Розробка та чисельний розрахунок параметрів антен «хвильовий канал» для прийому сигналів FM-радіостанцій

Гринюк, Дмитро Олегович
Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/5835
Title:	Розробка та чисельний розрахунок параметрів антен «хвильовий канал» для прийому сигналів FM-радіостанцій
Authors:	Гавриш, Олександр Степанович Гринюк, Дмитро Олегович
Keywords:	антена «хвильовий канал»;смуга частот;FM-мовлення;програма GAL-ANA;коефіцієнт підсилення;діаграма направленості
Issue Date:	2023
Abstract:	Метою роботи є аналіз параметрів та дослідження направлених властивостей широкосмугових антен «хвильовий канал» різної конструкції та з різним числом елементів для прийому сигналів FM-радіостанцій. Об’єкт дослідження – широкосмугова антена «хвильовий канал». Методи дослідження – аналітичний розрахунок, моделювання в середовищі GAL-ANA. В магістерській роботі досліджувалися антени «хвильовий канал» з числом елементів 3, 5 і 7, що працюють в діапазоні частот 88-108 МГц. Основна увага зконцентрована на дослідженні різних варіантів конструкції п’ятиелементної антени. Широка смуга частот накладає відбиток на конструкцію вібратора і директора. Рефлектор складається із двох, рознесених по висоті трубок, а складний вібратор з двох трубок (паразитний вібратор розташовується на невеликій відстані від основного). Підсилення антени становить 8,31 dBi, а діаграма направленості антени, розрахована для вільного простору, має приорітетний напрямок випромінювання. У випадку використання одиночного рефлектора дещо падає підсилення, а вхідний опір майже не змінюється. Якщо ж в антені замінити простий вібратор на петльовий, але при цьому залишити близько розташованим перший директор, забезпечується розширення смуги частот, а на форму діаграми направленості це майже не впливає. Опір антени при цьому зростає.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/5835
Appears in Collections:	172 Електронні комунікації та радіотехніка (Радіотехніка та робототехнічні системи)
Files in This Item:
File	Description	Size	Format
М_172_Гринюк_Гавриш.pdf Restricted Access		2.03 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy
Show full item record
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ, АВТОТРАНСПОРТУ ТА 
МАШИНОБУДУВАННЯ 
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІЧНИХ І ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ СИСТЕМ ТА 
КІБЕРБЕЗПЕКИ 
 
До захисту допущено  
завідувач кафедри РТСК 
д.т.н., професор __________  
Володимир ПАЛАГІН  
"_____" грудня 2023 року 
 
 
Пояснювальна записка 
до випускної роботи 
освітнього ступеня «магістр» 
на тему: «Розробка та чисельний розрахунок параметрів антен «хвильовий канал» 
для прийому сигналів FM-радіостанцій» 
 
 Виконав студент 2 курсу, групи РТ-025 
Спеціальність – 172 «Телекомунікації та 
 радіотехніка» 
Освітня програма – «Радіотехніка та 
 робототехнічні системи» 
 ГРИНЮК Дмитро Олегович 
 Керівник роботи ГАВРИШ Олександр 
 Рецензент ГАЛЬЧЕНКО Володимир 
 
 
Черкаси 2023 
Форма № Н-9.01 
Черкаський державний технологічний університет 
(назва вузу) 
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування 
Кафедра Робототехнічних і телекомунікаційних систем та кібербезпеки 
Освітній ступінь магістр 
Спеціальність 172 -  Телекомунікації та радіотехніка 
Освітня програма Радіотехніка та робототехнічні системи 
 ЗАТВЕРДЖУЮ 
 Завідувач кафедри РТСК 
 д.т.н., професор Володимир ПАЛАГІН 
   
 « 04 » вересня  2023 р. 
 
ЗАВДАННЯ 
на дипломний проект (роботу) студенту 
Гринюку Дмитру Олеговичу 
(прізвище, ім'я, по батькові) 
1. Тема проекту (роботи) Розробка та чисельний розрахунок параметрів антен «хвильовий  
канал» для прийому сигналів FM-радіостанцій 
керівник проекту (роботи) Гавриш Олександр Степанович, к.ф.-м.н., доцент 
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання) 
затверджена наказом по університету від « 10 »    жовтня       2023 р.  № 271/04 
2. Строк подання студентом проекту (роботи) 1 грудня 2023 р. 
3. Вихідні дані до проекту (роботи)  3, 5 і 7-елементна антена «хвильовий канал»,підсилення  
Ga>7 дБі, смуга частот 88-108 МГц, КСХ<2, вхідний опір антени 75 і 300 Ом 
 
 
4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, які потрібно розробити)______ 
Вступ. 1. Особливості діапазону FM-мовлення та антен для нього. 2. Сучасне програмне  
забезпечення для моделювання в електроніці. 3. Дослідження широкосмугових антен 
«хвильовий  
канал» для FM-діапазону.Висновки. Список використаної літератури 
 
5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень)  
Презентація в Power Point обсягом 14 плакатів 
 
6. Консультанти з проекту (роботи) із зазначенням розділів проекту, що їх стосуються 
  Підпис, дата 
Розділ Прізвище, ініціали та посада  завдання         завдання 
консультанта видав прийняв 
    
    
    
    
    
 
7. Дата видачі завдання 04 вересня 2023 р. 
 
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН 
№ Назва етапів дипломного                               С  т  р  о  к   виконання етапів      П   р имітка 
з/п проекту (роботи) проекту (роботи) 
1. Аналіз технічного завдання та огляд літератури 04.09.2023  
2. Розробка методики проведення дослідження 17.09.2023  
3. Ознайомлення з конструкцією та принципом   
роботи  
 антен «хвильовий канал» 25.09.2023  
4. Огляд програм моделювання і розрахунку    
 параметрів антен 01.10.2023  
5. Моделювання п'яти елементної антени «хвильовий    
 канал»з різною конструкцією вібратора і    
 рефлектора в програмі GAL-ANA 15.10.2023  
6. Моделювання трьох і семи елементної антени    
 «хвильовий канал» у вільному просторі та з    
 врахуванням впливу землі 25.10.2023  
7. Оформлення пояснювальної записки 05.11.2023  
8. Оформлення плакатів 25.11.2023  
    
   
 
 Студент   ГРИНЮК Дмитро  
  (підпис) (прізвище та ініціали) 
Керівник проекту (роботи)   ГАВРИШ Олександр 
  (підпис) (прізвище та ініціали) 
 
ЗМІСТ 
Стор. 
Вступ 4 
1. ОСОБЛИВОСТІ ДІАПАЗОНУ FM-МОВЛЕННЯ ТА АНТЕН ДЛЯ 6 
НЬОГО 
1.1 Використання діапазону FM-мовлення 6 
1.2 Огляд сучасних FM радіо антен 14 
1.3 Конструкція, принцип роботи та особливості антен «хвильовий канал» 21 
2. СУЧАСНЕ ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ДЛЯ МОДЕЛЮВАННЯ В  
ЕЛЕКТРОНІЦІ 25 
2.1 Етапи розвитку програм моделювання електронних пристроїв 25 
2.2 Можливості програмних пакетів, призначених для комп'ютерного  
моделювання в мікро- і наноелектроніці 28 
2.3 Комп'ютерне моделювання електричних ланцюгів у симуляторах типу  
SPICE і SIMULINK 29 
2.4 Системи автоматизованого проектування CADENCE, MENTOR  
GRAPHICS, ALTIUM DESIGNER і SYMICA 31 
2.5 Системи автоматизованого проектування ADS і AWR 33 
2.6 Приладно-технологічне моделювання в електроніці 36 
2.7 Системи автоматизованого проектування SENTAURUS TCAD і  
SILVACO TCAD 38 
2.8 САПР для моделювання електромеханічних систем і складних  
взаємопов'язаних фізичних явищ 41 
3. ДОСЛІДЖЕННЯ ШИРОКОСМУГОВИХ АНТЕН «ХВИЛЬОВИЙ  
КАНАЛ» ДЛЯ FM-ДІАПАЗОНУ  42 
3.1 Чисельний розрахунок параметрів п’ятиелементної антени «хвильовий  
канал» для FM мовлення 42 
3.2 Дослідження спрощеної (трьохелементної) антени «хвильовий канал»  
для прийому сигналів FM-радіостанцій 54 
3.3 Дослідження параметрів і направлених властивостей ускладненої  
(семиелементної) антени «хвильовий канал» для УКХ ЧМ мовлення 57 
Висновки 61 
Список використаної літератури 63 
 
 
Вступ 
 
Директорна антена, відома також як антена Уда-Ягі або антена «хвильовий 
канал», завдяки своїй простоті, низькій вартості та відносно високому 
підсиленню, є одним з найпопулярніших типів спрямованих антен, що широко 
використовуються в діапазонах коротких і ультракоротких хвиль (від 30 МГц до 3 
ГГц). Найбільш відомим застосуванням антени «хвильовий канал» є її 
використання для прийому програм телевізійного мовлення, і її дуже часто можна 
побачити на дахах будівель. Два японські професори Уда та Ягі придумали та 
вивчили цю антену ще у 1920-х роках минулого століття. Першу таку антену 
побудував С. Уда і в 1926 та 1927 роках опублікував результати в Японії. Роком 
пізніше проект отримав подальший розвиток і був опублікований його колегою 
професором Ягі англійською мовою. З того часу інженерами та ентузіастами було 
виконано суттєвий обсяг теоретичної та головним чином експериментальної 
роботи. Стала доступна величезна кількість їх даних та результатів. 
Регулюючи відстані між елементами антени та змінюючи їх розміри, можна 
керувати смугою пропускання, формою і шириною променю випромінювання 
антени. Вибір різноманітних цілей, які можна переслідувати при проектуванні 
антени, є суб'єктивним, і обмеження, що накладаються цим вибором, є головним 
чином питанням вибору розробника, що пояснює наявність величезної кількості 
різноманітних рекомендацій і методик з проектування таких антен. 
У цих умовах велике значення набуває можливість швидкої оцінки впливу 
результатів невеликої модифікації розрахункової геометрії антени на набір її 
випромінювання. Ця можливість дозволяє отримати хороше розуміння не тільки 
потенціалу обраних рекомендацій і методів проектування, але й антени, що 
проектується. Найбільш зручно така можливість реалізується за допомогою 
комп'ютерної програми, що працює в діалоговому режимі, коли розробник може 
внести деякі зміни і відразу побачити, як ці зміни відбилися на результаті. 
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами темами.  
Виконання магістерської роботи проводилося з врахуванням наукових 
напрацювань у галузі імітаційного моделювання антенних та НВЧ пристроїв, що 
запропоновані викладачами кафедри РТСК.  
Метою роботи є аналіз параметрів та дослідження направлених 
властивостей широкосмугових антен «хвильовий канал» різної конструкції та з 
різним числом елементів для прийому сигналів FM-радіостанцій. 
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання: 
• здійснити огляд сучасних програмних засобів моделювання антен і вибрати 
серед них зручну програму для дослідження параметрів і характеристик 
антени «хвильовий канал»; 
• дослідити вплив конструкції рефлектора і вібратора п’ятиелементної антени 
«хвильовий канал» на її параметри і характеристики; 
• визначити основні параметри антен та побудувати діаграми направленості 
антен різної конструкції та  з різним числом вібраторів; 
• проаналізувати вплив висоти підвісу антен над земною поверхнею на їх 
діаграми направленості; 
• дослідити як змінюється підсилення антени «хвильовий канал» зі зміною 
кількості її елементів. 
Практична значимість одержаних результатів полягає в тому, що 
запропонована методика проектування антени «хвильовий канал» з можливістю 
інтерактивного корегування результатів під конкретні потреби замовника. 
 
 
1. ОСОБЛИВОСТІ ДІАПАЗОНУ FM-МОВЛЕННЯ  
ТА АНТЕН ДЛЯ НЬОГО 
 
1.1 Використання діапазону FM-мовлення 
 
Смуга FM-мовлення – це діапазон радіочастот, що використовуються для 
FM-радіомовлення за допомогою радіостанцій. Діапазон використовуваних частот 
різниться у різних частинах світу. У Європі та Африці (визначається як регіон 1 
Міжнародного союзу електрозв'язку (ITU) ) та в Австралії [10] він становить від 
87,5 до 108 мегагерц (МГц) - також відомий як VHF Band II - у Північній та 
Південній Америці (регіон 2 ITU) він коливається від 88 до 108 МГц. Діапазон 
частот FM-мовлення у Японії становить від 76 до 95 МГц. Група Міжнародної 
організації радіо та телебачення (OIRT) у Східній Європі знаходиться в діапазоні 
від 65,8 до 74,0 МГц, хоча зараз ці країни в основному використовують діапазон 
від 87,5 до 108 МГц, як і у випадку з Україною. Деякі інші країни вже припинили 
використання діапазону OIRT та перейшли на діапазон 87,5–108 МГц. 
Радіо з частотною модуляцією виникло у Сполучених Штатах у 1930-х 
роках; Система була розроблена американським інженером-електриком Едвіном 
Ховардом Армстронгом. Однак FM-радіомовлення не набуло широкого 
поширення навіть у Північній Америці до 1960-х років. 
Радіохвилі із частотною модуляцією можуть генеруватися на будь-якій 
частоті. Усі діапазони, згадані в цьому розділі, знаходяться в діапазоні дуже 
високих частот (VHF), який тягнеться від 30 до 300 МГц. 
У той час як всі країни використовують центральні частоти FM-каналу, що 
закінчуються на 0,1, 0,3, 0,5, 0,7 і 0,9 МГц, в деяких країнах також 
використовуються центральні частоти, що закінчуються на 0,0, 0,2, 0,4, 0,6 та 0,8 
МГц. Деякі інші також використовують 0,05, 0,15, 0,25, 0,35, 0,45, 0,55, 0,65, 0,75, 
0,85 та 0,95 МГц. 
На МСЕ-конференції в Женеві, Швейцарія, 7 грудня 1984 року ухвалено 
рішення припинити використання каналів з проміжками 50 кГц по всій Європі [2]. 
• Більшість країн використовували рознесення каналів 100 кГц або 200 кГц 
для ЧМ-мовлення з часу цієї конференції ITU у 1984 році. 
• Деякі FM-радіо з цифровим налаштуванням не можуть налаштовуватися з 
кроком 50 кГц або навіть 100 кГц. Отже, під час поїздок за кордон станції, які 
ведуть мовлення на певних частотах з таким кроком, можуть бути нечітко чутні. 
Ця проблема не вплине на прийом радіоприймача з аналоговим налаштуванням. 
• У деяких країнах, таких як Італія, в яких сильно завантажені FM-
діапазони, все ще дозволено використання радіостанцій на частотах, кратних 50 
кГц, де б вони не були втиснуті. 
• Рознос каналів 50 кГц допомагає запобігти міжканальним завадам, і вони 
використовують ефект захоплення FM і вибірковість приймача. 
Початковий розподіл частот у Північній Америці, використовуваний 
Едвіном Армстронгом, використовував смугу частот від 42 до 50 МГц, але цей 
розподіл був змінений на більш високу смугу починаючи з 1945 року. У Канаді, 
Сполучених Штатах, Мексиці, Багамських островах і т.д. Це 101 FM-канал, 
пронумерований від 200 (центральна частота 87,9 МГц) до 300 (центральна 
частота 107,9 МГц), хоча ці числа рідко використовуються за межами галузі 
радіотехніки та державного управління. 
Центральні частоти FM-каналів рознесені з кроком 200 кГц. Частота 87,9 
МГц, що технічно є частиною 6-го телеканалу (82–88 МГц), використовується 
лише двома FM-станціями класу D у Сполучених Штатах. Портативні 
радіотюнери часто налаштовуються на 87,5 МГц, тому ті ж радіоприймачі можна 
виробляти і продавати по всьому світу. У автомобілях зазвичай є FM-
радіоприймачі, які можуть налаштовуватися на 87,7 МГц, щоб можна було 
приймати звук телеканалу 6 на частоті 87,75 МГц (± 10 кГц), наприклад, у 
Бірмінгемі, Алабамі, Денвері і Колорадо. З появою цифрового телебачення в 
Сполучених Штатах ця можливість скоро стане неактуальною, коли FCC 
вимагатиме від аналогових станцій LPTV, що залишилися, відключити або 
перетворити їх на цифрові, але в малонаселених регіонах США все ще є аналогові 
телевізійні станції. Аналогові телеканали також є на інших континентах та на 
десятках різних островів. 
У Сполучених Штатах двадцять один канал із центральними частотами 
87,9–91,9 МГц (канали з 200 по 220) становлять зарезервовану смугу, призначену 
виключно для некомерційних освітніх (NCE) станцій. Інші канали (92,1-107,9 
МГц (канали 221-300) можуть використовуватися як комерційними, так і 
некомерційними станціями.  
Спочатку Федеральна комісія зі зв'язку США (FCC) розробила план смуги 
частот, в якому FM-радіостанції призначатимуться з інтервалами в чотири канали 
(з рознесенням 800 кГц) для будь-якої географічної області. Таким чином, в одній 
області станції можуть бути на 88,1, 88,9, 89,7 і т. д., тоді як у сусідній зоні станції 
можуть бути на 88,3, 89,1, 89,9, 90,7 і т. д. Деякі частоти були призначені тільки 
для класу A, яка мала межу трьох кіловат від ефективної випромінюваної 
потужності (ERP) і межу висоти антени для центру випромінювання 300 футів 
(91,4 м). Ці частоти були 92,1, 92,7, 93,5, 94,3, 95,3, 95,9, 96,7, 97,7, 98,3, 99,3, 
100,1, 100,9 , 101,7, 102,3, 103,1, 103,9, 104,9, 105,5, 106,3 та 107,1. На інших 
частотах станція може відноситися до класу B (50 кВт, 500 футів) або класу C 
(100 кВт, 2000 футів) залежно від того, в якій зоні вона знаходиться. 
Наприкінці 1980-х років FCC перейшла на частотний план, заснований на 
таблиці поділу відстаней з використанням станцій, що діють в даний час, і 
розділила таблицю класів, щоб створити додаткові класи і змінити межі висоти 
антени на метри. Потужність класу A була збільшена вдвічі до шести кіловат, а 
згадані вище обмеження частоти було знято. Станом на кінець 2004 року станцію 
можна «втиснути» будь-де, якщо її місцезнаходження та клас відповідають 
правилам у таблиці поділу FCC. Правила рознесення другого сусіднього каналу 
не застосовуються до станцій, ліцензованих до 1964 року. 
Зазвичай кожен канал має ширину 200 кГц (0,2 МГц) і може передавати 
аудіосигнали та піднесучі частоти до 100 кГц. Девіація зазвичай обмежується до 
150 кГц (± 75 кГц), щоб запобігти завадам сусіднього каналу в діапазоні. Станції в 
США можуть перевищувати цю межу до 10%, якщо вони використовують 
нестереофонічні піднесучі, збільшуючи загальну модуляцію на 0,5% на кожен 1%, 
що використовується піднесучими. 
Діапазон мовлення OIRT FM становить від 65,9 до 74 МГц. Він 
використовувався в Радянському Союзі та більшості інших країн-членів 
Варшавського договору Міжнародної організації радіо та телебачення у Східній 
Європі (OIRT), за винятком Східної Німеччини, яка завжди використовувала 
радіомовлення від 87,5 до 100 (пізніше 104) МГц.  
Нижня частина діапазону ОВЧ поводиться так, як у коротких хвилях і має 
краще охоплення, ніж у верхній частині діапазону ОВЧ. Він ідеально підходив 
для охоплення великих та віддалених районів, в яких інакше не було б прийому 
FM-радіо. У певному сенсі FM підходить для цього діапазону, тому що ефект 
захоплення FM може зменшити завад від просторових хвиль. 
Перехід на смугу частот 87,5–108 МГц розпочався ще у 1980-х роках у 
деяких країнах Східної Європи. Після краху комуністичного уряду цей перехід 
було значно прискорено, оскільки було відкрито приватні станції. Це також було 
викликано нестачею обладнання для діапазону OIRT та модернізацією існуючих 
мереж передачі. 
Багато країн повністю припинили мовлення в діапазоні OIRT FM, хоча його 
використання продовжується в інших, переважно в колишніх республіках СРСР. 
Майбутнє мовлення в діапазоні OIRT FM обмежене через відсутність нових 
приймачів для цього діапазону за межами країни. 
Країни, які все ще використовують діапазон OIRT, - це Росія (включаючи 
Калінінград), Білорусь, Молдова, Україна, Литва та Туркменістан. 
У Чехословаччині рішення використовувати діапазон 87,5-108 МГц замість 
діапазону 65,9-74 МГц було ухвалено на початку 80-х років. Було розроблено 
частотний план, який був узгоджений на міжнародному рівні на Регіональній 
адміністративній конференції з FM-звукового радіомовлення в діапазоні ОВЧ в 
Женеві, 1984. Виділені частоти все ще дійсні і використовуються в Чеській 
Республіці та Словаччині. Перший передавач був введений в експлуатацію на 
частоті 102,5 МГц поблизу Праги у листопаді 1984 року. Через три роки по всій 
країні працювало одинадцять передавачів, у тому числі три в празькому районі 
Жижків. У 1988 році планувалося встановити 270 передавачів у 45 точках. 
Перехід завершився 1993 року. 
Угорщина закрила передавачі радіомовлення, що залишилися, в 2007 році, і 
протягом тридцяти днів у липні того ж року кілька угорських радіоаматорів 
отримали тимчасовий експериментальний дозвіл на проведення експериментів з 
поширення радіохвиль і завад у діапазоні 70-70,5 МГц. 
У Білорусі лише державні громадські радіостанції, як і раніше, активні на 
OIRT. Усі радіостанції на OIRT у Білорусі є дзеркалом звичайних FM-трансляцій. 
Основне призначення цих станцій – сумісність із старим обладнанням. 
У 2014 році Росія розпочала заміну передавачів зі смугою OIRT на FM-
передавачі зі смугою CCIR («західні»). Основна причина переходу на CCIR FM – 
залучити більше слухачів. 
На відміну від західної практики, частоти OIRT FM засновані на 30 кГц, а 
не на кратних 50, 100 чи 200 кГц. Це могло бути зроблено для зменшення завад у 
поєднаному каналі, викликаних спорадичним поширенням та іншими 
атмосферними ефектами, які частіше виникають на цих частотах. Однак ефекти 
багатопроменевого спотворення виникають менше, ніж у діапазоні CCIR. 
Стерео зазвичай досягається шляхом відправлення різницевого 
стереосигналу з використанням процесу, званого полярною модуляцією. Полярна 
модуляція використовує зменшену піднесучу на частоті 31,25 кГц зі звуком на 
обох бічних смугах. Це дає наступну структуру сигналу: L + R -> 31,25 кГц 
зменшена піднесуча L - R. 
4-метровий діапазон (70-70,5 МГц) аматорського радіо використовується в 
багатьох європейських країнах повністю в межах діапазону УКХ FM. Оператори у 
цьому діапазоні та у 6-метровому діапазоні (50–54 МГц) використовують 
присутність радіомовних станцій як показник того, що є «вихід» у Східну Європу. 
Це може бути змішаною перевагою, тому що 4-метровий аматорський розподіл 
становить всього 0,5 МГц або менше, а одна станція радіомовлення створює 
значні перешкоди для більшої частини діапазону. 
В системі D телевізійні канали R4 і R5 лежать повністю або частково в 
межах 87,5-108 МГц FM аудіорадіомовного діапазону. Тому країни, які все ще 
використовують систему D, повинні розглянути питання про реорганізацію 
телевізійного мовлення, щоб повною мірою використати цю смугу для 
аудіомовлення. 
Діапазон FM у Японії становить 76–95 МГц (раніше 76–90). Ділянка 90-108 
МГц використовувався для аналогових УКХ ТВ каналів 1, 2 та 3 (кожен 
телевізійний канал NTSC має ширину 6 МГц). Вузькість японського діапазону (19 
МГц в порівнянні з трохи більше 20 МГц для діапазону CCIR) обмежує кількість 
FM-станцій, які можуть бути розміщені на циферблаті, в результаті чого багато 
комерційних радіостанцій змушені використовувати AM. 
Багато японських радіостанцій здатні приймати як японський діапазон FM, 
так і діапазон FM CCIR, тому ту саму модель можна продавати в Японії або 
експортувати. Радіостанція може охоплювати від 76 до 108 МГц, діапазон частот 
може вибиратися користувачем, або під час вибору радіостанції вона може бути 
налаштована та працювати в одному діапазоні за допомогою спеціально 
розміщеного діода або іншого внутрішнього компонента. 
Звичайні радіоприймачі з аналоговим налаштуванням (циферблат і 
покажчик) раніше були відзначені написом "TV Sound" у діапазоні 76-88. Якби ці 
радіостанції продавалися в США, наприклад, у діапазоні 76–88 було б позначено 
ТБ-звук для каналів 5 та 6 УКХ (як два телеканали NTSC завширшки 6 МГц), а у 
діапазоні 88–108 як звичайний FM. Сумісність "телевізійного звуку" із звичайним 
FM-радіо закінчилася з переходом на цифрове телебачення в США в 2009 році, за 
винятком обмеженої кількості малопотужних станцій на каналі 6, які все ще 
використовують аналоговий. 
Автомобілі, що імпортуються з Японії, містять радіоприймач, призначений 
для японського діапазону FM, і імпортери часто встановлюють «перетворювач» 
для перетворення діапазону 87,5–107,9 МГц зі зниженням частоти до частот, які 
може приймати радіоприймач. Крім відображення неправильної частоти, є два 
інших недоліки, які можуть призвести до небажаної продуктивності; 
перетворювач не може повністю перетворити зі зниженням частоти звичайний 
міжнародний FM-діапазон (шириною до 20,5 МГц) в єдиний японський діапазон 
шириною 14 МГц (якщо перетворювач не включає режими понижуючого 
перетворення), а автомобільна антена може працювати погано на вищому FM 
діапазоні. Деякі перетворювачі просто знижують частоту FM-діапазону на 12 
МГц, що призводить до логічних частот (наприклад, 78,9 для 90,9, 82,3 для 94,3 і 
т. д.), але залишаючи діапазон 102-108 МГц. Також RDS не використовується в 
Японії, тоді як більшість сучасних автомобільних радіоприймачів, доступних у 
Європі, мають цю систему. Також конвертер може не допускати проходження 
діапазону MW, який використовується для мовлення AM. Найкраще рішення - 
замінити радіо та антену на ті, які призначені для країни, в якій 
використовуватиметься автомобіль. 
В Австралії була аналогічна ситуація з австралійськими телевізійними 
каналами 3, 4 і 5, які знаходяться в діапазоні від 88 до 108 МГц, і вона мала намір 
слідувати за Японією, але врешті-решт обрала західний план смуги частот через 
радіостанції CCIR, які увійшли до країни.  
У 1930-х роках було розпочато дослідження зі створення радіостанцій, що 
передають на «дуже високих частотах» (VHF) понад 30 МГц. У жовтні 1937 року 
Федеральна комісія зі зв'язку (FCC) оголосила про новий розподіл частот, який 
включав смугу експериментальних та освітніх станцій "Apex", що складається з 
75 каналів у діапазоні від 41,02 до 43,98 МГц. Як і в існуючому діапазоні AM, ці 
станції використовували амплітудну модуляцію, однак інтервал 40 кГц між 
сусідніми частотами був у чотири рази більший, ніж інтервал 10 кГц у 
стандартному діапазоні мовлення AM, що зменшило завади на сусідніх частотах 
та забезпечило велику смугу пропускання.  
Також протягом 1930-х років Едвін Ховард Армстронг розробив 
конкуруючу технологію передачі, «широкосмугову частотну модуляцію», яка 
позиціонувалася як перевага передачі над AM, зокрема через її високу точність і 
майже несприйнятливість до статичних завад. У травні 1940 р., багато в чому 
завдяки зусиллям Армстронга, FCC вирішила виключити діапазон Apex і 
дозволила комерційний діапазон FM з 1 січня 1941 р., що працює на 40 каналах, 
що охоплюють 42–50 МГц, з першими п'ятьма каналами зарезервованими для 
освітніх станцій. Власники радіостанцій виявили значний інтерес до нового FM-
діапазону, проте обмеження на будівництво, запроваджені під час Другої світової 
війни, обмежили зростання нової послуги. 
Після закінчення війни FCC почала стандартизацію розподілу частот. 
Однією з проблемних областей були ефекти тропосферного та спорадичного 
поширення, які іноді відбивали сигнали станцій на великі відстані, викликаючи 
взаємні завади. Особливо спірною пропозицією, висунутою Radio Corporation of 
America (RCA), яку очолив Девід Сарнофф, було те, що діапазон FM повинен 
бути зсунутий на більш високі частоти, щоб уникнути цієї потенційної проблеми. 
Армстронг заявив, що ця зміна переслідувала приховану мету перешкодити 
розвитку FM-радіо. Проте пропозиція RCA переважила, і 27 червня 1945 FCC 
оголосила про перепризначення діапазону FM на 90 каналів з 88-106 МГц. 
Невдовзі діапазон FM було розширено до 100 каналів з 88–108 МГц, а 20 перших 
каналів зарезервовані для освітніх станцій. Настав період, коли існуючим FM-
станціям дозволялося мовити як на вихідному «низькому», так і на новому 
«високому» FM-діапазонах, який закінчився опівночі 8 січня 1949 року, коли всі 
передачі в низькому діапазоні мали закінчитися. 
 
1.2 Огляд сучасних FM радіо антен 
 
Антена FM-передавача була, є і завжди буде важливою частиною системи, а 
її розташування та тип значно впливають на діапазон. На вибір бажаного типу 
антени впливає кілька факторів, але переважно місце передачі. У центрі зони, яку 
треба охопити, знадобиться всеспрямована антена, яка передає однаково в усіх 
напрямках, а за межами зони покриття можна передавати сигнал за допомогою 
спрямованої антени.  
Розглянемо конструкції та характеристики антен, які представлені на 
сучасному ринку.  
Рукавна дипольна антена малої потужності wave представлена на рис.1.1,а. 
Напрочуд хороша FM-антена, яка ідеально підходить для невеликих FM-станцій у 
комплекті з монтажним кронштейном. Легко монтується на балконі, будь-якій 
металевій конструкції або антенній щоглі на даху. Рекомендується для PCI MAX з 
підсилювачем 15 Вт або без нього. 
Технічні характеристики версії без попереднього підсилювача: 
– Діапазон частот: 88-110MГц 
– Посилення: 0 дБд (диполь) 
– Смуга пропускання: 20 МГц 
– Макс. потужність: 15 Вт макс 
– Поляризація: вертикальна 
- Вага: 2 кг 
- Довжина: 150 см 
– Роз’єм: F (замініть на PL259, BNC або N для кращої продуктивності) 
Технічні характеристики версії з попереднім підсилювачем 20 дБ: 
– Діапазон частот: 88-110MHz 
– Посилення антени: 0 дБд (диполь) 
– Посилення попереднього підсилювача: 20 дБ 
– Потужність попереднього підсилювача: потрібно 12 В постійного струму (20 
мА) 
– Смуга пропускання: 20 МГц 
– Макс. потужність: тільки для прийому, не підходить для передавачів 
– Поляризація: вертикальна 
- Вага: 2 кг 
- Довжина: 150 см 
– Роз’єм: F 
   
а)     б) 
Рисунок 1.1 – Рукавна дипольна антена малої потужності wave (а) і ефективна 
всеспрямована антена 1/4 wave FM з магнітною основою (б) 
 
Ефективна всеспрямована антена 1/4 wave FM з магнітною основою 
зображена на рис.1.1,б. Мобільні FM-антени з магнітною основою, як правило, 
досить неефективні та мають низький радіус дії, але ця антена краща, ніж будь-
яка інша на магнітній основі. Слід розуміти, що велика антена на високій вежі 
завжди виграє легко, але там, де умови вимагають мобільного встановлення та 
невеликого розміру, PCS028 – це вихід; це чверть антени wave для використання в 
діапазонах від 66 до 132 МГц. Якщо потрібно використовувати її для приймача, 
вона забезпечує чудову продуктивність для різноманітних додатків прийому в 
діапазоні FM-мовлення, а також зберігає потужність 200 Вт для передачі. 
Поставляється з коаксіальним кабелем RG8 довжиною 18 футів і роз’ємом PL-
259. 
Технічні характеристики: 
– Діапазон частот 66-132 МГц (регулюється за допомогою обрізки, діаграма 
надається) 
– Опір 50 Ом 
– КСХ 1,5 : 1 Макс. 
– Смуга пропускання 3 МГц 
– Номінальне посилення 0 дБ (одиниця) 
– Максимальна потужність 200 Вт 
– Довжина 2′ – 4'3″ 
– Вага (без упаковки) приблизно 1,5 кг 
– Конструкція з нержавіючої сталі 
– Роз’єм ПЛ-259 
– Макс. Швидкість вітру 70 миль на годину 
3-елементна антена YAGI для FM-передавачів малої потужності 
представлена на рис.1.2. Точне виготовлення, низька ціна та робота без 
налаштування роблять цю спрямовану антену YAGI (випромінює більшу частину 
сигналу вперед) гарним поєднанням для передавачів малої потужності, таких як 
PCI MAX 2007+. Рекомендується там, де буде використовуватися лише невелика 
потужність, обмежені кошти та відсутність вимірювальних приладів для 
налаштування. Це також значно покращує прийом сигналу, якщо 
використовується в приймачі. 
У той час як сама антена може витримувати значну потужність, 
використаний феритовий балун обмежує обробку потужності парою ват. 
Директор і рефлекторний елемент можна зняти, залишивши тільки 
дипольний елемент з монтажними кронштейнами. 
Технічні характеристики: 
– Кількість елементів: 3 
– Посилення: 4,5 – 5,5 дБд 
– Співвідношення фронт/зад: 10 – 15 дБ 
– Ширина променя: H 70° / V 110° 
– КСХ: 1:1,5  
– Потужність: 2-4 Вт. 
– Довжина антени: 1155 мм 
– Частота діапазон: 88-108 МГц (без налаштування) 
– Роз’єм: коаксіальний кабель підключається безпосередньо до балуна 
- Вага: 2,5 кг 
– Загальні розміри упаковки: 1460 x 250 x 100 мм 
 
Рисунок 1.2 – Трьохелементна антена YAGI для FM-передавачів малої потужності 
 
5-елементна логоперіодична антена для FM-передавачів малої та середньої 
потужності наведена на рис.1.3. Точне виготовлення, приваблива ціна та робота 
без налаштування роблять цю спрямовану логоперіодичну антену (випромінює 
більшу частину сигналу в одному напрямку) гарним поєднанням для передавачів 
LPFM до 100 Вт. Рекомендується, якщо потрібно охопити певний напрямок, 
використовуватиметься лише максимальна потужність 100 Вт, а широкосмугова 
робота без налаштування є плюсом. Завдяки високому коефіцієнту підсилення 
вона також значно покращує прийом сигналу, якщо її використовувати в 
приймачі, тому це чудовий вибір для вимірювальних приймачів. Кілька антен 
можна поєднати, щоб створити дуже спрямовану антену з дуже високим 
коефіцієнтом посилення. 
Технічні характеристики: 
– Кількість елементів: 5 
– Посилення: 6,5 дБд 
– Співвідношення фронт/зад: 15 дБ 
– Ширина променю -3dB: H 140° / V 60° 
– КСХ: 1:1,5 макс. (близько 1:2,0 при використанні в системах 50 Ом) 
– Потужність: макс. 100 Вт (рекомендується змінити роз’єм на N за допомогою 
подовжувального коаксіального кабелю) 
– Опір вітру 120км/год  
– Імпеданс: 75 Ом (можна використовувати при 50 Ом з невеликим збільшенням 
КСХ) 
– Розміри: 1720 mm x 1220 mm x 50mm 
– Частота діапазон: 87,5-108 МГц (без налаштування) 
– Роз’єм: коаксіальний кабель підключається безпосередньо до балуна 
- Вага: 1,3 кг 
 
Рисунок 1.3 – П’ятиелементна логоперіодична антена  
для FM-передавачів малої та середньої потужності 
 
Штабельна кругла дипольна антена представлена на рис.1.4. Це недорога 
високопотужна кругла дипольна антена з радіочастотним роз’ємом типу N. Ці 
антени повинні бути налаштовані кінцевим користувачем на місці встановлення. 
Потрібен КСХ-метр або аналізатор антени, хоча для приблизного налаштування 
антени можна використовувати надану таблицю налаштування. 
Технічні характеристики: 
– Діапазон частот: 86-110MГц 
– Імпеданс: 50 Ом 
– КСХ (налаштований): 1,1:1 
– Посилення: 2,14 дБі 
– Смуга пропускання: 20 МГц, регульована 
– Макс. потужність: 600 Вт 
– Матеріал: нержавіюча сталь 
– Поляризація: кругова (+-1,3 дБ), всенаправлена 
- Вага: 4 кг 
- Довжина: 120 см 
– Стійкість до вітру: 210 км/год 
– Роз’єм: N гніздо 
 
Рисунок 1.4 – Штабельна кругла дипольна антена 
 
Широкосмугова спрямована панель (рис.1.5), дуже міцна конструкція, 
виготовлена з гарячеоцинкованої сталі. Підходить для систем випромінювання 
високої потужності. Усі ізолятори виготовлені з PTFE з гвинтами з нержавіючої 
сталі. Усі металеві частини мають електричне заземлення, що забезпечує чудовий 
захист від блискавки. Коли панелі встановлені на чотирьох сторонах квадратної 
вежі, можна отримати кругову діаграму направленості. Це те, що найбільші FM-
станції використовують у своїх налаштуваннях, зазвичай таких панелей на вежі не 
менше 4, а їх кількість може бути набагато більшою (8,12, 16 і більше).  
Технічні характеристики: (7/16 connector 2KW) 
– Діапазон частот: 87,5-108 MГц 
– Імпеданс: 50 Ом 
– КСХ: < 1,2 : 1 
– Форм-фактор: Панельна антена 
– Роз’єми: 7/16 
– Посилення: 7,5 дБд 
- Потужність: 2 кВт 
– Поляризація: вертикальна/горизонтальна 
– Розміри: 248 x 174 x 78 см 
- Вага: 45 кг 
 
Рисунок 1.5 – Широкосмугова спрямована панель 
1.3 Конструкція, принцип роботи та особливості антен «хвильовий 
канал» 
 
Очевидно, що прості антени у вигляді вібратора з рефлектором або 
директором, формуючи переважно односпрямоване випромінювання, все ж таки 
не дозволяють отримувати вузькі ДН і КНД більше кількох одиниць дБ. Істотно 
більшою спрямованістю мають директорні антени або антени типу «хвильовий 
канал» (антени Уда-Ягі), що є дискретною системою паралельних вібраторів, на 
одному з яких відбувається збудження антени, ще один обмежує осьове 
випромінення в одну зі сторін, а решта – підсилюють випромінення у вибраному 
напрямку.  Розміри всіх диполів близькі до половини хвилі і зменшуються в 
напрямку поширення випромінення. У діапазоні частот порядку 100-1000 МГц 
антени «хвильовий канал» виконуються з металевих стрижнів або трубок, на 
більш високих частотах - за друкованою (смужковою) технологією. Приклад 
поширеної конструкції антени «хвильовий канал» показаний на рис.1.6, на якому 
позначено: 1 – рефлектор, – директори, 3 – активний симетричний вібратор [1-3]. 
  
а)      б) 
Рисунок 1.6 – Конструкція антени «хвильовий канал» (а)  
та приклад її діаграми направленості (б) 
 
Активний вібратор 3, наприклад звичайний напівхвильовий з власним 
вхідним резонансним опором 73 Ом або петльовий вібратор з підвищеним 
резонансним опором 292 Ом, підключається до живильної лінії передачі. 
Пасивний вібратор 1, розташований позаду активного, грає роль рефлектора, інші 
вібратори 2, наявні попереду активного, називаються директорами. Рефлектор і 
директори можна безпосередньо з'єднувати в центрах з несучим металевим 
стрижнем (траверсою), який не збуджується через те, що при роботі антени він 
орієнтований перпендикулярно силовим лініям вектора напруженості 
електричного поля. Якщо активним вібратором використовується звичайний 
симетричний вібратор, то, безумовно, його плечі повинні бути ізольовані від 
несучого стрижня; у разі петльового вібратора його можна безпосередньо 
з'єднувати з траверсою в середній точці (нульового потенціалу). 
Антени «хвильовий канал» прості за конструкцією та зручні в експлуатації, 
тому знайшли широке застосування як в приймальних телевізійних антенах у 
метровому та дециметровому діапазонах хвиль; решітки з антен «хвильовий 
канал»  застосовуються у радіолокаційних системах. У сантиметровому діапазоні 
вони використовуються як елементи ФАР. Особливістю антен подібного типу є їх 
вузькосмуговість (смуга пропускання не більше кількох відсотків). 
Принцип роботи антени «хвильовий канал» полягає в наступному [1-3]. 
ЕМП випромінювання активним вібратора направляється рефлектором і першим 
директором у бік інших директорів, які за певних умов інтенсивно збуджуються 
електромагнітною хвилею, що біжить вздовж осі антени, утворюючи своєрідний 
хвильовий канал. Звичайно, більш віддалені директори збуджуються слабше. В 
результаті, як і в будь-якій антені біжної хвилі осьового випромінювання, напрям 
максимального випромінювання антени «хвильовий канал» збігається з її віссю. 
Сповільнююча структура утворюється системою директорів. Типові електричні 
довжини вібраторів: активного 2l≤λ0/2, рефлектора 2l > λ0/2, директорів 2l < λ0/2. 
Антена «хвильовий канал» випромінює електромагнітну хвилю з лінійною 
поляризацією в площині, в якій розташовані вібратори. 
Приклад експериментально отриманої ДН антени «хвильовий канал» із 
шістьма директорами наведено на рис.1.6,б: у площині, перпендикулярній осям 
вібраторів (суцільна лінія) та у площині вібраторів (пунктирна лінія) [2]. 
Зі збільшенням кількості директорів (відповідно, зі збільшенням повної 
довжини антени) ширина ДН в обох площинах зменшується, але не прямо 
пропорційно до довжини (рис.1.7) [2]. 
  
а)     б) 
Рисунок 1.7 – Графіки залежностей ширини ДН (а) та КНД (б) директорної антени 
від її відносної довжини 
 
Мінімальна ширина ДН антени «хвильовий канал»  за рівнем половинної 
потужності становить 15-20°, що можна досягти тільки при забезпеченні 
оптимальних співвідношень між струмами у вібраторах. Для цього необхідно, 
щоб відстань між активним вібратором і рефлектором була в межах (0,15-0,25)λ0 
при довжині рефлектора (0,48-0,52)λ0; відстань між директорами, першим 
директором і активним вібратором становила б (0,10-0,30)λ0; довжина директорів 
дорівнювала б (0,48-0,40)λ0. Кількість директорів вибирається не більше 10-15; 
при цьому КНД досягає в середньому 12-15 дБ. Збільшення кількості директорів 
більше зазначеного не робить істотного впливу на ДН, оскільки наведені струми в 
крайніх директорах стають малими та їх внесок у формування ДН слабшає. Рівень 
бічних пелюсток ДН директорних антен досить високий і може досягати -(5-3) дБ. 
Ширину ДН по половинної потужності в Е-і Н-площинах для антени 
«хвильовий канал», що містить у сукупності N вібраторів, можна оцінити в 
радіанах за допомогою виразів  
 
            .                                   (1.1) 
На вхідний опір активного вібратора впливають усі пасивні вібратори за 
рахунок чого вхідний опір Zвх активного вібратора у вигляді простого 
симетричного вібратора знижується до 20-30 Ом. З метою підвищення Zвх 
використовують петльовий вібратор Пістолькорса з підвищеним резонансним 
власним опором 292 Ом. Це дає й інші переваги — дещо більшу 
широкосмуговість та зручність кріплення. 
Антени «хвильовий канал» принципово вузькосмугова через різку зміну 
вхідного опору Zвх із частотою. Встановлено, що дія рефлектора на Zвх сильніша, 
ніж директорів. Тому з метою розширення частотного діапазону застосовують 
більш широкосмугові рефлектори, наприклад, плоскі. Реальна смуга частот 
антени «хвильовий канал» не перевищує 5-15 % [1-3]. 
 
 
2. СУЧАСНЕ ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ 
ДЛЯ МОДЕЛЮВАННЯ В ЕЛЕКТРОНІЦІ 
 
2.1 Етапи розвитку програм моделювання електронних пристроїв 
 
Наведено огляд найбільш поширених пакетів програм, що 
використовуються для комп'ютерного моделювання технологічних процесів, 
структури та характеристик електронних приладів та пристроїв на сучасному 
розвитку електроніки. Описано основні можливості цих пакетів. Визначено сфери 
їх найбільш ефективного використання. 
В основі існуючих науки і техніки лежать експериментальні дослідження 
явищ природи, а головною метою цих досліджень є формулювання законів та 
теорій, які пояснюють ці явища, та використання цих законів та теорій на 
практиці. При цьому з часів Ньютона стало зрозуміло, що хороша теорія може 
бути не менш цінною, ніж експериментальні дані. Тому до середини ХХ століття 
проведені дослідження прийнято було поділяти на експериментальні і теоретичні. 
Ситуація кардинальним чином змінилася у 50-ті роки минулого століття, 
коли з'явилися перші комп'ютери, а разом з ними – і можливість комп'ютерного, 
або імітаційного моделювання процесів та явищ шляхом чисельного вирішення 
складних нелінійних завдань математичної фізики за допомогою різноманітних 
ітераційних схем. Починаючи з цього моменту, комп'ютерне моделювання міцно 
зайняло позиції ще одного, додаткового методу дослідження навколишньої 
дійсності, і на сучасному розвитку науки і техніки ці методи цілком доречно 
ділити на експериментальні, теоретичні та методи комп'ютерного моделювання. 
Історично склалося так, що перші роботи з комп'ютерного моделювання 
були пов'язані з фізикою, де за допомогою моделювання вирішувалася ціла низка 
завдань гідравліки, фільтрації, теплоперенесення та теплообміну, механіки 
твердого тіла тощо. Успіхи комп'ютерного моделювання у фізиці сприяли 
поширенню його завдання хімії, електроенергетики, біології, і навіть деякі інші 
дисципліни, причому схеми комп'ютерного розв'язання завдань часто залишалися 
схожими під час переходу від однієї галузі знання до інший. Широкого 
поширення набули ці методи і в електроніці, особливо в останні десятиліття, коли 
за допомогою комп'ютерного моделювання стали вирішуватись головні її 
проблеми – мініатюризації та інтеграції, а також проблеми створення нових 
приладів на основі нових матеріалів, з невідомими раніше характеристиками або 
властивостями. 
Безумовно, вирішення зазначених проблем цілком може бути отримано і без 
використання комп'ютерного моделювання шляхом проведення комплексу 
теоретичних досліджень і виконання ряду експериментальних робіт. Однак 
спроби експериментального вирішення цих проблем, як правило, пов'язані з 
серйозними витратами часу та коштів, а теоретичні дослідження неминуче 
впираються в необхідність використання спрощених математичних моделей через 
велику кількість використовуваних параметрів та різноманіття взаємопов'язаних 
явищ та процесів. В силу цього комп'ютерне моделювання в електроніці не тільки 
не втрачає своєї актуальності, а й, навпаки, набуває все більшого і більшого 
значення, а програмне забезпечення, що використовується при цьому, стає все 
більш і більш складним і все більш досконалим, складаючи основу цілих систем 
автоматизованого проектування ( САПР) [5-7]. 
У цьому розділі зроблено огляд найбільш поширених спеціалізованих 
програмних пакетів та САПР, що дозволяють проводити комп'ютерне 
моделювання технологічних процесів, структури та характеристик електронних 
приладів та пристроїв на рівні сучасних промислових стандартів. 
В даний час САПР, призначені для комп'ютерного моделювання та 
проектування в електроніці (EDA – Electronic Design Automation), за своїм 
призначенням поділяється на: 
• засоби автоматизації інженерних розрахунків, аналізу та симуляції 
фізичних процесів (CAE – Computer-Aided Engineering); 
• засоби технологічної підготовки виробництва виробів, що забезпечують 
автоматизацію програмування та управління обладнанням (CAM – Computer-
Aided Manufacturing); 
• засоби автоматизованого проектування (CAD – Computer-Aided Design); 
• засоби автоматизації планування технологічних процесів, що 
застосовуються на стику систем CAD та CAM (CAPP – Computer-Aided Process 
Planning). 
Крім того, багато систем є комплексними і поєднують у собі вирішення 
завдань, що відносяться до різних аспектів проектування – CAD/CAM, CAD/CAE, 
CAD/CAE/CAM. 
Безумовно, на етапі розвитку цих систем вже неможливо навіть поверхово 
описати всі можливості, структуру і принципи використання. Сьогодні це, мабуть, 
справа не одного дослідження. Тому в цьому огляді ми обмежилися лише 
коротким розглядом програмних пакетів та САПР, які відносяться до CAD- та 
CAE-систем. 
 
2.2 Можливості програмних пакетів, призначених для комп'ютерного 
моделювання в мікро- і наноелектроніці 
 
Як і будь-яке інше моделювання, комп'ютерне моделювання в електроніці 
спрямоване на створення прототипів різноманітних об'єктів, процесів чи систем, 
зокрема, складних систем, залежних від сукупності взаємозалежних і навіть 
випадкових чинників, причому, ці чинники може бути як внутрішніми, так і 
зовнішніми. Комп'ютерне моделювання дозволяє значно знизити витрати на 
проведення експериментів та теоретичних досліджень, скоротити терміни 
створення та аналізу натурних моделей, а також отримати необхідні результати у 
максимально зручній формі. 
Спеціалізовані комп'ютерні програми в електроніці зараз 
використовуються: 
• при проектуванні та конструюванні нових приладів та пристроїв 
(Sentaurus, Silvaco, Simulink); 
• при проектуванні інтегральних схем та друкованих плат (Mentor Graphics); 
• для збирання даних та цифрової обробки сигналів (LabView, DAC Tools, 
ThermaCAM, CodeVisionAVR). 
За допомогою сучасного програмного забезпечення можна моделювати: 
• технологічні процеси (Suprem, Sentaurus Process); 
• електронні прилади та пристрої (Pisces, Medici, Atlas, Minimos); 
• електричні ланцюги (Spice, Spectre); 
• електромеханічні пристрої (Ansys, Coventor); 
• складні електронні системи (Level System Verilog, System C); 
• виконання логічних операцій та реєстрову передачу даних (VHDL); 
поведінка складних динамічних систем (Simulink, ADS); 
• дія іонізуючих випромінювань (Geant4); 
• фізику явищ та процесів, що протікають на різних етапах технологічних 
ланцюжків, а також при функціонуванні різноманітних електронних приладів та 
пристроїв (Ansys, Comsol). 
2.3 Комп'ютерне моделювання електричних ланцюгів у симуляторах 
типу SPICE і SIMULINK 
 
Найбільш широко використовувані програми, призначені для імітаційного 
моделювання (симуляції) електричних ланцюгів, є програми типу симулятора 
Spice (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis), який спочатку був 
розроблений в Каліфорнійському університеті м. Берклі (США). В даний час ця 
система стала стандартом для розроблюваних і вже експлуатованих комерційних 
пакетів схемотехнічного моделювання (HSpice, Spectre, Pspice, Micro-Cap) і має 
ряд переваг у порівнянні з багатьма іншими подібними системами: вона не 
вимоглива до ресурсів і у неї є некомерційні версії, наприклад, як AIM-Spice. 
Аналогові симулятори ланцюгів типу Spice дозволяють моделювати як 
електричні ланцюги в цілому, так і окремі ділянки цих ланцюгів, що містять 
резистори, конденсатори, індуктивності, джерела напруги та струму, довгі лінії, 
ключі та кілька типів напівпровідникових приладів: діоди, біполярні транзистори 
(BJ польові транзистори (JFET), арсенід-галієві транзистори (MESFET) та МОП-
транзистори (MOSFET). Метою моделювання, зазвичай, є виконання чисельного 
аналізу електричних ланцюгів, тобто визначення розподілу вхідних та вихідних 
напруг і струмів, опис перехідних процесів тощо. І тому кожен елемент 
електричної ланцюга представляється як математична модель і у всіх вузлах 
ланцюга забезпечується виконання законів Кірхгофа. Потім – чисельно 
вирішується відповідна система нелінійних рівнянь, що містить набір величин, що 
підлягають визначенню. 
Спочатку розраховані на моделювання саме ланцюгів симулятори типу 
Spice передбачають наявність готових моделей їх елементів, фізичні, технологічні 
та інші параметри яких є заданими. Звідси випливає один із головних недоліків 
таких симуляторів, з яким найчастіше доводиться стикатися на практиці: 
результати моделювання настільки ж добрі, наскільки хороші моделі та 
параметри використовуються при моделюванні. Ще одним недоліком цих 
симуляторів є різке збільшення часу рахунку при розрахунках швидких 
динамічних процесів у складних електричних ланцюгах, у різних частинах яких 
може розвиватися безліч перехідних явищ. 
Для моделювання таких процесів доцільно використовувати не один, а різні 
комбінації симуляторів. Можливості для створення таких комбінацій надає 
система Simulink програмного пакету MatLab або складніші спеціалізовані 
системи схемотехнічного моделювання, які входять до САПР для розробки 
інтегральних схем, друкованих плат та інших елементів електроніки, що містять 
електричні ланцюги. 
Зазначимо, що система Simulink дозволяє створювати з окремих блоків 
комбінації як електричних, так й механічних, і навіть електромеханічних 
симуляторів. При цьому час рахунку може скорочуватися від днів і місяців до 
кількох хвилин. 
  
2.4 Системи автоматизованого проектування CADENCE, MENTOR 
GRAPHICS, ALTIUM DESIGNER і SYMICA 
 
Світовими лідерами в галузі створення САПР для розробки інтегральних 
схем, систем-на-кристалі, друкованих плат і систем-в-корпусі, які включають, 
зокрема, системи моделювання складних електричних ланцюгів, є компанії 
Cadence та Mentor Graphics. 
Продукти Cadence націлені на різні типи проектування та верифікації: 
• Virtuoso Platform – пакет програм для проектування інтегральних схем (в 
основному аналогових), включаючи їх структурне представлення, симуляцію 
схеми, функціональне моделювання (Verilog-AMS), повне макетування та фізичну 
верифікацію; 
• Encounter Platform – пакет програм для проектування цифрових 
інтегральних схем, включаючи проектування, тестування та синтез; 
• Incisive Platform – пакет програм для імітаційного моделювання та 
функціональної верифікації RTL (Register Transfer Level – рівня регістрових 
передач), включаючи моделі, що базуються на мовах опису апаратури Verilog, 
VHDL та SystemC; 
• Allegro Platform – інструменти для спільного проектування інтегральних 
схем та друкованих плат; 
• Verification IP – єдине середовище верифікації, яке надає широкий спектр 
засобів для моделювання, генерації тестів та оцінки покриття, можливості 
розробки системних моделей та віртуальних прототипів; 
• OrCAD/PSpice – інструменти для невеликих компаній проектування та 
індивідуальних розробників. 
Аналогічні за призначенням програми та пакети виробляються і компанією 
Mentor Graphics. При цьому напрямками, в яких Mentor Graphics займає провідне 
становище, є: 
• системне та функціональне проектування та верифікація систем на 
кристалі; 
• проектування та верифікація топології надвеликих інтегральних схем 
(НВІС) у субмікронному діапазоні; 
• підвищення технологічності та виходу придатних виробів; 
• пост-виробниче тестування та діагностика; 
• проектування систем на друкованих платах, включаючи програмовані 
користувачем вентильні матриці (FPGA – Field-Programmable Gate Array); 
• проектування вбудованого програмного забезпечення. 
Діапазон засобів, запропонованих компаніями Cadence та Mentor Graphics, 
охоплює всі основні етапи проектування та верифікації – від концептуального 
рівня до генерації файлів, що управляють, для обладнання та підготовки 
виробництва готових виробів. До недоліків САПР, запропонованих цими 
компаніями, слід віднести їхню високу вартість, що змушує користувачів шукати 
більш дешеву альтернативу. Прикладом такої альтернативи є система Altium 
Designer, розроблена австралійською компанією Altium і відома в Україні завдяки 
своїм попередникам – системам P-CAD та Protel, а також система Symica, яка 
позиціонується як аналог Cadence. 
  
2.5 Системи автоматизованого проектування ADS і AWR 
 
Промисловим стандартом у галузі проектування ВЧ, НВЧ та 
високошвидкісних цифрових пристроїв в даний час є система ADS (Advanced 
Design System) фірми Agilent Technologies. За допомогою ADS можна швидко і 
точно спроектувати алгоритм роботи радіоелектронного пристрою, так і його 
принципову схему і топологію. Програмні засоби Agilent Technologies 
дозволяють: 
• створювати бібліотечні моделі напівпровідникових пристроїв; 
• проектувати та моделювати цифрову та аналогову частини пристрою; 
• проводити електромагнітний аналіз пристроїв та перевірку на 
електромагнітну сумісність; 
• оцінювати цілісність сигналу у схемі; 
• проводити точний розрахунок тривимірних пасивних об'єктів (корпусів 
пристроїв, роз'ємів, джгутів, кульок припою, 3D-отворів тощо); 
• здійснювати розробку монолітних інтегральних схем та розведення 
друкованих плат; 
• проектувати та проводити моделювання антен та антенних систем. 
САПР ADS пропонує повну інтеграцію розробки приймально-передаючих 
трактів, що складаються з різних типів ВЧ/НВЧ блоків (фільтрів, змішувачів, 
підсилювачів тощо). Крім того, в системі ADS можливе проектування та 
моделювання досить складних пристроїв, таких, як стільникові та портативні 
телефони, бездротові мережі, радіолокаційні станції та супутникові 
телекомунікаційні системи. 
Нові можливості проектування відкриваються за рахунок інтеграції 
програми ADS та вимірювальних приладів (так звані «взаємопов'язані рішення»). 
Цей спосіб розробки дозволяє вирішувати складні завдання щодо перевірки 
адекватності моделей пристроїв та керувати роботою вимірювального 
обладнання. 
На розробці САПР для телекомунікаційного обладнання (стільникові 
телефони, пейджери, локальні системи супутникового цифрового мовлення (DBS) 
тощо) спеціалізується фірма AWR (Applied Wave Research), що належить компанії 
National Instruments. Програма Microwave Office цієї фірми в даний час є 
найпотужнішим і сучасним пакетом проектування планарних НВЧ пристроїв, що 
включає засоби розробки та моделювання лінійних та нелінійних схем, 
електромагнітного аналізу планарних структур, топологічний редактор, великі 
набори бібліотек елементів із зосередженими та розподіленими параметрами 
(рис.2.1). А пакет Visual System Simulator надає можливості моделювання 
цифрових пристроїв систем зв'язку системному рівні. 
 
Рисунок 2.1 – Інтерфейс програми Microwave Office 
 
Ці програми повністю інтегровані у середовище проектування AWR Design 
Environment та мають дуже великий, накопичений за багато років досліджень 
набір моделей функціональних блоків. Крім того, компанією AWR в якості більш 
потужної альтернативи модулю EMSight, що поставляється у складі пакету 
Microwave Office, була розроблена програма AXIEM, призначена для виконання 
повного тривимірного електромагнітного моделювання планарних НВЧ структур: 
багатошарових НВЧ друкованих плат, монолітних інтегральних мікросхем, 
гібридних і LTCC-пристроїв (Lo Temperature Co-fired Ceramics). 
Для моделювання антен та НВЧ структур широко використовуються 
програми HFSS (рис.2.2) і FEKO (рис.2.3) та ряд інших. 
 
Рисунок 2.2 – Сторінка з моделлю антени в середовищі HFSS 
 
Рисунок 2.3 – Вікно програми FEKO 
2.6 Приладно-технологічне моделювання в електроніці 
 
Крім моделювання електричних кіл завжди існує необхідність моделювання 
окремих елементів цих ланцюгів, включаючи різні напівпровідникові прилади та 
пристрої. Приладове моделювання в електроніці дозволяє передбачити 
електричні, теплові та оптичні характеристики цих приладів без їх виготовлення, 
виключаючи цим потреби в проведенні натурних експериментів. 
Програми приладового моделювання, як правило, дають можливість: 
• сконструювати та оптимізувати будь-які прилади та пристрої, включаючи 
прилади, робота яких ґрунтується на нових фізичних явищах або матеріалах; 
• зрозуміти принципи роботи приладів шляхом вивчення розподілу 
потенціалу, електричного поля, струму, щільності струму, температури, 
швидкості генерації та рекомбінації носіїв заряду тощо; 
• дослідити стаціонарні та перехідні процеси за будь-яких умов роботи 
приладів; 
• вивчити умови пошкодження приладів та механізми їх відмови; 
• згенерувати дані для компактних моделей приладів, які використовуються 
під час схемотехнічного аналізу та моделювання; 
• об'єднати один або кілька фізично змодельованих приладів в електричний 
ланцюг з пасивними та активними елементами та компактними моделями. 
Програми приладового моделювання дозволяють проводити моделювання 
1D-, 2D- та 3D-структур довільної форми шляхом чисельного вирішення 
фундаментальних рівнянь математичної фізики – рівняння Пуассона, рівняння 
безперервності, рівнянь енергетичного балансу та теплопровідності. Вони 
дозволяють моделювати довільно леговані структури, створені на основі великої 
кількості матеріалів, включаючи матеріали, фізичні властивості яких задаються 
користувачем. 
Сучасні засоби приладового моделювання містять велику кількість 
фізичних моделей, включаючи різні моделі рухливості та рекомбінації носіїв, 
квантовомеханічні моделі, моделі пробою тощо. Багато програмні продукти 
дозволяють користувачеві визначати нові фізичні моделі та вирішувати відповідні 
рівняння у приватних похідних чисельними методами. 
У програмах приладового моделювання структури, що моделюються, як 
правило, створюються за допомогою графічних редакторів або за допомогою 
емуляторів технологічних процесів, які, ґрунтуючись на математичних моделях 
цих процесів, відразу переводять різного роду технологічні операції (дифузію, 
епітаксію, травлення, оксидування і т.д.) у геометричні образи. У той же час 
багато сучасних САПР надають можливість одночасного, приладно-
технологічного моделювання, коли в ході моделювання приладів досліджуються 
електрофізичні властивості приладів, отриманих в результаті імітаційного 
моделювання технологічних процесів. 
Існуючі сьогодні програми технологічного моделювання дозволяють 
моделювати як окремі процеси виготовлення, і цілі технологічні ланцюжки, 
об'єднуючи останні в технологічні маршрути віртуального виробництва. Першою 
вдалою програмою такого типу стала програма Suprem II, розроблена в 
Стенфордському університеті (США) в 1978 р. і стала де-факто стандартом як для 
комерційних (SSuprem, Athena), так і для вільних (Suprem III, Suprem IV) 
програмні пакети технологічного моделювання. 
Моделювання технологічних процесів дозволяє: 
• проектувати і моделювати як структуру, а й саме виробництво сучасних 
пристроїв – від великих силових транзисторів до субмікронних пристроїв; 
• проводити оцінку та вдосконалення як традиційних, так і нетрадиційних 
технологій; 
• аналізувати передісторію та релаксацію напружень та прогнозувати 
характеристики одно-, дво- та тривимірних структур; 
• пов'язувати віртуально зроблені структури з програмами приладового 
моделювання. 
Синтез програм технологічного моделювання з програмами моделювання 
приладів і призвів до появи сучасних систем приладно-технологічного 
моделювання (TCAD – Technology Computer Aided Design), без яких вже не може 
обійтися жодне велике виробництво твердотільної електроніки. 
2.7 Системи автоматизованого проектування SENTAURUS TCAD і 
SILVACO TCAD 
 
Завдяки їх величезним можливостям і передбачувальній силі в даний час 
існує досить багато виробників як комерційних, так і вільних систем приладно-
технологічного моделювання: Crosslight Software (Crosslight TCAD), Cogenda 
Software (Visual TCAD), Global TCAD Solutions (Minimos), General-purpose 
Semiconductor Simulator та Archimedes (TCAD-системи з відкритим кодом) і т.д. 
Однак найбільш потужними та найбільш привабливими продуктами такого плану 
є САПР Sentaurus TCAD компанії Synopsys та Silvaco TCAD компанії Silvaco. 
Обидві ці компанії є світовими лідерами серед виробників програмного 
забезпечення для проектування та верифікації НВІС та систем-на-кристалі різного 
рівня складності - аж до субмікронних. Але найбільшу популярність цим 
компаніям принесли саме TCAD-системи, до складу яких входять: 
• системні засоби або обчислювальні оболонки; 
• засоби моделювання технологічних процесів; 
• програми створення структури приладів; 
• засоби моделювання приладів та додаткові модулі та утиліти. 
Системні засоби, або обчислювальні оболонки (Sentaurus Workbench, 
Silvaco DeckBuild) забезпечують інтерфейс та інтеграцію програмних засобів та 
надають графічні можливості для побудови та редагування складних проектів, 
засоби параметризації вхідних файлів для автоматичного запуску груп завдань, 
організують обчислювальні процеси всередині проектів та директорій, 
полегшують роботу з програмними пакетами, що забезпечують планування 
експерименту, оптимізацію та статистичний аналіз у рамках дослідження. Сюди ж 
відносяться засоби доступу до бібліотек калібрувальних даних, програми, що 
забезпечують високорівневий інтерфейс до моделювання технологічних процесів, 
та засоби візуалізації та аналізу отриманих даних. Для моделювання 
технологічних процесів у системах Synopsys та Silvaco використовуються, 
відповідно, програмні пакети Sentaurus Process та Athena. 
Ці пакети дозволяють проводити 2D- та 3D-моделювання всіх етапів 
стандартних технологічних процесів, у тому числі моделювання дифузії, 
імплантації, моделювання імплантації методом Монте-Карло, моделювання 
окислення, травлення, епітаксії та силіцидизації. Можливості тривимірного 
моделювання включають побудову тривимірної сітки, тривимірну імплантацію, 
дифузію, тривимірне окиснення та інтерфейси до редакторів тривимірної 
геометрії. Системи вбудованих параметрів цих програм відкалібровані фахівцями 
компаній на основі останніх експериментальних даних, що забезпечує високу 
передбачувальну силу результатів моделювання. 
До засобів створення структури приладів належать програми для 
редагування двох-і тривимірних приладових структур та емуляції тривимірних 
технологічних процесів (Sentaurus Structure Editor, Silvaco DevEdit), а також 
додатки для інтерполяції даних та генерації кінцево-елементної сітки. При цьому 
редагування приладових структур включає генерацію геометричної моделі, 
завдання профілів легування, виділення областей і визначення сітки і підсіток. 
Для моделювання приладів у системах TCAD компаній Silvaco та Synopsys 
використовуються програми 2D- та 3D-моделювання (Sentaurus Device, Silvaco 
Atlas та Victory Device Simulator), програмні модулі для вирішення систем 
диференціальних рівнянь, обчислювальні модулі для чисельного аналізу 
електромагнітних явищ, а також модулі проведення обчислень методом Монте 
Карло. При цьому крім моделювання ізольованих приладів системи TCAD, що 
розглядаються, дозволяють проводити моделювання приладів, включених в 
електричні ланцюги, використовувати при цьому набори компактних моделей 
типу Spice і проводити екстракцію параметрів таких моделей для подальшої 
імітації роботи приладів у симуляторах схемотехнічного моделювання. 
Таким чином, сучасні пакети програм приладно-технологічного 
моделювання надають весь інструментарій, необхідний для імітаційного 
моделювання технологічних процесів та вивчення електрофізичних характеристик 
приладів твердотільної електроніки. Основними напрямками подальшого 
розвитку цих пакетів є: 
• можливість побудови компактних моделей (на базі результатів 
моделювання та/або вимірювань конкретних приладів), що відображають 
залежність вихідних (електрофізичних) параметрів від розкиду вхідних 
(технологічних) параметрів для визначення меж значень технологічних 
параметрів, у яких забезпечуються необхідні характеристики приладів; 
• моделювання потужних кремнієвих та гетероприладів, включаючи 
прилади на основі матеріалів групи A3B5, SiC та GaN, фотодетектори, 
світловипромінюючі діоди, напівпровідникові лазери тощо; 
• двовимірне та тривимірне моделювання субмікронних приладів (VDSM – 
Very Deep Sub Micron), що включає моделювання процесів формування структури 
приладів, моделювання механічних напруг та фізичних явищ усередині таких 
структур та аналіз тривимірного розтікання носіїв заряду. 
Останній напрямок виявляється особливо важливим з точки зору 
становлення та розвитку наноелектроніки та призвело до появи спеціалізованих 
програмних пакетів, орієнтованих на моделювання нанорозмірних приладів та 
пристроїв: програмного комплексу Tsuprem-4 фірми Synopsys, програмних 
пакетів Next та NanoTCAD ViDES, а також пакети для моделювання 
електромеханічних систем IntelliSuite фірми IntelliSense Software. 
 
2.8 САПР для моделювання електромеханічних систем і складних 
взаємопов'язаних фізичних явищ 
 
Електромеханічні системи (MEMS – Micro Electro Mechanical Systems) 
поєднують у собі властивості електричних та механічних пристроїв, тому 
проблема імітаційного моделювання цих систем тісно пов'язана з більш 
загальною проблемою моделювання складних взаємопов'язаних фізичних явищ, 
що належать до різних розділів фізики. Крім вже згадуваних тут систем Simulink 
пакету MatLab і IntelliSuite фірми IntelliSense Software до популярних систем 
такого роду відносяться програмні продукти Ansys однойменної компанії Ansys 
та Comsol Multiphysics компанії Comsol. 
Обидві ці системи призначені для кінцево-елементного аналізу (FEM – 
Finite Element Method) у різних галузях фізики та інженерної справи, включаючи 
розгляд пов'язаних (мультифізичних) завдань. Серед дисциплін, до яких можуть 
належати ці завдання, знаходяться: механіка та міцність конструкцій, 
термодинаміка та теплоперенесення, інженерна хімія та хімічна кінетика, 
електроніка та електротехніка, геофізика, оптика, акустика, гідрогазодинаміка 
тощо. Для аналізу в рамках конкретної дисципліни Ansys та Comsol Multiphysics 
включають спеціалізовані модулі. При цьому між усіма модулями здійснюється 
ефективна взаємодія для розрахунку пов'язаних завдань, а Comsol Multiphysics 
має ще й унікальну здатність використовувати можливості MatLab. 
Для моделювання електромеханічних систем Ansys і Comsol Multiphysics 
призначені окремі модулі, які дозволяють проектувати: 
• різноманітні інерційні системи; 
• комбіновані та термоприводи (актуатори); 
• датчики тиску; 
• ВЧ-фільтри та резонатори; 
• лабораторії-на-чіпі;  
• струменеві технології та ін. 
 
3. ДОСЛІДЖЕННЯ ШИРОКОСМУГОВИХ АНТЕН 
«ХВИЛЬОВИЙ КАНАЛ» ДЛЯ FM-ДІАПАЗОНУ 
 
3.1 Чисельний розрахунок параметрів п’ятиелементної антени 
«хвильовий канал» для FM мовлення 
 
Розглянемо, як реалізувати широкосмугову антену «хвильовий канал» на 
прикладі прийому УКВ ЧМ мовлення стандарту CCIR. Діапазон 88 – 108 МГц, 
відносна смуга 20,5%.  
Графічна побудова п’ятиелементної антени «хвильовий канал» для УКХ 
ЧМ мовлення в програмі GAL-ANA наведена на рис.3.1 і 3.2 [9]. Антена 
складається з 7 дротів (рис.3.1,а), оскільки, як зазначено вище, подвійний 
рефлектор – це один елемент. Те саме стосується вібратора, який складається з 
двох трубок довжиною 1,59 і 1,31 см) – це один елемент. Таким чином кількість 
конструктивних елементів в антені – п'ять: подвійний рефлектор, складний 
вібратор і три директора. Вібратор, що пронумерований як 1, має симетричні 
плечі, та живиться посередині.   
Розглянемо антену, що працює на середній частоті 98 МГц зі смугою 20 
МГц, довжина хвилі при цьому дорівнює 3,059 м. Опір навантаження становить 
75 Ом. Проведемо розрахунок параметрів і характеристик обраної антени у 
вільному просторі, для чого використаємо движок NEC-2. 
На рис.3.3,а наведена діаграма направленості антени (рис.3.2), яка 
розраховується для випадку вільного простору. Спроектована антена має 
виражений напрямок випромінювання. Для візуалізації повної картиеи 
випромінення антени наведено тривимірну діаграму направленості антени на 
рис.3.3,б.  
Підсилення такої антени Ga  складає 8,31 dBi, а її КСХ дорівнює 1,26 при 
підключенні 75-омного фідера, що вказує на гарне узгодження. Максимальне 
випромінення антени спостерігається в напрямку осі Ох. Для можливості 
порівнювати діаграми направленостей різних антен між собою розглядається 
вільний простір. 
    
а)      б) 
Рисунок 3.1 – Опис дротів (а) і джерел живлення (б) 
для п’ятиелементної антени «хвильовий канал» 
 
Рисунок 3.2 – Загальний вид п’ятиелементної антени «хвильовий канал»,  
побудованої в середовищі GAL-ANA 
В меню програми GAL-ANA задаємо опцію реальної землі і вказуємо 
висоту підвісу антени – 6 м, що складає близько двох довжин хвилі. Тиснемо 
кнопку «Setup», для встановлення параметрів підстилаючої поверхні і залишаємо 
стандартні: діелектрична проникність землі  =13, а її питома провідність  = 5  
мСм/м (рис.3.4). 
На рис.3.5 представленні результати моделювання антени для випадку, коли 
враховується вплив землі, а висота підйому антени становить 6 м.  
Зенітна діаграма направленості (проекція хОz) має флюктуючу залежність. 
Це обумовлено тим, що хвиля, яка відбивається від землі, має інший фазовий 
зсув, який пропорційний пройденому шляху. Тому для певних кутів парциальні 
хвилі можуть бути синфазними і відповідно приводять до збільшення амплітуди, 
а для решти кутів ці хвилі будуть в протифазі і їх амплітуди віднімаються, що 
приводить до глибоких провалів в формі зенітної діаграми направленості. З 
врахуванням впливу землі підсилення такої антени Ga  становить 13,99 dBi, що на 
5,68 dBi відрізняється від результатів для вільного простору (максимальне 
теоретичне збільшення становить 6 dBi). Значення інших параметрів антени 
майже не зазнали змін, що вказує на відсутність впливу на них висоти підйому 
антени над повнрхнею. КСХ антени майже не змінився і становить 1,25, що і 
зрозуміло, оскільки вхідний опір антени майже не мінявся. Кут максимального 
випромінювання антени змістився з 0о до 7о, порівняно з випадком вільного 
простору. 
З врахуванням впливу земної поверхні тривимірна ДН антени має вигляд, 
наведений на рис.3.5,б і не схожа на ДН для випадку вільного простору, яка 
наведена на рис.3.3,б. В ній наявні додаткові пелюстки, кількість яких залежить 
від висоти підвісу і збільшуватиметься з ростом висоти підвісу антени. 
Для поліпшення широкосмуговості в цій антені використано наступні 
рішення:  
• рефлектор із двох, рознесених по висоті трубок;  
• складний вібратор з двох трубок (паразитний вібратор 1,31 м в 5 см від 
основного).  
 
а) 
 
б) 
Рисунок 3.3 – Діаграма направленості п’ятиелементної  
антени «хвильовий канал» у вільному просторі 
 
 
Рисунок 3.4 – Введення параметрів підстилаючої поверхні 
 
а) 
 
б) 
Рисунок 3.5 – Діаграма направленості п’ятиелементної  
антени «хвильовий канал» при висоті підвісу над землею 6 м 
Антена рис.3.2 виконана з відносно тонких алюмінієвих трубок діаметром 8 
мм Незважаючи на це відносна смуга цієї антени по КСХ75<2 становить 29%, що 
близько до верхньої межі для даного типу. А в смузі 88 – 108 МГц її КСХ75 не 
перевищує 1,3. 
Вивчимо на прикладі антени рис.3.2 вплив рішень, описаних в підрозділі 
3.1. Якщо ми замінимо складний рефлектор на один резонансний, довжиною 1,68 
м (рис.3.6) [9], то на узгодження і смугу по КСВ75 це майже не вплине. Але зате 
F/B в ділянці 88 – 100 МГц знизиться до 11 ... 12 дБ. Це зрозуміло: не може одна 
трубка забезпечити гарне відбиття в настільки широкій смузі частот.  
 
Рисунок 3.6 – Загальний вид п’ятиелементної антени «хвильовий канал» з 
одиночним резонансним рефлектором, побудованої в середовищі GAL-ANA 
 
Порівнюючи результати моделювання (рис.3.3 і 3.7) п’ятиелементної 
антени «хвильовий канал» зі складним (рис.3.2) і одиночним резонансним 
рефлектором (рис.3.6), можна зробити висновок, що параметри антени майже не 
зазнали змін. У випадку одиночного рефлектора дещо упало підсилення на 0,42 
дБі, а вхідний опір майже не змінився, отже залишилося гарне узгодження з 
фідером. 
 
а) 
 
б) 
Рисунок 3.7 – Діаграма направленості п’ятиелементної антени 
«хвильовий канал» з резонансним рефлектором у вільному просторі 
 
Врахуємо вплив земної поверхні, але змінимо висоту підвісу антени, 
порівняно з випадком рис.3.5. 
 
а) 
 
б) 
Рисунок 3.8 – Діаграма направленості п’ятиелементної антени 
«хвильовий канал» з резонансним рефлектором при висоті підвісу над землею 3 м 
Якщо ми замінимо простий вібратор з наближеним до нього першим 
директором на один петльовий (рис.3.9) [9], то на ДН (Ga і F/B у заданій смузі 
частот) це майже не вплине (рис.3.10). Підсилення антени рис.3.9 складає 8,2 
дБі.А ось вхідний опір зросте до 300 Ом (під ШПТДЛ 4:1), а смуга з КСХ < 2 
звужується до 20% (КСХ300 досягає 2 на 88 і 108 МГц). Все ж петльовий диполь 
не настільки хороший по смузі, як широкосмугове узгодження з S-подібною 
характеристикою JX(f).  
 
Рисунок 3.9 – Загальний вид п’ятиелементної антени «хвильовий канал» з 
петльовим вібратором, побудованої в середовищі GAL-ANA 
 
Якщо ж в антені рис.3.2 замінити простий на петльовий вібратор, але при 
цьому залишити близькорозташованим перший директор (рис.3.11) [9], 
забезпечується розширення смуги частот, то на ДН це майже не вплине (3.12). І на 
смугу частот з КСХ теж. Тільки опір Ra зросте ще більше – до 352 Ом.  
 
 
а) 
 
б) 
Рисунок 3.10 – Діаграма направленості п’ятиелементної антени 
«хвильовий канал» з петльовим вібратором у вільному просторі 
 
Рисунок 3.11 – Загальний вид п’ятиелементної антени «хвильовий канал» з 
петльовим вібратором і близько розташованим директором  
 
Порівняння результатів моделювання різних конструкцій антен «хвильовий 
канал», шо наведені на рис.3.2, 3.6, 3.9 і 3.11 демонструють однаковий характер 
направлених властивостей антен, які описуються діаграмами направленості 
(рис.3.3, 3.7, 3.10 і 3.12). Значення підсилення антени (на рівні 8 дБі) і КСХ в усіх 
конструкціях антен майже однакові. Помітних змін зазнає опір антени, який 
збільшується від 75 до 350 Ом, при корегуванні конструкції антени. 
 
 
а) 
 
Рисунок 3.12 – Діаграма направленості п’ятиелементної антени «хвильовий 
канал» з петльовим вібратором і близько розташованим директором у вільному 
просторі 
 
3.2 Дослідження спрощеної (трьохелементної) антени «хвильовий 
канал» для прийому сигналів FM-радіостанцій 
 
Розглянемо трьохелементну антену «хвильовий канал» на УКХ ЧМ з 
розмірами, наведеними на рис.3.13. Зовнішній вигляд антени, представленій на 
рис.3.14 [9], близький до антени рис.3.2, але без двох дальніх директорів. Проте, 
на дивлячись на зовнішню схожість антен, однаковий частотний діапазон, їх 
геометричні розміри суттєво відрізняються.  
    
а)     б) 
Рисунок 3.13 – Закладки для опису дротів (а) і  живлення (б) 
для трьохелементної антени «хвильовий канал» 
 
На відміну від більшості інших широкосмугових (аперіодичних, з товстими 
елементами і т.п.) всі антени «хвильовий канал» дуже критичні до точності 
виготовлення. Вона повинна бути не гірше + 0,5% для вібраторів, і + 1% для 
відстаней між ними. Для порівняння: для аперіодичних і «товстих» антен можна 
спокійно помилятися з розмірами на одиниці, і навіть на десяток відсотків [8].  
Як згадувалося вище, широкосмугові «хвильовий канал» є електричним 
аналогом LC-фільтра з дуже широкою смугою, побудованого на високодобротних 
контурах. Вимоги по точності до їх елементам + 0,5% не здивують. Навіть при 
невеликих промашках в номіналах елементів на АЧХ такого фільтра вилазять 
помітні горбики і западини в смузі. Аналогічно, у широкосмугової антени 
«хвильовий канал» при помилках в розмірах швидко зростає нерівномірність КСХ 
в смузі частот.  
 
Рисунок 3.14 – Загальний вид трьохелементної антени «хвильовий канал»  
 
Антени ж з низькою реактивністю (аперіодичні, «товсті») мають 
електричним аналогом фільтр на LC-контури з дуже низькою добротністю (тобто 
малою реактивністю і великими активними втратами). Такий фільтр (на відміну, 
від конструкції на високодобротних контурах) слабо реагує на незначні зміни 
номіналів елементів.  
На рис.3.15 представленні результати моделювання трьохелементної антени 
«хвильовий канал» для вільного простору. У смузі частот 88 – 108 МГц її 
КСХ75<1,6, підсилення Ga на середній частоті становить 7,18 dBi, вхідний 
імпеданс антени має невелику реактивну складову, а дійсна частина становить 106 
Ом. Діаграма направленості трьохелементної антени рис.3.14 має вигляд схожий 
на ДН п’ятиелементних антен.  
 
а) 
 
б) 
Рисунок 3.15 – Діаграма направленості трьохелементної  
антени «хвильовий канал» у вільному просторі 
3.3 Дослідження параметрів і направлених властивостей ускладненої 
(семиелементної) антени «хвильовий канал» для УКХ ЧМ мовлення 
 
Семиелементна антена на УКХ ЧМ діапазон наведена на рис.3.16 [9]. Вона 
нагадує антену рис.3.2 з двома додатковими директорами і більш складним 
рефлектором не з двох, а з трьох трубок.  
Від 88 до 108 МГц КСХ75 не перевищує 1,6. Сім елементів дали велике 
підсилення, що становить 10,36 dBi (рис.3.17). Платою за такі високі 
характеристики є велика довжина траверси, яка досягає 4,5 м.  
 
Рисунок 3.16 – Загальний вид семиелементної антени «хвильовий канал»  
 
Із-за великого підсилення і високого відношення F/B ця антена є однією з 
кращих для загоризонтного прийому всієї смуги УКХ-FM радіомовлення 
стандарту CCIR, особливо в умовах потужних перешкод від місцевих передавачів 
[8]. 
 
 
а) 
 
б) 
Рисунок 3.17 – Діаграма направленості семиелементної  
антени «хвильовий канал» для вільного простору 
 
Результати моделювання антени, коли враховується вплив землі, на висоті 
підвісу 2 м (або 0,65 ) представленні на рис.3.18.  
На зенітній діаграмі направленості присутні інтерференційні мінімуми і 
максимуми. Підсилення такої антени Ga  збільшується до 14,36 dBi, це рівно на 4 
dBi перевищує цей показник для вільного простору. Вхідний імпеданс антени і її 
КСХ майже не змінилися. Кут елевації становить 19о.  
Загальний вигляд просторової ДН антени, для випадку врахування впливу 
підстилаючої поверхні, зображено на рис.3.18,б, з якого видно, що випромінення 
антени відбувається під малими кутами до горизонту, але частина енергії 
нераціонально випромінюється майже вгору. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
а) 
 
б) 
Рисунок 3.18 – Діаграма направленості семиелементної  
антени «хвильовий канал» при висоті підвісу над землею 2 м (0,65 ) 
ВИСНОВКИ 
 
Антени типу «хвильовий канал» набули широкого поширення в різних 
професійних пристроях радіозв'язку та радіолокації. Більшість телевізійних 
колективних та індивідуальних антен промислового виготовлення також є 
антенами типу «хвильовий канал». Це пов'язано з тим, що такі антени є досить 
компактними і забезпечують отримання великого коефіцієнта підсилення при 
порівняно невеликих габаритах. Близько розташовані вібратори наводять один на 
одного ЕРС, як це має місце у випадку пов'язаних контурів. Це призводить до 
зміни електричних характеристик кожного з вібраторів.  
Спрямовані властивості систем вібраторів визначаються амплітудними та 
фазовими співвідношеннями струмів у вібраторах і відстанями між ними. 
Рефлектор чи директор не обов'язково підключати до генератора. Струми в них 
можуть наводитися лише за рахунок просторової зв'язку під впливом 
електричного поля вібратора, підключеного до генератора. В останньому випадку 
рефлектор або директор називається пасивним вібратором. 
Антена «хвильовий канал» володіє рядом переваг перед іншими антенами. 
Дана конструкція проста у виготовленні, надійна. Конкретні довжини вібраторів і 
відстані між ними визначаються в залежності від їх числа і їх діаметра. Живиться 
антена з допомогою двопровідної лінії, або коаксіального кабелю. В останньому 
випадку необхідно використовувати симетрувальні пристрою.  
Повний набір випромінювання антени формують: спрямоване підсилення, 
відношення підсилення у напрямку прийому до підсилення у протилежному 
напрямку, ширина променю та небажаний рівень бічних пелюсток. Використання 
комп'ютеризованого підходу до розрахунку та аналізу директорних антен дає 
кілька значних переваг перед експериментальним підходом. Серед таких переваг є 
очевидна економія часу та коштів, а також можливість отримання конструкцій 
антен оптимізованих щодо одного або навіть кількох бажаних параметрів, таких 
як спрямованість, рівень бічних пелюсток, ширина смуги пропускання та інших. 
Для аналізу і синтезу антен «хвильовий канал» розроблені спеціальні програми. 
Найбільш потужною і доступною з них є некомерційна програма MMANA, 
остання версія якої має назву GAL-ANA.  
В даній випускній магістерській роботі досліджувалися антени «хвильовий 
канал»  з числом елементів 3, 5 і 7, що працюють в діапазоні частот 88-108 МГц. 
Основна увага зконцентрована на дослідженні різних варіантів конструкції 
п’ятиелементної антени. Широка смуга частот накладає відбиток на конструкцію 
вібратора і директора. Рефлектор складається із двох, рознесених по висоті 
трубок, а складний вібратор з двох трубок (паразитний вібратор розташовується 
на відстані 5 см від основного). Підсилення антени Ga  становить 8,31 dBi, а 
діаграма направленості антени, розрахована для вільного простору, має 
приорітетний напрямок випромінювання. Підсилення досліджуваної антени Ga  
при врахуванні впливу підстилаючої поверхні дорівнює 13,99 dBi, що на 5,68 dBi 
більше чим підсилення у вільному просторі. У випадку використання одиночного 
рефлектора дещо падає підсилення, а вхідний опір майже не змінюється. 
Якщо ж в антені замінити простий вібратор на петльовий, але при цьому 
залишити близько розташованим перший директор, забезпечується розширення 
смуги частот, а на форму діаграми направленості це майже не впливає. Опір 
антени при цьому зростає. 
 
Список використаної літератури 
 
1. Антени та пристрої надвисоких частот: підручник. для вузів. /Л.Я. 
Ільницький, О.Я. Савченко, Л.В. Сібрук. – Київ, 2003. – 495 с. 
2. Прудиус І.Н. Основи антенної техніки: посібник / І.Н. Прудиус. – Львів, 
2000. – 220 с. 
3. Антенні пристрої засобів зв’язку: навч. посібник / А.П. Заїкін, О.О. 
Зеленський, О.В. Троцький та ін. –Харків, 2003. – 523 с. 
4. Igor Gontcharenko. All materials. Site online since 2001. – Режим доступу: 
http://dl2kq.de/ 
5. ANSYS Products: HFSS. — Режим доступу: http://www.ansys.com/Products / 
6. Computer Simulation Technology. — Режим доступу: http://www.cst.de/  
7. Overview of FEKO. — Режим доступу: http://www.feko.info/product-
detail/overview-of-feko  
8. Широкосмугові Уда-Ягі. – Режим доступу: http://dl2kq.de/ant/kniga/1322.htm  
9. Моделі антен – Режим доступу: http://dl2kq.de/mmana/4-3.htm  
10. Радіомовні діапазони. – Режим доступу:  http://www.radiostation.ru/know/ 
range.html  
11. УКВ CCIR h– Режим доступу:  ttps://ru.wikipedia.org/wiki/УКВ_CCIR   
12. Навчально-методичні матеріали до вивчення дисципліни "Проектування 
антенно-фідерних пристроїв" для студентів спеціальності 6.050901 
"Радіотехніка"/Укл. В.О.Даник. – Черкаси: ЧДТУ, 2006. – 43с. 
13. Опис програми GAL-ANA. http://gal-ana.de/Helpr/
ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
