Моделирование директорной антенны в программе MMANA
В данном пособии предлагается алгоритм работы с версией программы MMANA-GAL Basic 3.0.0.31 [7]. В появившемся после запуска программы окне «Геометрия» (рис. 5.6) задается в поле «Имя» название проекта и в поле «Частота» — частота, на которой будет производиться расчет (1,2 ГГц).
Затем на вкладке «Вычисления» следует запустить графический редактор провода, который вызывается нажатием в нижнем правом углу кнопки «Правка провода» (рис. 5.7).
В появившемся диалоговом окне (рис. 5.8) выбирается плоскость X— Y, и в ней параллельно оси О К рисуется проводник произвольных размеров (активный вибратор). Чтобы нарисовать проводник, нужно нажать кнопку «Создать провод» и, зажав левую кнопку мыши, определить начало провода. Затем, двигая курсор вертикально, переместиться на несколько клеток вверх и отпустить левую кнопку мыши, задав тем самым конец провода.
Рис. 5.6. Начальное окно программы ММ AN А
Рис. 5.7. Вкладка «Вычисления» программы MMANA
Далее следует задать реальные размеры активного вибратора (длина — половина длины волны). Для этого после нажатия кнопки «Править провод» в поле редактора выбирается нужный провод, и правой кнопкой мыши вызывается контекстное меню. В контекстном меню следует выбрать «Описание провода» и в появившемся окне (рис. 5.9) задать длину провода и его положение вдоль оси ОХ, радиус провода R = 2 мм. Далее нажимаем «Да».
Рис. 5.8. Задание провода в программе MMANA
Рис. 5.9. Окно правки свойств провода в программе MMANA
Следующим шагом следует нарисовать пассивные вибраторы (один рефлектор и несколько директоров) и аналогично предыдущему действию задать их размеры, исходя из следующих соображений. Настройка многовибраторной антенны осуществляется путем подбора длины вибраторов и расстояний между ними. Обычно длина активного вибратора составляет X/2 , рефлектора (0,52 + 0,55 Д, директоров (0,4н-0,45)А,; расстояние между рефлектором и активным вибратором обычно выбирается в пределах (0,1 *0,25)^; расстояние между первым директором и активным вибратором около (0,08 ^-0,15)А.; при удалении от активного вибратора расстояние между директорами плавно увеличивается с 0,1Х до 0,38Х, а длины директоров плавно уменьшаются в пределах (0,45 -г- 0,4)л.. Исходя из этого требуется нарисовать в программе антенну с одним рефлектором и двумя директорами, задав в качестве длин и расстояний между вибраторами значения из рекомендованных диапазонов (рис. 5.10).
Рис. 5.10. Многовибраторная антенна в окне программы MMANA
После того как чертеж исследуемой антенны готов, следует провести расчет ее характеристик. Для этого сначала нужно, закрыв окно правки провода нажатием на кнопку «Да», в главном окне программы выбрать вкладку «Вид» и установить на активный вибратор источник питания. Установка источников питания и нагрузок производится сле-
дующим образом. На трехмерном чертеже антенны выбирается провод (активный вибратор), к которому следует подвести питание или установить нагрузку, затем нажатием правой кнопки мыши вызывается контекстное меню (рис. 5.11). В контекстном меню выбирается пункт «Подвинуть/Добавить источник в», и середина провода указывается в качестве места расположения источника.
Рис. 5.12. Результаты расчетов в программе MMANA
Рис. 5.11. Установка источника в программе MMANA
После установки источника питания следует перейти к расчетам. На вкладке «Вычисления» нажимаем кнопку запуска расчетов «Пуск». После проведения всех расчетов можно на той же вкладке (рис. 5.12) наблюдать время расчета, импедансные характеристики (входное сопротивление и КСВ), интегральные характеристики излучения (коэффициент направленного действия (Уа, КЗД). По нажатию кнопки «Графики» можно увидеть графики частотных зависимостей КСВ. входного сопротивления («Z»), КНД и КЗД («Усиление/FB»), ДН. На вкладке «Диаграмма направленности» основного окна программы (рис. 5.13) можно увидеть ДН антенны в главных плоскостях и другие характеристики.
Рис. 5.13. Вкладка «Диаграмма направленности» программы MMANA
Для автоматического подбора оптимальных значений длин директоров и рефлектора, а также расстояния между ними в данной программе есть инструмент оптимизации. Оптимизация проводится после предварительного расчета следующим образом: на вкладке «Вычисления» выбирается «Оптимизация» и в появившемся окне (рис. 5.14) нажатием на кнопку «Все элементы» выбираются все доступные элементы, размеры которых будут изменяться в процессе оптимизации. Выбрать их необходимо в соответствии с рис. 5.14. Также на данной вкладке можно выбрать необходимые критерии для оптимизации, такие как коэффициент усиления
Рис. 5.14. Окно «Оптимизация» программы MMANA
Длины получившихся проводов и расстояния между ними можно определить на вкладке «Геометрия» (рис. 5.15) по координатам начала и конца провода <Х, Y,Z, XI, Y2, Z2).
В данном пособии приведен только алгоритм моделирования и оптимизации антенны, содержащей четыре вибратора. Сама по себе программа моделирования ММ AN А позволяет производить моделирование проволочных антенн произвольной геометрии. Со способами моделирования других проволочных антенн в этом программном обеспечении можно ознакомиться в [8].
Рис. 5.15. Описание конструкции антенны в программе MMANA
Расчет антенн в программе MMANA-GAL
MMANA – это программа моделирования антенн, работающая в среде Windows. Вычислительной основой MMANA (так же как и многих коммерческих программ моделирования) является программа MININEC Ver.3, которая была создана для целей американских ВМС в Washington Research Institute.
• Создавать и редактировать описания антенны как заданием координат, так и мышкой. Кто хоть раз набивал вручную длинные ряды цифр, описывающих координаты каждого провода в трехмерном пространстве, поймет, какой это колоссальный шаг вперед!
• Рассматривать множество разных видов антенны.
• Рассчитывать диаграммы направленности (ДН) антенн в вертикальной и горизонтальной плоскостях (под любыми вертикальными углами).
• Одновременно сравнивать результаты моделирования нескольких разных антенн (ДН и все основные характеристики).
• Редактировать описание каждого элемента антенны, включая возможность менять форму элемента без сдвига его резонансной частоты. Проще говоря, вы можете запару секунд трансформировать «волновой канал» в «квадраты» или «дельты».
• Редактировать описание каждого провода антенны. Имеется возможность перекомпоновки антенны без утомительного перебора цифр координат, простым перетаскиванием мышкой (практически всю антенну можно нарисовать и редактировать одной мышкой);
• Просчитывать комбинированные провода, состоящие из нескольких, разных диаметров. Это полезно при расчете элементов, составленных из труб разного диаметра, например «волновых каналов» или вертикалов.
• Использовать удобное меню создания многоэтажных антенн – стеков, причем в качестве элемента стека можно использовать любую существующую или созданную вами антенну.
• Оптимизировать антенну, гибко настраивая цели оптимизации: Zвх, КСВ, усиление, F/B, минимум вертикального угла излучения, причем предельно наглядно – движками указывается важность для вас того или иного параметра.
• Задавать изменение при оптимизации более 90 параметров антенны. Возможно описание совместного (зависимого) изменения нескольких параметров.
• Сохранять все шаги оптимизации в виде отдельной таблицы. Это полезно для последующего неспешного просмотра и анализа – не мелькнет ли там чего любопытного, что вы исходно и в виду то не имели.
• Строить множество разнообразных графиков: Zвх, КСВ, усиления, отношения излучений вперед/назад (F/B), включая показ зависимости ДН от частоты.
• Автоматически рассчитывать несколько типов согласующих устройств (СУ), причем возможно включать и выключать их при построении графиков.
• Создавать файлы таблицы (формата *.csv, просматриваемого в Excel) для всех переменных расчетных данных: таблицы токов в каждой точке антенны, зависимости усиления от вертикальных и горизонтальных углов, таблицы основных параметров антенны как функций частоты, и наконец весьма полезную таблицу напряженности электрического и магнитного полей антенны в заданном пространстве. Она необходима для определения соответствия антенны на требования электромагнитной совместимости.
• Рассчитывать катушки, контуры, СУ на LС элементах, СУ на отрезках длинных линий (несколько видов), индуктивности и емкости, выполненные из отрезков коаксиального кабеля.
Ограничений по взаимному расположению проводов нет. Это означает, что любая конфигурация проводников будет рассчитана корректно. Максимальное число: проводов – 512, источников – 64, нагрузок – 100.
При старте программы открывается закладка Геометрия и вы видите несколько полей вверху и три таблицы (рис. 90), на которой открыт файл уже имеющейся антенны (меню Файл/Открыть).
Рисунок 90 – Вид закладки геометрия в программе MMANA
Эта закладка – базовое описание антенны, поэтому изучить и пользоваться ею надо внимательно. Ошибки здесь не прощаются, ведь чтобы получить правильный ответ вы должны точно объяснить компьютеру, как именно устроена ваша антенна.
Поле Имя – это название антенны, любое, какое вы зададите. Оно будет фигурировать вверху всех закладок, и под этим же именем антенна будет выводится при ее последующем сравнении с другими. Поле F. MHz – основная частота антенны. Это значение будет использоваться в последующих расчетах по умолчанию (если вы не зададите там иное значение). В этом поле имеется удобный для выбора список частот – по несколько из каждого любительского диапазона, а если вам нужна специфическая частота, то просто введите ее значение вручную.
Первая таблица Провода – это описание проводов. В методе моментов любая антенна представляется как набор проводов. Каждая строка в этой таблице – описание одного провода: X1, Y1, Z1 – это координаты в трехмерном пространстве начала провода, а X2, Y2, Z2 – то же самое, но конца провода. R – радиус провода (обратите внимание, не диаметр, а именно радиус).
Закладка Видпозволяет посмотреть внешний вид в трехмерном пространстве описанной вами антенны (или взятой из готового файла) и распределение сегментов и токов по ней. Последнее возможно только после предварительного проведения расчета в закладке Вычисления, о которой речь пойдет позднее. На рисунке 91 показано окно этой закладки. Движками Верт. вращение, Гор. вращение и Масштаб можно внимательно рассмотреть антенну со всех сторон. Если вы потеряли из виду антенну, нормальное изображение восстанавливается либо флагом Нормальный вид, либо нажатием одной из двух кнопок Центр на антенне или Центр на X = 0,Y = 0,Z = 0.
Первая кнопка помещает в центр экрана геометрический центр антенны (автоматически изменяя при этом масштаб таким образом, чтобы в экран поместилась вся антенна целиком), вторая – в начало координат (выбранный масштаб при этом не меняется). Источники показаны красными кружками, нагрузки – красными крестиками. Напоминание об этом «висит» в левом верхнем углу окна.
При установке флага «сегменты» зелеными крестиками показываются точки разбиения проводов на сегменты. Это удобно делать, чтобы изучить, как меняется сегментация провода при установке разных значений в поле Seg закладки Геометрия и влияние на параметры автосегментации (при Seg равной отрицательной величине) изменение значений DM1, DM2, SC, EC. При установке флага «токи» показывается распределение тока в проводах (для этого предварительно должны быть сделан расчет антенны в закладке Вычисления). Масштаб отображения токов регулируется соответствующим движком. Просмотр распределения тока по антенне весьма желателен.
Рисунок 91 – Закладка вид в программе MMANA
С помощью закладки Вычисления производятся установки условий расчета, выводится ход расчета и окончательные результаты. Примерный вид закладки вычисления показан на рисунке 92. В окне Частота устанавливается частота анализа антенны (по умолчанию берется частота, установленная в закладке Геометрия). В этом поле имеется удобный для выбора список частот, по несколько из каждого любительского диапазона, а если вам нужна специфическая частота, то введите ее значение вручную.
Правое окно – информационное. Оно отображает текущее состояние расчета. Туда же выводятся сообщения о возможных ошибках расчета. В окошке Земля выбирается тип земли. Пункты Свободное пространство и Идеальная пояснения не требуют, а вот при установке Реальная земля, в этом же окошке появляется кнопка Параметры, которая вызывает окно Параметры реальной земли.
Высота антенны над землей устанавливается в поле Высота (естественно, этого можно не делать, если в окошке Земля выбрана опция Свободное пространство). Программа поднимает антенну вверх по оси Z.
В поле Материал выберите из списка материал антенны. Тип материала оказывает заметное влияние на УКВ и укороченных КВ антеннах.
Рисунок 92 – Закладка вычисления в программе MMANA
Закладка Диаграмма направленности рассчитывает диаграмму направленности (рис. 93) антенны для всех частот (шагов сетки) в рассчитанной полосе, а также табличку изменения основных параметров. Это бывает очень полезно при подгонке антенны, когда требуемые характеристики и форма ДН могут оказаться не на центральной частоте, а где_то в стороне. В этой же закладке в окошке ДН для поляризаций можно выбрать для какой поляризации (вертикальной V, горизонтальной H, их суммы Сумма или для одновременного отображения разными цветами V+H) будут построены ДН. Если ДН на каких то частотах вам не нужны, их можно выключить, щелкнув в строке соответствующей частоты в столбце On.
Рисунок 93 – Закладка ДН в программе MMANA
После того, как получены все параметры антенны, обычно возникает желание чего-нибудь в ней подправить. Конечно, это можно сделать, вернувшись в закладку Геометрия и изменяя вручную координаты проводов, но путь этот громоздок и весьма трудоемок. Гораздо проще нажать кнопку закладки Правка провода и вызвать окно, которое представляет собой мощный CAD-редактор, позволяющий наглядно создавать и редактировать антенну только мышью без утомительного перебора цифр в закладке Геометрия.
В открывшемся окне (рис.94) имеются четыре закладки с очевидным назначением – трехмерный вид антенны, а также двухмерные в каждой из трех плоскостей. В трех последних случаях для облегчения проектирования на изображение накладывается координатная сетка с указанием масштаба.
Рисунок 94 – Закладка правка провода в программе MMANA
При нажатии на закладку Графики выводится окно для построения графиков (рис.95). В поле Полоса устанавливается ширина полосы частот (относительно центральной), в которой вы хотите посмотреть параметры (как и во всех подобных) полях. Этот параметр можно либо выбрать из списка, либо установить вручную. Выбранное значение автоматически устанавливается по горизонтальной оси графика. Далее кнопками вверху выбирается число точек расчета. Для первого анализа достаточно нажать 2 точки – график будет построен грубо, только по двум точкам. Остальная часть его будет построена сложной экстраполяцией – предположениями MMANA как же этот график должен по ее мнению идти дальше. Точность таких предположений довольно высока, но конечно не абсолютна. Кроме того, на антеннах с нестандартным поведением КСВ от частоты (широкополосных, например) предположения MMANA оказываются неточными. При нажатии Вся сетка – просчитываются пять точек – каждый шаг сетки, чем уточняется предыдущий график. При нажатии Доп. точки, кроме пяти точек сетки, просчитываются несколько дополнительных точек между шагами сетки (по умолчанию 1, максимум 4), что позволяет иметь уже весьма точный и подробный график из 20 точек.
Последовательно выбирая закладки Z, КСВ, Gain/FB, ДН можно наглядно увидеть, как меняются от частоты в заданном вами диапазоне параметры антенны (для тех же самых частот расчета).
Рисунок 95 – Закладка Графики в программе MMANA
Кнопка Поиск резонанса предназначена для автоматического поиска резонансной частоты антенны (т. е. той, на которой реактивная составляющая ее входного импеданса равна нулю).
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.
Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.
ОПИСАНИЕ ПРОГРАММЫ MMANA
MMANA — это программа (оболочка) моделирования антенн, работающая в среде Windows. Вычислительным ядром MMANA является MININEC Ver. 3. Исходная японская MMANA написана Makoto Mori JE3HHT. Программа позволяет:
— создавать и редактировать описания антенны как заданием координат, так и «мышкой»;
— рассматривать множество разных видов антенны;
— рассчитывать диаграммы направленности (ДН) в обеих плоскостях;
— сравнивать результаты моделирования нескольких антенн;
— редактировать описание каждого элемента антенны, включая возможность менять форму элемента без сдвига его резонансной частоты;
— просчитывать комбинированные (состоящие из нескольких разных диаметров) провода;
— использовать меню создания многоэтажных антенн — стеков. В качестве элемента стека можно использовать любую антенну;
— оптимизировать антенну, настраивая по различным целям оптимизации;
— задавать изменение при оптимизации более 90 параметров антенны, возможно описание совместного (зависимого) изменения нескольких параметров;
— сохранять все шаги оптимизации в виде отдельной таблицы;
— строить множество разнообразных графиков;
— автоматически рассчитывать несколько типов согласующих устройств (СУ) с возможностью включать и выключать их при построении графиков;
— создавать файлы-таблицы (формата *.csv, просмотр в Excel) для всех переменных расчетных данных;
— рассчитывать катушки, контуры, СУ на LC элементах, СУ на отрезках длинных линий (несколько видов), индуктивности и емкости, выполненные из отрезков коаксиального кабеля.
Ограничений по взаимному расположению проводов нет. Максимальное число: проводов — 512, источников — 64, нагрузок — 100. Максимальное количество точек — 8192.
Закладка Геометрия
При старте программы открывается закладка Геометрия, на рисунке 1 изображено геометрия проводов одной из проектируемых антенн, рассмотрим более подробно поля этой закладки.
Поле Имя — это название антенны, которое задается произвольно. Оно будет фигурировать вверху всех закладок, и под этим же именем антенна будет выводится при ее последующем сравнении с другими. Поле F. MHz — основная частота антенны. Это значение будет использоваться в последующих расчетах по умолчанию (если не задать там иное значение). В этом поле имеется удобный для выбора список частот — несколько из каждого любительского диапазона, а если вам нужна специфическая частота — просто введите ее значение вручную.
Таблица Провода — это описание всех проводов антенны. Каждая строка в этой таблице — описание одного провода. X1.Y1, Z1 — это координаты в трехмерном пространстве начала провода, а Х2, Y2, Z2 — конца провода. R — радиус провода. Размерность всех этих величин можно задавать- либо в метрах (для R в мм), либо в л.
В ячейки таблицы можно вводить не только цифры, но и арифметические выражения — они будут автоматически просчитаны. Например, в ячейку таблицы записывается 10/4+2. После нажатия Enter это выражение сменится вычисленным значением 4.5. Такой оперативный калькулятор временами бывает очень удобен, например, при делении провода на части или, если вы вводите описание антенны, размеры которой даны в футах, можно прямо вводить значение в футах, не забывая дописать после цифры в футах *0.305, и все будет автоматически пересчитано.
Если величину R установить равной 0, то провод будет считаться программой изолятором. Такой прием удобен при анализе многопроводных антенн для экспериментов, чтобы временно удалить из антенны провод (не удаляя его из таблицы описания и не меняя нумерации остальных проводов).
Если величина R отрицательна (-1, -2, -3 и т. д.), то это означает комбинированный провод, физически состоящий из нескольких проводов разного радиуса.
Рисунок 2.1 — Структура диаграммы
Левая нижняя табличка на рисунке 2.1 описывает источники. Прямо под словом PULSE пишется: w1c — если источник в середине первого провода, w1b — если он в начале первого провода, w1e — если он в конце первого провода, w2c — если он в середине второго провода, и т.д. Если источник не в середине и не в конце, а где-то сбоку пишется так: w1c4 — источник, смещенный в направлении конца от центра первого провода на 4 сегмента (где именно получился источник можно посмотреть, нажав закладку Вид) w2c-5 — источник, смещенный от центра первого провода в направлении его начала на 5 сегментов.
То есть первая буква — всегда w (от wire — провод), вторая цифра — номер провода, третья буква (b, с, e) — начало, середина и конец соответственно. Четвертая цифра (ее может и не быть) — величина смещения в сегментах от начала конца или середины. Если вы устанавливаете источник на начало или конец провода, проверьте, чтобы к этому началу или концу было бы что-нибудь присоединено — или другой провод, или земля (координата по Z = 0) — току куда-то надо утекать, поэтому второй вывод источника не может «висеть в воздухе».
Если планируется множество экспериментов с антенной, то удобно разместить источник в центре короткого провода, а к нему уже присоединить основные провода антенны, тогда при всех перемещениях длинных проводов источник будет оставаться на месте. Этот прием применяется и при параллельном соединении нескольких антенн, питаемых одной линией, этот же прием используется и для установки нагрузок.
Следующий столбец таблицы Источники — это фаза источника в градусах. Если источник один, то фаза безразлична. Но если вы проектируете систему с активным питанием и, соответственно, несколькими источниками, то в каждом должна быть установлена нужная фаза. Причем обратите внимание, в отличие от большинства других моделировщиков в MMANA задается не фаза питающего тока, а фаза напряжения.
Последний столбец этой таблицы — напряжение источника. Если источников несколько, вы может вручную установить амплитуду каждого из них либо, установив флаг Одинаковые источники, включить автоматическое уравнивание амплитуд всех источников.
Расчет антенн с помощью программы MMANA GAL
В эпоху цифровых технологий большая часть экспериментов с антенными устройствами переместилась с антенных полей и крыш зданий в персональные компьютеры. Для этого создаются профессиональные программы, часто недоступные обычным пользователям из-за стоимости. Особняком стоит программа MMANA GAL, совершенно бесплатная, а по достоверности ее результаты не уступают платным продуктам. Надо лишь научиться с ней работать. Далее будут показаны самые основные приемы работы в программе, позволяющие в дальнейшем развить навыки и использовать все возможности MMANA GAL.
Создание антенны с помощью графического редактора
Первое, с чего начинается расчет выбранной антенны – создание ее модели. Графический редактор MMANA GAL несложен, но несколько непривычен. Многие пользователи бросают освоение программы уже на этом этапе, хотя ничего экстраординарного здесь нет. Программа скачивается и устанавливается стандартным способом, не имеющим особенностей. После запуска в меню надо выбрать русский язык.
Создание диполя
Расчет антенны можно начать с простой ее разновидности – с диполя. В классическом виде это горизонтальная антенна, состоящая из двух половин с питанием в середину. Общая длина двух половин обычно выбирается равной ½ длины принимаемой волны.
Диполь
Создание модели диполя можно рассмотреть на примере антенны на 30 телевизионный канал – в некоторых регионах на нем вещает первый мультиплекс цифрового ТВ. Центральная частота этого канала – 546 МГц, длина волны – 0,549 м и длина диполя должна быть 0,274 м.
В Правка надо выбрать Правка провода. Откроется графический редактор.
В красном прямоугольнике можно выбрать одно их трех действий:
- правка провода (изображение ластика);
- создание провода (изображение карандаша);
- создание рамки (изображение рамки).
Надо выбрать правку провода.
Зеленым прямоугольником выделены кнопки выбора проекции:
- трехмерное изображение;
- плоскость XY;
- плоскость XZ;
- плоскость YZ.
Так как антенна горизонтальная, надо выбрать плоскость XY (Z – вертикальная ось).
Теперь рисуется полотно диполя. Желательно это делать симметрично относительно начала координат – так потом проще анализировать. В правом верхнем углу тут же появляется табличка с данными провода (он один, поэтому обозначен, как Wire N1). В зеленой рамке – его длина, 20 метров. Это очень много, поэтому надо ее уменьшить. Для этого следует переключиться в меню правка провода и уменьшать длину до нужной, сохраняя симметрию. При этом надо постепенно увеличивать масштаб.
Наибольшая точность, которую дает графический редактор, позволяет создать антенну с длиной 0,28 метра. Этого недостаточно, поэтому надо нажать кнопку Да и переключиться на вкладку Геометрия.
Здесь сразу можно установить рабочую частоту антенны 546 МГц (это надо делать не выбором из выпадающего списка, а вручную). Также надо установить толщину полотна – если оно изготавливается из провода диаметром 2 мм, то надо установить радиус 1 мм.
В таблице проводов видны координаты создаваемого провода. Надо уменьшить их, чтобы получить необходимую длину. Для этого в графы, отмеченные зеленым, надо вбить 0,137 и -0,137, тогда получится полотно антенны длиной 0,137*2=0,275 м. Дальше можно сохранить файл обычным способом под названием, например, Диполь.
Создание рамки
Также можно создать антенну в виде квадратной рамки с периметром, равным длине волны. Длина стороны будет равна ¼ λ (0,137 м), питание подается в середину нижней перекладины. Сделать это можно, нарисовав 4 провода в режиме создания провода, а можно выбрать режим Создание рамки (выделено красным квадратом). Только надо выбрать плоскость XZ – рамка будет вертикальной (зеленый квадрат).
Надо обратить внимание, что нижний провод имеет номер один – в него потом будет установлен источник питания. Открыв трехмерный вид можно полюбоваться видом рамки.
На вкладке Геометрия есть координаты начал и концов всех четырех проводов, из которых состоит рамка. Здесь же надо установить рабочую частоту и радиус провода, из которого будет изготовлено полотно антенны, а также сохранить файл антенны под названием Рамка.
Создание антенны с помощью таблицы
Также можно создать антенну с помощью таблицы, задав координаты начала и конца провода. На первый взгляд, это неудобно. Но можно cделать антенну, кратную длине волны, задав единицу измерения «в лямбдах». Тогда не надо вычислить длину полотна из частоты, а задавать размеры сразу в половинах или четвертях длины волны.
В итоге получается тот же диполь, что видно на вкладке Вид. Эту антенну также можно сохранить, например, под именем Диполь 1.
Установка источника питания
После создания полотна антенны надо установить источник питания (у простых антенн он один). Таким способом указывается точка, куда подключается кабель питания. Для этого на вкладке Геометрия есть поле источников.
В графу PULSE надо вписать w1c, что означает:
- w1 – wire 1 (номер провода), а диполь и состоит из одного провода;
- с – center, расположение источника на проводе по центру.
Остальные графы на данном этапе можно не трогать. На вкладке Вид можно посмотреть расположение источника питания, он отмечен кружком.
Если надо питать антенну не в середину провода, то возможны варианты:
- w1e – источник располагается в конце провода (end);
- w1b – в начале провода (begin).
Если надо подвигать источник по длине провода, надо знать, что программа для вычисления разбивает каждый провод на сегменты (это знание пригодится при дальнейшем освоении программы). Тогда можно двигать точку питания на целое количество сегментов влево или вправо от центра, и запись будет иметь вид w1c5 (или w1c-5), что означает смещение на 5 сегментов влево или вправо.
Это также можно увидеть на вкладке Вид.
Таким же способом устанавливается источник питания для рамочной антенны.
Расчет и анализ результатов
Питаться антенна будет по 75-омному кабелю, поэтому в меню Установки — Setup перед началом расчетов надо выбрать это значение.
Остальные установки меню можно оставить до более полного освоения программы. Теперь можно перейти к расчетам параметров антенны. На вкладке Вычисления надо установить высоту, на которой будет располагаться антенна, а также материал, из которого она изготовлена.
После нажатия кнопки Пуск MMANA рассчитает параметры диполя. Видно, что антенна обладает небольшой реактивностью индуктивного характера (из-за утолщенного полотна), и ее длину надо немного уменьшить, после чего произвести расчет заново – и так до получения параметров, устраивающих пользователя. После этого ожидается вполне приемлемое согласование с кабелем 75 Ом без дополнительных мер. Диаграмму направленности можно посмотреть на соответствующей вкладке.
Если выполнить вычисления для рамки, то здесь не так все красиво. Большая реактивность индуктивного характера и плохое согласование (КСВ>8).
Требуются дополнительные меры. Можно поиграть периметром рамки, чтобы вогнать антенну в резонанс.
Автоматическая оптимизация антенн
Чтобы вогнать в резонанс диполь, можно изменить его длину вручную. Но программа умеет «настраивать» антенны сама. Для этого имеется функция Оптимизация.
На вкладке Вычисления имеется соответствующая кнопка. При ее нажатии откроется вкладка. Так как антенна Диполь состоит из одного провода, то в графе Тип надо выбрать провод и установить номер 1. Изменяемая координата будет X1, то есть, MMANA будет «подрезать» или наращивать провод с одной стороны. Надо выбрать цель настройки – минимум реактивности. Для этого движок jX выставляется на максимум, остальные движки – на минимум. После нажатия на кнопку Пуск произойдет автоматическая оптимизация.
По окончании процесса видно, что программа добилась идеального резонанса. В нем активное сопротивление около 73 Ома, что отлично согласуется с 75-омным коаксиальным кабелем. На вкладке Геометрия видно, что для этого надо уменьшить одну из половин вибратора до 12,6 см.
Установка реактивных элементов
Также программа позволяет устанавливать в антенне реактивные элементы – емкости и индуктивности. Это может понадобиться, например, для электрического удлинения или укорочения полотна антенны, если физическое увеличение невозможно.
Например, надо электрически укоротить периметр рамки, для чего в ее разрыв надо включить емкость.
На вкладке Геометрия для этого предусмотрено правое нижнее поле.
Можно установить нагрузку рядом с точкой питания. Для этого указать в графе PULSE w1c1 (подобно установке точки питания), что означает, что емкость включается в середину первого провода со смещением на 1 сегмент (выделено красным прямоугольником). MMANA тут же проставит тип нагрузки – LC (зеленый прямоугольник). Его можно сменить, щелкнув в этом поле, но в данном случае программа “угадала». Осталось только установить значение емкости – в данном случае 5 пФ (синий прямоугольник) и не забыть активировать бокс Включить нагрузки (фиолетовый). На вкладке Вид можно увидеть емкостную нагрузку в виде крестика на нижней «перекладине» рамки.
Модуль NEC-2 for MMANA
Если антенна расположена невысоко (ниже четверти волны) над проводящей поверхностью (землей, крышей дома), параметры антенны можно рассчитать более точно с помощью утилиты NEC-2. С ее помощью надо открыть созданный в MMANA GAL файл антенны (с расширением *.maa).
Для УКВ-антенн это не нужно, так как длины волн там небольшие, и влияние земли на небольшой высоте невелико. Поэтому для примера создан коротковолновый диполь на диапазон 20 метров, подвешенный на высоте 5 метров (файл Диполь 20 м.maa).
Немного оптимизировав эту антенну, удалось получить резонанс на 14,15 МГц и приемлемое согласование.
Открыв файл антенны, созданный в MMANA, в модуле NEC-2, можно согласиться с предложенными параметрами земли (красный прямоугольник) и изоляции (синий) проводов или ввести свои, если они известны.
На вкладках Table of results иRP plots можно посмотреть уточненные параметры антенны и уточненную диаграмму направленности соответственно.
Ограничения программы
Ограничения MMANA касаются в основном сегментации проводов на отрезки. На начальном этапе освоения лучше использовать автоматическую сегментацию и не задумываться об этом.
Но для точного расчета надо учитывать крупные проводящие поверхности, находящиеся рядом с антенной – чей пространственный размер соизмерим с 0,1 длины волны (а лучше – и те, которые меньше). Это могут быть стены дома, лифтовые шахты, железобетонные опоры и т.д.
Так, для расчета горизонтальной рамки на диапазон 160 м, подвешенной на высоте 30 метров по периметру дома на небольшом расстоянии от стен, пришлось изобразить стены дома в несколько упрощенном виде.
Такая модель была реализована «в железе». Замеры показали очень хорошее совпадение расчета и реальной антенны. При моделировании без учета стен дома результаты разительно отличались.
К сожалению, создатель программы Makoto Mori давно прекратил ее развитие. Но даже на этом уровне программа не первое десятилетие позволяет пользователям средней квалификации производить расчет и моделирование даже сложных антенных систем, и альтернативы MMANA GAL по совокупности достоинств в ближайшем будущем не предвидится.