires       (G)roup edit
     chg ant (H)t (R)enumber wire (T)aper segments chg (U)nits (V)iew antenna
     Preserve Connections = OFF; X to turn ON            <ESC> = ret to main menu

                     Рис.2. Меню описания проводников антенны


    Для правильного описания исследуемой антенны с помощью провод-
ников необходимо разбить ее на отдельные простые прямые элементы и
пронумеровать каждый из них. В первой колонке задается номер провод-
ника. Во второй указывается, с каким проводником имеется электрический


                                                        7


контакт. Например, сочетание символов W1E2 свидетельствует о соедине-
нии данного конца проводника с проводником N1, причем контакт проис-
ходит со вторым его концом. Далее вводятся координаты первого конца
проводника по осям x, y и z в выбранных единицах измерения. Следующая
колонка показывает на возможный электрический контакт с другим про-
водником. Пробел в этом столбце свидетельствует о том, что данный ко-
нец проводника ни с чем не связан. Далее вводятся координаты второго
конца проводника, его диаметр и число сегментов разбиения. Вместо ввода
координат можно сразу указывать на точку контакта, а нужные координа-
ты будут вычислены автоматически. При вводе нужно следить, чтобы об-
щее число сегментов не превышало 127. Команды, отмеченные в нижней
части экрана, позволяют несколько упростить процесс ввода и коррекции
данных. Так, для исправления какого-либо проводника нужно ввести но-
мер этого проводника и нажать «Enter». На нужный проводник можно
сместиться с помощью стрелок на клавиатуре. По команде «А» можно до-
бавить необходимое число проводников, а по команде «D» удалить, указав
их номера через тире. Команда «V» позволяет посмотреть внешний вид ан-
тенны. Групповая коррекция, т.е. одновременное изменение какой-либо
координаты у нескольких проводников, может быть выполнена по команде
«G». Корректируемые проводники можно указать их номерами или отме-
тить соответствующий фрагмент стрелками курсора. Изменить высоту
подвеса всей антенны над поверхностью земли можно по команде «Н», при
этом на соответствующую величину будет изменена координата z всех
проводников антенны. Предусмотрена проверка на возможный контакт
проводников, например, при малом расстоянии между ними и большим
диаметром. Выход из окна ввода координат проводников антенны прово-
дится нажатием клавиши «Esc».


                      Меню ввода источников энергии

    В это меню можно попасть из основного вводом команды «SO». При
этом на экране монитора появляется следующая картинка (рис.3).




                                     8


                                       ------- SOURCES ---------

   -- Source Pulse   Wire #/Pct  From End 1      Ampl.(V, A)          Phase(Deg.)      Type
                      Actual (Specified)
       1       1     1 / 50.00 ( 1 / 50.00)              1.000            0.000         V




       (number) = source to change   (A)dd sources          (D)elete sources      (G)roup edit
                                                                     <ESC> = ret to main menu




                     Рис.3. Меню ввода возбуждающих источников


     В этом окне можно указать, какой из проводников антенны имеет ис-
точник возбуждения, и в какой части данного проводника он находится.
Кроме этого вводится амплитуда и фаза возбуждающего напряжения или
тока. Источников возбуждения может быть несколько. Вводимые команды
этого окна соответствуют описанным ранее командам окна ввода коорди-
нат проводников. Выход из меню источников проводится нажатием кла-
виши «Esc».

                                     Меню ввода нагрузок

     Некоторые конструкции антенн предусматривают наличие реактив-
ных, а иногда и активных нагрузок (например, удлиняющие индуктивно-
сти или укорачивающие емкости). Из основного меню попасть в меню на-
грузок (рис.4) можно при вводе команды «LO».




                                                     9


                                      --------- LOADS --------

   - Load      Pulse     Wire #/Pct       From End 1             R (Ohms)    X(Ohms)
                            Actual         (Specified)




    (number) = load to change     (A)dd loads              (D)elete loads    (G)roup edit
             change load (T)ype   (Laplace/ Z)       1 = add one load & select
                                                                <ESC> = ret to main menu




                                  Рис.4. Меню нагрузок

    Выход из окна ввода нагрузок антенны проводится нажатием клавиши
«Esc».

                        Расчет характеристик антенны

   После ввода координат проводников, описывающих антенну, проверки
правильности полученной модели по внешнему виду и координатам точек
контакта проводников, ввода данных по источникам возбуждения элек-
тромагнитных колебаний и нагрузок в антенне можно переходить в режим
расчета полевых и импедансных характеристик антенны. Однако предва-
рительно рекомендуется сохранить введенную конструкцию на диске. Ес-
ли данная операция не выполняется, последнее при работе пакета описание
антенны сохраняется и появляется при новом запуске программы ELNEC.
   Началом расчета параметров антенны является нажатие клавиши
«Enter» в окне основного меню. При этом компьютер начинает рассчиты-
вать матрицу собственных и взаимных сопротивлений сегментов провод-
ников антенны, а также диаграмму направленности и входное сопротивле-
ние антенны. Результатом расчетов является диаграмма направленности
антенны, появляющаяся на экране компьютера (рис.5).




                                                   10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика