Моделювання та чисельний розрахунок параметрів антенних решіток з послідовною схемою живлення

Шпак, Максим Костянтинович
Будь ласка, використовуйте цей ідентифікатор, щоб цитувати або посилатися на цей матеріал: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8265
Назва:	Моделювання та чисельний розрахунок параметрів антенних решіток з послідовною схемою живлення
Автори:	Гончаров, Артем Володимирович Шпак, Максим Костянтинович
Ключові слова:	антенні решітки з послідовним живленням елементів;програма gal-ana;смуга частот;діаграма направленості;коефіцієнт підсилення;ксх
Дата публікації:	2021
Короткий огляд (реферат):	В даній роботі розглядаються різні конструкції антенних решіток. В роботі розглянуто два варіанти розміщення 7 горизонтальних напівхвильових диполів, які живляться через вертикально розташовані елементи антени. Діаграми спрямованості таких антен подібні одна до одної і підсилення антен також майже однакове і дорівнює близько 10 dBi.
URI (Уніфікований ідентифікатор ресурсу):	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8265
Розташовується у зібраннях:	172 Електронні комунікації та радіотехніка (Телекомунікації)
Файли цього матеріалу:
Файл	Опис	Розмір	Формат
Б_172_ТК_Шпак_Гончаров_2021.pdf Restricted Access		1.89 MB	Adobe PDF	Переглянути/Відкрити Запит копії
Показати повний опис матеріалу Перегляд статистики
Усі матеріали в архіві електронних ресурсів захищено авторським правом, усі права збережено.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ І РОБОТОТЕХНІКИ 
КАФЕДРА РАДІОТЕХНІКИ, ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ І 
РОБОТОТЕХНІЧНИХ СИСТЕМ 
 
До захисту допущено  
завідувач кафедри РТРС 
д.т.н., професор __________ В.В. Палагін  
"_____" червня 2021 року 
 
 
Пояснювальна записка 
до випускної роботи 
освітнього ступеня «бакалавр» 
на тему: «Моделювання та чисельний розрахунок параметрів антенних решіток з 
послідовною схемою живлення» 
 
 Виконав студент 5 курсу, групи ЗТК-62 
Спеціальність – 172 «Телекомунікації та 
 
радіотехніка» 
 Освітня програма – «Телекомунікації» 
 Шпак Максим Костянтинович 
 Керівник роботи Гончаров А.В. 
 Рецензент Чепинога В.В. 
 
 
 
 
 
Черкаси 2021 
Форма № Н-9.01 
Черкаський державний технологічний університет 
(назва вузу) 
Факультет електронних технологій і робототехніки 
Кафедра Радіотехніки, телекомунікаційних і робототехнічних систем 
Освітній ступінь бакалавр 
Спеціальність 172 -  Телекомунікації та радіотехніка 
Освітня програма Телекомунікації 
 ЗАТВЕРДЖУЮ 
 Завідувач кафедри РТРС 
 д.т.н., професор Палагін В.В. 
   
 « 08 » лютого  2021 р. 
 
ЗАВДАННЯ 
на дипломний проект (роботу) студенту 
Шпаку Максиму Костянтиновичу 
(прізвище, ім'я, по батькові) 
1. Тема проекту (роботи) Моделювання та чисельний розрахунок параметрів антенних  
решіток з послідовною схемою живлення 
керівник проекту (роботи) Гончаров Артем Володимирович, к.т.н., доцент 
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання) 
затверджена наказом по університету від «  »    лютого    2021 р.  №  
2. Строк подання студентом проекту (роботи) 25 травня 2021 р. 
3. Вихідні дані до проекту (роботи) робоча частота 145 МГц, 1,296 ГГц, 2,45 ГГц;  
підсилення Ga>10 дБі; КСХ<2; вхідний опір антени 50 і 300 Ом 
4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, які потрібно розробити)______ 
Вступ. 1. Загальні відомості про антені решітки. 2. Програмні засоби моделювання та  
аналізу параметрів антен. 3. Моделювання решіток з послідовним живленням елементів. 
4. Охорона праці. Висновки. Список використаної літератури 
5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень)  
1. Мета і задачі роботи. 2. Дослідження різних конструкцій антенних решіток з семи  
синфазних диполів. 3. Використання двох антен з семи синфазних диполів як плечі диполя. 
4. Моделювання антенних решіток для роутера. 5. Плакат з охорони праці 
 
6. Консультанти з проекту (роботи) із зазначенням розділів проекту, що їх стосуються 
  Підпис, дата 
Розділ Прізвище, ініціали та посада  завдання         завдання 
консультанта видав прийняв 
Охорона праці Кожем’якін О.С., ст. викладач   
 кафедри безпеки життєдіяльності   
    
    
    
    
    
 
7. Дата видачі завдання 08 лютого 2021 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 08.02.2021  
2. Ознайомлення з конструкцією, принципом дії та    
 основними параметрами синфазних колінеарних    
 антен 22.02.2021  
3. Огляд програми моделювання і розрахунку    
 параметрів антен GAL-ANA 09.03.2021  
4. Моделювання синфазних колінеарних антен, що    
 живляться в максимумі струму 22.03.2021  
5. Дослідження синфазних колінеарних антен, що    
 живляться в максимумі напруги 12.04.2021  
6. Розробка розділу з охорони праці 25.04.2021  
7. Оформлення пояснювальної записки та плакатів 11.05.2021  
    
   
 
 Студент   Шпак М.К. 
  (підпис) (прізвище та ініціали) 
Керівник проекту (роботи)   Гончаров А.В. 
  (підпис) (прізвище та ініціали) 
 
ЗМІСТ 
Вступ 4 
1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО АНТЕНІ РЕШІТКИ  6 
1.1 Випромінення лінійної антенної решітки 6 
1.2 Лінійні антенні решітки з рівноамплітудним збудженням і лінійною  
зміною фази 8 
1.3 Скануючі антенні решітки і решітки з обробкою сигналів 12 
1.4 Фазовані антенні решітки 14 
1.5 Активні фазові антенні решітки (АФАР) 16 
1.6 Антенні решітки з обробкою сигналу. Самофазуючі антени 18 
2. ПРОГРАМНІ ЗАСОБИ МОДЕЛЮВАННЯ ТА АНАЛІЗУ ПАРАМЕТРІВ  
АНТЕН 20 
2.1 Програма MMANA 20 
2.2 Програма Microwave Studio 23 
2.3 Програма HFSS 26 
2.4 Програма Microwave Office 29 
3 МОДЕЛЮВАННЯ РЕШІТОК З ПОСЛІДОВНИМ ЖИВЛЕННЯМ  
ЕЛЕМЕНТІВ 33 
3.1 Постановка задачі 33 
3.2 Антена, еквівалентна до решітки з семи синфазних диполів 35 
3.3 Петльова конструкція антеної решітки з семи синфазних диполів 40 
3.4 Ground Plane антена для роутера 44 
3.5 Використання двох антен з семи синфазних диполів як плечі диполя 47 
3.6 Дослідження модифікованої антени Ross Anderson 51 
3.7 Аналіз модифікованої антени Ross Anderson з рефлектором 54 
4. ОХОРОНА ПРАЦІ  58 
4.1 Аналіз умов праці, шкідливих та небезпечних факторів, які        діють на  
дослідника, який працює в лабораторії 58 
4.2 Розрахунок системи захисного заземлення обладнання лабораторії 61 
Висновки 69 
Список використаної літератури 71 
 
 
Вступ 
 
Решітки з послідовним живленням елементів ще називають антенами біжної 
хвилі (leaky-wave antenna). Характерною їх ознакою є те, що її випромінюючі 
елементи ввімкнені в загальну лінію передачі, хвиля якої послідовно збуджує їх в 
процесі поширення. Головною перевагою таких антен є простота їх конструкції, 
оскільки в ній повністю або частково відсутня складна схема живлення – джерело 
суттєвих втрат в НВЧ-діапазоні. Платнею за таку простоту служить відносно 
вузька смуга робочих частот. 
В останні два десятиріччя інтерес до таких антен значно виріс, що пов’язано 
з появою нових прикладних задач, я яких достоїнства решіток з послідовним 
живленням виявилися найбільш затребуваними. До таких задач відносять 
розробку антен для прийому супутникового телебачення, систем персонального 
зв’язку, антен для мікрохвильових датчиків параметрів технологічних процесів і 
т.д. Завдяки простій системі збудження решітки з послідовним живленням мають 
суттєво більш низьку вартість порівняно з антенами інших типів. 
Для дослідження різних класичних конструкцій решіток з послідовним 
живленням і чисельного розрахунку їх параметрів і характеристик доцільно 
скористатися комп’ютерним моделюванням, наприклад в середовищі GAL-ANA.  
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами темами.  
Випускна робота виконана в рамках наукових досліджень по імітаційному 
моделюванню антен та пристроїв мікрохвильового та оптичного діапазону, що 
проводяться студентами та співробітниками кафедри РТРС Черкаського 
державного технологічного університету.  
Метою роботи є моделювання антенних решіток з послідовним живленням 
елементів та чисельний розрахунок їх параметрів і характеристик засобами 
програми GAL-ANA. 
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання: 
 провести огляд конструкцій антенних решіток та розглянути основні їх 
параметри; 
 здійснити огляд сучасних програм моделювання антен, розглянути 
особливості роботи та функціональні можливості програми GAL-ANA; 
 провести моделювання наявних віртуальних моделей антенних решіток з 
різною кількістю елементів для вільного простору, отримати їх 
характеристики та основні параметри і порівняти між собою; 
 провести моделювання різних конструкцій антенних решіток з врахуванням 
земної поверхні, отримати їх діаграми направленості та основні параметри і 
порівняти між собою. 
Практичне значення одержаних результатів чисельного розрахунку 
параметрів антенних решіток з послідовним живленням елементів полягає в тому, 
що визначено як ускладнення конструкції антен впливає на їх параметри. 
 
 
1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО АНТЕНІ РЕШІТКИ  
 
1.1 Випромінення лінійної антенної решітки 
 
Одним із способів отримання високої направленості випромінювання є 
використання системи слабонаправлених антен (наприклад, вібраторів), певним 
чином розташованих у просторі і збуджених струмами з необхідним 
співвідношенням амплітуд і фаз [1]. При великому числі випромінювачів загальна 
направленість визначається в основному габаритними розмірами всієї системи. До 
таких систем відносять антенні решітки (АР).  
Антенна решітка - система ідентичних випромінювачів, однаково 
орієнтованих в просторі і розташованих за певним законом. Залежно від 
розташування елементів розрізняють лінійні, поверхневі та об'ємні решітки, серед 
яких найбільш поширені прямолінійні і плоскі АР. Іноді випромінюючі елементи 
розташовуються по дузі окружності або на криволінійних поверхнях, які 
збігаються з формою об'єкта, на якому розташована антенна решітка (конформна 
АР).  
Найпростішою є лінійна антенна решітка, в якій випромінюючі елементи 
розташовуються уздовж прямої (осі решітки) на рівних відстанях один від одного. 
Відстань d між фазовими центрами випромінювачів називається кроком решітки.  
Розглянемо лінійну АР (рис. 1.1), що складається з N елементів, які 
розташовані вздовж осі z з кроком d; центральний елемент розташований на 
початку координат, розташування n-го елемента характеризується координатою 
zn=nd. Комплексна амплітуда струму в n-м випромінювачі дорівнює Inexp(iψn), де 
ψn - фаза струму.  
Будемо вважати, що точка спостереження P розташована в дальній зоні, тоді 
всі напрямки на неї від випромінювачів АР паралельні і різниця ходу від будь-
яких двох сусідніх елементів до точки спостереження Δr=dcosϑ.  
У загальному випадку випромінюючі елементи створюють в точці 
спостереження поле, що характеризується компонентами Eϑ і Eφ. Теорія показує, 
що діаграма направленості решітки f(ϑ, φ) представляє собою добуток функції 
направленості f0(ϑ, φ) одного елемента даної системи на множник системи fс, 
тобто 
 
(1.1) 
 
 
тут n - номер елемента системи. 
 
Рисунок 1.1 – Лінійна антена решітка 
 
1.2 Лінійні антенні решітки з равноамплітудним збудженням і лінійною 
зміною фази  
 
Нехай струми у всіх елементах однакові по амплітуді та дорівнюють I, а 
фаза струму в кожному з елементів відстає від фази в попередньому на величину 
ψ, так що комплексна амплітуда струму в n-м випромінювачі 
 
(1.2) 
 
 
В цьому випадку множник системи має вигляд 
 
(1.3) 
 
 
отже, нормований амплітудний множник системи 
 
(1.4) 
 
 
1.2.1 Режим нормального випромінювання (ψ = 0)  
При цьому всі елементи решітки збуджуються синфазно. Головний 
максимум випромінювання орієнтований по нормалі (ϑгол=900) до осі решітки, так 
як в цьому напрямку різниця ходу дорівнює 0 і поля складаються синфазно. 
Підставами в (1.3) значення ψ=0: 
 
(1.5) 
 
 
Тоді нормований множник системи 
(1.6) 
 
 
Діаграма направленості лінійної синфазної АР в площині, що проходить 
через вісь решітки, наведена на рис.1.2. Для виключення додаткових головних 
максимумів в ДН синфазної решітки з ізотропних елементів необхідно вибирати 
d<λ, а для виключення зростання рівня бічних пелюсток необхідно виконання 
умови d<λ/2. 
 
 
 
Рисунок 1.2 – Діаграма направленості випромінення лінійної антенної решітки 
 
1.2.2 Режим похилого випромінювання (0 < ψ <kd) 
Для відхилення напрямку максимуму випромінювання на кут ϑгол від 
нормалі до осі решітки необхідно, щоб різниця фаз внаслідок різниці ходу для 
окремих елементів була скомпенсована зсувом фаз із-за несинфазності збудження. 
З геометрії рис. 1.1 випливає, що така компенсація настає при виконанні умови 
kdcosϑ - ψ= 0, звідки 
 
 (1.7) 
 
З цієї формули випливає, що при зростанні ψ напрямок максимуму 
випромінювання повертається до осі решітки в ту сторону, в яку відбувається 
відставання фази збудження елементів решітки (рис.1.3,а). Ефект переміщення 
напрямку максимального випромінювання за допомогою фазового зсуву широко 
застосовується в скануючих АР.  
 
Рисунок 1.3 – Зміна направленості випромінювання лінійної АР  
залежного від фазового зсуву ψ 
 
1.2.3 Режим осьового випромінювання (ψ>kd)  
При ψ=kd синфазне складання полів окремих елементів здійснюється в 
напрямку осі решітки, тобто має місце режим осьового випромінювання 
(рис.8.3,б). При подальшому зростанні ψ кут kd-ψ між векторами на фазовій 
площині наближається до -2π/N, при якому випромінювання уздовж осі зникає. 
Це відбувається при ψ= ψкр. Зростання ψ в інтервалі kd < ψ< ψ кр супроводжується 
звуженням основної пелюстки ДН і зростанням рівня бічних пелюсток. Ці 
фактори по-різному впливають на КНД. Спочатку в міру зростання ψ переважає 
фактор звуження головної пелюстки, внаслідок чого КНД зростає, досягаючи 
максимуму в оптимальному режимі (ψ= ψопт). Потім КНД падає через зростання 
бічних пелюсток.  
1.2.4 Плоскі антенні решітки  
Розглянуті вище лінійні АР дозволяють формувати направлене 
випромінювання тільки в площині, що проходить через вісь решітки. 
Плоскі антенні решітки дозволяють сконцентрувати випромінювання в 
вузький пучок в двох площинах. Форма плоскою АР може бути прямокутною, 
багатокутною, круглою і визначається як вимогами, що пред'являються до форми 
діаграми направленості, так і конструктивними особливостями системи. 
Випромінювачі розташовуються у вузлах прямокутних або трикутних комірок. 
ДН плоскої антеної решітки представлена на рис. 1.4.  
 
Рисунок 1.4 – Діаграма направленості прямокутної антенної решітки 
 
У головних площинах xOz (φ=0) і yOz (φ=π/2) перетин просторової діаграми 
направленості збігається з формою діаграми направленості лінійних АР. 
Випромінювання в нижній напівпростір усувається зазвичай або вибором 
однонаправлених випромінюючих елементів, або за допомогою екранів. 
1.3 Скануючі антенні решітки і решітки з обробкою сигналів  
 
Під скануванням тут розуміється процес переміщення головної пелюстки 
діаграми направленості в просторі. Таке сканування може здійснюватися 
механічним, електромеханічним і електричним способами. Перший спосіб 
реалізується поворотом всієї антени. При другому здійснюється механічне 
переміщення окремого елемента антени (наприклад, зміщення опромінювача 
щодо фокуса), в результаті чого змінюється положення ДН всій антени. 
Найбільшою швидкодією відрізняється третій спосіб, при якому діаграма 
направленості переміщається за рахунок зміни амплітудно-фазового розподілу в 
розкриві антени електричним шляхом.  
Електричне сканування здійснюється зазвичай на основі використання 
багатоелементних антенних решіток. У найпростішому випадку для лінійних АР з 
розподілом струму за законом Inexp(-inψ), положення максимуму основної 
пелюстки ДН щодо нормалі до осі решітки визначається співвідношенням 
 
(1.8) 
 
 
З формули (1.8) випливає, що управляти положенням максимуму ДН 
можна, змінюючи або зсув фаз ψ між струмами сусідніх випромінювачів (фазовий 
спосіб), або довжину хвилі (частотний спосіб). Використовується і амплітудний 
спосіб електричного сканування, що реалізується зміною амплітуд на входах 
багатопроменевої антеної системи.  
Сучасні антени з електричним скануванням, керовані ЕОМ, дозволяють 
реалізувати цілий ряд переваг в порівнянні зі звичайними типами антен. Стосовно 
до РЛС ці переваги полягають в можливості безперервної багатофункціональної 
роботи – пошуку, захоплення і супроводу багатьох цілей при одночасному огляді 
простору в широкому секторі кутів. В радіозв'язку електричне сканування 
застосовується, наприклад, в супутникових системах зв'язку і дозволяє здійснити 
багатостанційний доступ до ШСЗ, тобто використовувати один бортовий 
ретранслятор для декількох наземних станцій, що досягається майже миттєвим 
перемиканням максимуму ДН бортової антени з одного напрямку на інший. 
Жорстка конструкція антен з електричним скануванням дозволяє отримати 
великі граничні значення КНД в порівнянні зі звичайними антенами в силу 
меншої схильності до деформацій, що виникають в процесі експлуатації. 
Перевагою антен з електричним скануванням є також електрична стабілізація при 
роботі з рухомих носіїв. Багатоелементна основа подібних антен дозволяє 
вирішити такі важливі завдання, як додавання в одному промені потужностей 
багатьох передавачів; більш повне вилучення інформації з сигналів, прийнятих 
окремими елементами; підвищення надійності роботи антен і т.д. До недоліків 
антен з електричним скануванням можна віднести складність, високу вартість і 
великі витрати на експлуатацію.  
 
1.4 Фазовані антенні решітки  
 
Фазовий спосіб електричного сканування реалізується в антенах, які 
отримали назву фазовані антенні решітки (ФАР). Найбільш поширені ФАР на 
основі лінійних і плоских решіток. Плоскі ФАР, зокрема, дозволяють реально 
сканувати в просторовому секторі кутів 600 щодо нормалі до площини решітки. 
Однонаправленість випромінювання досягається застосуванням екранів або 
однонаправлених випромінюючих елементів. Використання циліндричних, 
конічних, сферичних та інших типів опуклих ФАР дозволяє здійснювати 
сканування в ширшому секторі кутів і отримати ряд додаткових переваг.  
Принцип роботи ФАР пов'язаний зі зміною фази коливань, що підводяться 
до окремих випромінюючих елементів за допомогою фазообертача таким чином, 
щоб забезпечити синфазне складання полів окремих випромінювачів в 
потрібному напрямку максимального випромінювання. Для нормального 
функціонування ФАР необхідно усунути можливість появи вторинних головних 
максимумів. Наприклад, при використанні лінійної решітки з ненаправлених 
елементів вторинні головні максимуми будуть відсутні, якщо крок решітки 
 
 
 
тут ϑmax - максимальний кут відхилення променя щодо перпендикуляра до осі 
решітки. Ця ж формула справедлива і для плоскої решітки, де під ϑmax слід 
розуміти максимальний кут відхилення променя у відповідній площині. 
Застосування ненаправлених елементів має сенс при скануванні в широкому 
спектрі кутів. При обмеженому секторі сканування використання направлених 
випромінювачів дозволяє збільшити допустиму відстань між елементами.  
Як випромінюючі елементи ФАР застосовують вібратори, випромінювачі у 
вигляді відкритих кінців хвилеводів, рупори, спіральні і діелектричні антени. 
Вибір конкретного типу випромінювача визначається цілою низкою вимог, 
основними з яких є: заданий частотний діапазон, вимоги до форми діаграми 
направленості одного елемента, поляризаційні характеристики, випромінююча 
потужність, робоча смуга частот та ін. При ширококутному скануванні діаграма 
направленості окремого елемента повинна бути близька до ненаправленої. При 
скануванні в обмеженому секторі кутів (менше 200) можна використовувати 
направлені випромінювачі у вигляді директорних антен, рупорів, циліндричних 
спіралей, діелектричних антен. Так як ФАР можуть містити до десятків тисяч 
елементів, то останні повинні бути дешевими, надійними в роботі, мати малу масу 
(що особливо важливо для бортових ФАР). Фазообертачі сучасних ФАР 
виконують або на pin-діодах, або на основі феритів. Основними вимогами до 
фазообертачів є: малі втрати, досить велика пропускна потужність, точність 
установки фазових зсувів, швидкодія, стабільність характеристик, надійність, 
низька ціна. Відзначимо, що зі зменшенням довжини хвилі електричні параметри 
фазообертачів на основі діодів погіршуються і при λ<5 см починають поступатися 
по втратах феритовим.  
 
1.5 Активні фазові антенні решітки (АФАР)  
 
Так називають багатоелементну антену, в тракт кожного випромінювача 
якої включений активний елемент. Залежно від призначення антени ним може 
бути генератор, підсилювач, перетворювач або помножувач частоти. Активні 
елементи розташовуються в безпосередній близькості від випромінювача або 
вбудовуються в нього. В активному варіанті можуть бути спроектовані 
передавальні, прийомні, а також ретранслюючі ФАР. Загальною перевагою АФАР 
є спрощення схеми розводки високочастотного сигналу, що зменшує втрати і 
фазові помилки, що вносяться. Приймальні АФАР мають менший рівень шуму, 
ніж звичайні ФАР. Перевагою передавальних АФАР є відсутність загального 
тракту, по якому передається сумарна потужність, і те, що додавання 
потужностей багатьох передавачів здійснюється в просторовому промені, що 
знімає проблеми, пов'язані з можливістю електричного пробою тракту. Для 
забезпечення когерентності коливань у всіх передавачах вони повинні бути 
синхронізовані за допомогою єдиного збуджувача. Управління фазою в 
передавальних АФАР проводиться фазообертачами, включеними на вході 
генератора або в попередніх каскадах підсилення, тобто в місцях з малим рівнем 
потужності, що знижує втрати, що вносяться фазообертачами. Аналогічно в 
прийомних АФАР фазообертачі можуть бути розміщені не на вході приймача, а 
на виході ВЧ-підсилювача або, що зручніше, – в тракті проміжної частоти.  
Застосування АФАР дозволяє реалізувати розподіл амплітуд в елементах 
антени зміною потужності окремих передавачів або регулюванням підсилення 
приймача.  
1.6 Антенні решітки з обробкою сигналу. Самофазуючі антени 
 
Удосконалення параметрів антенних пристроїв здійснюється як шляхом 
удосконаленням самих антен, так і застосуванням спеціальних методів обробки 
сигналів.  
Найпростіша обробка - зміна фази коливань в тракті кожного 
випромінювача - використовується в ФАР. Більш складні методи обробки 
сигналів дозволяють створювати пристрої з більшою роздільною здатністю, з 
придушенням бічних пелюсток, зі скануванням ДН без використання 
фазообертачів і т.д. У загальному випадку антени з обробкою сигналів є невзаємні 
пристрої.  
Як приклад розглянемо антени з логічною обробкою сигналів. У таких 
антенах обробка сигналів здійснюється за допомогою логічних пристроїв типу 
«так-ні», «більше-менше» і ін. Застосування цих операцій дозволяє, наприклад, 
придушити бічні пелюстки. Схема антени наведена на рис. 1.5.  
 
Рисунок 1.5 – Схема функціонування антенної системи  
з логічною обробкою сигналів 
 
Сигнали, прийняті направленою антеною 1 і ненаправленою антеною 2, 
подаються на схему порівняння і далі через діод на навантаження. Струм через 
опір Rн буде протікати лише тоді, коли напруга на виході тракту направленої 
антени Uнапр перевищить напругу Uненапр на виході приймача сигналу 
ненаправленої антени. Подібна обробка дозволяє пригнічувати сигнали, що 
приймаються поза області головної пелюстки.  
Тракт кожного елемента самофазуючої антени має незалежне фазування 
сигналу. Сигнал з виходу n-го елемента з фазою сtn проходить через 
керований фазообертач, а частина сигналу подається на вхід фазового детектора 
(n  залежить від напрямку приходу хвилі і розташування елемента). На цей же 
детектор подається сигнал опорного генератора з фазою гt. Фазовий 
детектор виробляє різницевий сигнал з фазою (гс)tn. Якщо г с, 
то фазообертач, керований різницевим сигналом, опрацьовує фазу (n). В 
результаті на суматор від всіх N елементів після фазообертача потрапляють 
сигнали, що мають однакову фазу , тобто сигнали складаються синфазно 
незалежно від приходу хвилі і типу решітки. Для забезпечення рівності г с 
іноді опорну частоту вводять від окремого елемента, вирівнюючи фази всіх 
сигналів відносно фази сигналу, прийнятого опорним елементом. Оскільки 
синфазність має місце тільки для корисних сигналів, а шуми не корельовані, то в 
самофазуючих антенах на виході суматора відношення сигнал/шум в N разів 
більше, ніж на виході кожного елемента. Принцип незалежного фазування 
кожного елемента по опорному сигналу дозволяє реалізувати величезні значення 
КНД, недосяжні для звичайних великих антен через різні випадкові фактори, а 
також через атмосферні неоднорідності, що спотворюють хвильовий фронт хвилі, 
що приходить. Приймально-передавальні самофазуючі решітки 
перевипромінюють прийнятий сигнал в зворотному напрямку. Найпростішою 
пасивною решіткою, що перевипромінює, є решітка Ван-Атта, що представляє 
систему випромінювачів, пов'язаних між собою попарно відрізками фідерних 
ліній однакової довжини l. 
Розглянемо фазові відношення в решітці Ван-Атта. Зі схеми антени (рис.1.6) 
випливає, що фаза сигналів, прийнятих елементом решітки, запізнюється по 
лінійному закону зі зростанням номера елемента. Ці сигнали проходять по 
з'єднувальним трактам однакової довжини і перевипромінюють, причому фази 
випромінюваних сигналів тепер запізнюються в напрямку початку решітки. З 
рівності відстаней  
 
l/l + l + 66/ = 2/2 + l + 55/ = 33/ + l + 44/ 
 
випливає, що фронт відбитого сигналу збігається з фронтом падаючої хвилі. Це 
забезпечує збіг напрямку максимуму діаграми направленості відбитого сигналу з 
напрямком приходу опромінюючої хвилі. 
 
Рисунок 1.6 – Схема самофазуючої лінійної решітки Ван-Атта 
 
За допомогою решіток Ван-Атта можуть бути побудовані пункти зв'язку 
між двома наземними станціями через супутник, на борту якого розміщуються 
перевипромінююча решітка і окремо винесена антена з широкою діаграмою 
направленості. Супутник опромінюється немодульованим пілот-сигналом з 
приймального пункту А. Корисний сигнал, що випромінюється антеною 
передавальної станції В, приймається винесеною антеною супутника і надходить 
в схему, яка здійснює модуляцію сигналу, відбитого решіткою Ван-Атта в 
напрямку пункту А. При цьому можна реалізувати високу направленість 
перевипромінення антени, оскільки тут відсутні звичайні обмеження, пов'язані з 
необхідністю стабілізації супутника з високим ступенем точності.  
2. ПРОГРАМНІ ЗАСОБИ МОДЕЛЮВАННЯ  
ТА АНАЛІЗУ ПАРАМЕТРІВ АНТЕН 
 
2.1 Програма MMANA  
 
Це програма для розрахунку та аналізу антен методом моментів [2, 3]. 
Обчислювальної основою програми є MININEC3. MMANA дозволяє:  
 розраховувати будь-які типи антен, які можна уявити як довільний набір 
проводів; ·  
 проводити розрахунок на будь-якій частоті; ·  
 створювати і редагувати опис антени, як за значенням цифрових координат, 
так і в графічному редакторі (просто малювати антену "мишею");  
 розглядати безліч різних видів антени; ·  
 розраховувати діаграми направленості (ДН) в вертикальній і горизонтальній 
площинах; · 
 будувати тривимірні діаграми направленості; ·  
 одночасно порівнювати результати моделювання декількох різних антен; ·  
 редагувати кожен елемент антени, включаючи можливість змінити його 
форму; 
 редагувати опис кожного проводу антени простим перетягуванням 
«мишею»; ·  
 прораховувати комбіновані (складаються з декількох різних діаметрів) 
дроти; ·  
 створювати стеки, як елемент стека можна використовувати будь-яку 
антену; 
 оптимізувати антену, гнучко налаштовуючи цілі оптимізації: Zвх, КСХ, 
підсилення, відношення F/B, мінімум вертикального кута випромінювання;  
 задавати зміну при оптимізації більше 90 параметрів антени, можливий 
опис спільної (залежної) зміни декількох параметрів; ·  
 зберігати всі кроки оптимізації у вигляді окремої таблиці для подальшого 
аналізу;  
 будувати безліч різноманітних частотних графіків: Zвх, КСХ, підсилення, 
відношення F/B, ДН; ·  
 автоматично розраховувати різні узгоджуючі пристрої (УП), з можливістю 
включати і вимикати їх при побудові графіків; ·  
 створювати таблиці для всіх змінних розрахункових даних: струмів в 
кожній точці антени, залежності підсилення від кутів, зміна основних 
параметрів антени від частоти, напруженості полів антени в заданій області 
простору;  
 розраховувати котушки, контури, УП на LС елементах, УП на відрізках 
довгих ліній (кілька видів), індуктивності і ємності, виконані з відрізків 
коаксіального кабелю;  
 не має обмежень по взаємному розташуванню проводів. Максимальне 
число: проводів - 512, джерел - 64, навантажень - 100.  
Головне меню програми MMANA складається з п’яти меню, що випадають: 
1. меню файл; 2. меню правка; 3. меню сервіс; 4. інструменти; 5. меню допомога.  
Розглянемо коротко зміст кожного з цих меню. Меню файл містить наступні 
компоненти:  
1. Новий - відкриває новий проект.  
2. Відкрити - відкриває файл з уже створеним проектом, за допомогою 
цього пункту меню можна звертатися до бібліотеки антен.  
3. Зберегти і зберегти як - зберігає поточний проект.  
4. Коментарі - відкриває вікно, в якому можна друкувати коментарі до 
антени. На роботу програми ніяк не впливає. 
5. Відкрити ДН і Зберегти ДН - дозволяють відкривати і зберігати діаграми 
направленості.  
6. Відкрити таблицю оптимізації і Зберегти таблицю оптимізації - 
дозволяють відкривати і зберігати всі кроки оптимізації.  
7. Таблиця струмів, Таблиця напруженості полів, Таблиця кути/підсилення і 
Таблиця F/KCХ/Gain /Z - дозволяють відкривати файли з зазначеними в них 
таблицями.  
8. Вихід - закриває програму MMANA Так само в меню файл, перед 
пунктом вихід, містяться імена чотирьох останніх відкритих файлів.  
Меню правка містить наступні компоненти:  
1. Видалити - на вкладці геометрія видаляє виділені дроти.  
2. Додати - на вкладці геометрія додає рядок у поле опису дроти.  
3. Пошук і заміна - дозволяє знайти і замінити будь-яку цифру, що 
знаходиться в полі опису проводів.  
4. Посунути - дозволяє збільшити або зменшити одну або всі координати 
обраного дроти на величину, введену в поле «на». Величина зсуву вводиться в 
метрах.  
5. Опис дроту - дозволяє змінити опис обраного дроту.  
6. Встановити паралельно - дозволяє змінювати координати місцями. При 
виборі «осі X» місцями змінюються всі координати X і Y, при виборі «осі Z» - все 
координати X і Z, при виборі «осі Y» - все координати Y і Z.  
7. Обертати - дозволяє повернути антену навколо певної осі. Величина кута 
поворотів задається в градусах.  
8. Масштабування - дозволяє збільшувати значення координат і зменшувати 
величину робочої частоти в n раз, де n значення вказано вище в полі множник.  
9. Округлити цифри до - встановлює кількість значень в числі після коми.  
Меню сервіс містить наступні компоненти:  
1. Порівняти - дозволяє відкрити файл зі збереженими діаграмами 
направленості.  
2. Оптимізація і огляд кроків оптимізації - аналогічні кнопкам, що 
знаходяться на вкладці «обчислення».  
Меню інструменти.  
1. Калькулятор - викликає калькулятор «Windows».  
2. Програми користувача – можливість виклику програм, визначених 
користувачем. 
Меню допомога.  
1. Читати MMANA.TXT - відкриває файл, в якому міститься короткий опис 
можливостей програми MMANA.  
2. Читати Append.TXT - відкриває файл з описом характеристик різних 
типів землі.  
2.2 Програма Microwave Studio  
 
CST Microwave Studio - система моделювання НВЧ пристроїв. Змінити 
стандарти, прийняті в області тривимірного електромагнітного моделювання - ось 
головне гасло, яке висунула і втілила в життя заснована в 1992 році німецька 
компанія Computer Simulation Technology (CST). Спираючись на підтримку своїх 
численних, розкиданих по всьому світу користувачів-розробників НВЧ 
обладнання, компанія CST змогла вивести свої продукти MAFIA і CST Microwave 
Studio в число кращих програм електромагнітного моделювання [2].  
Система CST Microwave Studio представляє собою надзвичайно швидку і 
точну програму моделювання складних об'ємних НВЧ пристроїв, таких як антени 
і хвилеводи, з метою отримання їх S-параметрів. В основі програми лежить 
розроблений компанією CST метод апроксимації для ідеальних граничних умов 
(PBA), який вдало доповнює метод певних інтегралів (FI), які працюють в часовій 
області. У будь-якому методі, пов'язаному з моделюванням кінцевих елементів, 
всі поверхні розбиваються на невеликі елементи. Якщо модель НВЧ пристрою 
задана тільки прямими площинами, то число аналізованих елементів розбиття 
невелика, і розрахунок проводиться відносно швидко. При використанні в НВЧ 
пристроях криволінійних поверхонь, для їх апроксимації потрібна набагато 
більша кількість елементів розбиття, що призводить до значних часових витрат 
при аналізі. Комбінація методів PBA і FI, запропонована компанією CST, 
дозволила швидко вирішувати задачі моделювання складних НВЧ пристроїв з 
криволінійними поверхнями.  
Типовими пристроями, що моделюються за допомогою пакета CST 
Microwave Studio, є: ·  
 хвилеводні та мікрополоскові направлені відгалужувачі потужності; ·  
 дільники та суматори потужності; ·  
 хвилеводні, мікрополоскові та діелектричні фільтри; ·  
 одно- та багатошарові мікрополоскові структури; ·  
 різні лінії передачі; ·  
 коаксіальні і багатовиводні з'єднувачі; ·  
 коаксиально- хвилеводні і коаксиально-полоскові переходи; ·  
 оптичні хвилеводи і комутатори; ·  
 різні типи антен - рупорні, спіральні, планарні.  
Програма має простий і зручний інтуїтивний зрозумілий для користувача 
інтерфейс, плідно працювати з яким зможе навіть новачок вже через дві години 
після першого знайомства з програмою. Досвідчені ж користувачі зможуть 
автоматизувати підготовку і виконання більшості завдань за допомогою 
вбудованої макромови VBA.  
Система моделювання є закінченим програмним продуктом, тобто вона має 
в своєму складі всі необхідні модулі, починаючи з графічного редактора для 
промальовування тривимірної структури і закінчуючи модулем побудови 
розрахованих частотних залежностей. Система побудови досліджуваних структур 
базується на ядрі ACIS, використовуваному більшістю відомих CAD-систем, 
наприклад, всім відомою програмою AutoCAD. За допомогою цієї технології 
промальовування об'ємних НВЧ пристроїв навіть найскладніших конфігурацій 
проводиться легко і швидко. 
Основні характеристики пакета CST Microwave Studio. ·  
 Розрахунок S-параметрів в широкому діапазоні частот. ·  
 Власний графічний інтерфейс. ·  
 Потужна вбудована мова написання макросів VBA, підтримка технології 
зв'язування і вбудовування об'єктів (OLE). ·  
 Швидке і точне рішення в часовій області, отримане за допомогою методу 
визначених інтегралів. ·  
 Значне збільшення продуктивності завдяки використанню методу 
апроксимації для ідеальних граничних умов (PBA). ·  
 Побудова аналізованої структури на базі ACIS. ·  
 Імпорт та експорт структур в форматах SAT, IGET і STL. ·  
 Різні режими збудження структури за допомогою зовнішніх і внутрішніх 
портів. ·  
 Розрахунок власних мод портів за допомогою спеціальної вирішальної 
програми. ·  
 Автоматичний розрахунок імпедансів портів. ·  
 Перерахунок отриманих S-параметрів для специфічних значень імпедансів 
портів. ·  
 Анімаційне відображення полів. ·  
 Відображення отриманих результатів по мірі виконання розрахунку. ·  
 Потужний оптимізатор. ·  
 Розрахунки поля антен в дальній зоні (дво- і тривимірне представлення 
поля, підсилення, розрахунок кутової ширини основної ті бічних пелюсток 
діаграми направленості). ·  
 Автоматична генерація комірок аналізу на базі експертної системи. ·  
 Адаптивний метод подрібнення комірок аналізу.  
Дерево навігації є суттєвою частиною інтерфейсу користувача. Звідси 
можна мати доступ до структурних елементів, а також переглядати результати 
моделювання. Контекстні меню є коротким шляхом доступу часто використаних 
команд меню. Зміст цього меню (яке може бути відкрито натисненням правої 
кнопки миші) змінюється динамічно. Площина для малювання є площиною, на 
якій малюються структури. Найбільш передова частина інтерфейсу користувача є 
вбудований Basic редактор / відладчик. Ця мова майже 100% сумісна з Visual 
Basic. Ви можете використовувати цю мову або для створення вашої власної 
структурної бібліотеки, або для автоматизації спільних завдань. Інші елементи 
інтерфейсу користувача є стандартом для Windows.  
2.3 Програма HFSS 
 
Програма тривимірного електромагнітного моделювання для проектування 
НВЧ структур HFSS (High Frequency Structure Simulator) - це потужний пакет 
програм, який обчислює S-параметри і електромагнітні поля для тривимірної 
пасивної структури довільної форми [2].  
Для переходу в режим малювання слід в основному меню натиснути Model 
=> Draw. Можна працювати відразу з одним, двома або чотирма видами (зверху, 
праворуч, ліворуч, проекція). Для вибору кількості вікон для відображення видів 
слід натиснути Window => Layout. Для збільшення, зменшення, переміщення 
намальованих об'єктів, зміни напрямку огляду передбачені спеціальні команди. 
Перед початком роботи слід виконати установки у вікні Window => Project 
Preferences, вибравши одиниці виміру, розмір області, параметри сітки.  
У HFSS існують можливості для креслення двовимірних і тривимірних 
об'єктів. Для зображення двовимірних структур використовуються наступні 
об'єкти: лінії, дуги, кола, еліпси, прямокутники і команди, що дозволяють 
створити складні фігури Unite (Об'єднання), Intersect (Перетин), Subtract 
(Віднімання). Для створення тривимірних структур можна використовувати 
об'єкти: паралелепіпед (Box), циліндр, конус, сфера і команди Unite, Intersect, 
Subtract, а також Sweep, Revolve, Connect. Revolve використовується для 
обертання двовимірного об'єкта навколо лінії для створення тривимірного. 
Connect створює тривимірний об'єкт, поєднуючи два двовимірних. Sweep створює 
тривимірний об'єкт, піднімаючи двовимірний на певну висоту. 
Можна використовувати вбудовану бібліотеку компонентів, для малювання 
спіралей, мостів, мікрополоскових елементів і ін. Для редагування структури Edit 
передбачені наступні команди: Undo - скасування дій; Move - переміщення об'єкта 
по трьох координатах; Copy - копіювання об'єкта за трьома координатами, з 
заданим кроком, кількість копій може бути різна; Scale - масштабування; Rotate - 
поворот навколо заданої лінії на будь-який кут; Mirror - дзеркальне відображення 
відносно заданої площині; Slice - відсікання частини у тривимірного об'єкту, може 
бути використано для об'єктів, що мають площині симетрії по E і H. Delete - 
видалення об'єкта, якщо є складні об'єкти, отримані, наприклад, після команди 
Unite, видалення проводиться послідовно: спочатку складний, потім при 
необхідності видаляються його складові частини; Unlink - розрив зв'язку з 
вихідним об'єктом для можливості редагування копій. Object Parameters - 
редагування параметрів об'єктів, крім поліліній і дуг (для них використовується 
2D Object => Point => Move).  
Існують наступні типи граничних умов, які можна застосувати до 
поверхонь:  
1 Port (Порт) - це гранична умова, яка дозволяє енергії надходити і виходити 
зі структури.  
2 Perfect H - це ідеальна магнітна границя. Цей тип границі змушує магнітне 
поле (H-поле) бути нормальним до поверхні, до якої воно докладено.  
3 Perfect E - це ідеальна електрична границя, це також відноситься до 
ідеального провідника. Цей тип границі змушує електричне поле (Е-поле) бути 
нормальним до поверхні, до якої воно докладено. Дана гранична умова 
автоматично присвоюється в двох випадках:  
 будь-якій поверхні об'єкта, яка дотична зовнішній поверхні розглянутого 
об’єму, їй дається ім'я _OUTER_; ·  
 до поверхні будь-якого об'єкта, якому присвоєно тип матеріалу Метал 
(ідеальний метал) і дається ім'я _MATERIAL_.  
4 Symmetry Planes - площина симетрії існує в тому випадку, якщо структура 
має геометричну і електромагнітну симетрію, тобто, коли поля в одній половині 
структури або ідентичні, або є дзеркальним відображенням полів в іншій половині 
структури. Площина симетрії може розглядатися, як інші поверхні структури, і 
мати граничні умови. Використання площин симетрії дозволяє спростити процес 
симуляції і зменшити час рахунку в кілька разів.  
5 Ground Plane - площина заземлення (екрануюча площина) розглядається, 
як нескінченна ідеальна електрична границя. Якщо в структурі використовуються 
границі, що випромінюють, площина заземлення є екраном для випромінюваної 
енергії, що запобігає поширення хвиль за неї. Екрануюча площина 
використовується для моделювання антен з однонаправленим випромінюванням, 
так як має нескінченні розміри і непрозора, в тому числі, і для поля в дальній зоні.  
6 Conductor - провідник дозволяє визначити поверхню об'єкта, як 
неідеальний (з втратами) провідник. Це неідеальна електрична границя. Для 
моделювання вводяться втрати в розмірності Siemens/meter, і параметри 
проникності дозволяють визначити поверхню, що є неідеальним провідником. 
Втрати розраховуватися в залежності від частоти.  
7 Resistor - можна моделювати поверхню або границю, як резистивну, і 
задати речову або уявну частини опору або провідності в розмірності ohms/square. 
Опір величина постійна і не змінюється з частотою.  
8 Radiation Boundary - випромінююча границя відноситься до поглинаючих 
границь, дозволяє моделювати електрично відкриту структуру: хвилі можуть 
випромінюватися зі структури у напрямку до випромінюючої границі. Система 
поглинає хвилі на випромінюючій границі, по суті розширюючи зовнішню 
границю структури до нескінченості. Випромінююча границя також може бути 
розташована в відносній близькості від структури і мати довільну форму. Ця 
умова виключає необхідність в сферичній границі. Для структур, що мають 
випромінюючу границю, розраховуються S- параметри, що враховують втрати на 
випромінювання, а розрахунок поля в дальній зоні стає невід'ємною частиною 
процесу симуляції.  
9 Restore - відновлені граничні умови відновлюють вихідні параметри 
поверхні об'єкта, повертають властивості матеріалу обраної зони об'єкта до 
первинних значень, скасовуючи будь-яку накладену граничну умову. Це не 
впливає на будь-які призначення матеріалів, зроблені через меню Materials. Такі 
граничні умови використовуються, наприклад, щоб змоделювати апертуру 
рупорної антени всередині випромінюючої границі. Ці границі використовуються 
головним чином для того, щоб полегшити процес визначення граничних умов на 
складних об'єктах.  
2.4 Програма Microwave Office  
 
Головне вікно містить верхню лінійку компонентів: File - Файл, Project - 
Проект, Simulate - Моделювання, Options - Параметри, Windows - Вікно, Help – 
Довідка (рис.2.1).  
 
Рисунок 2.1 – Компоненти головного меню 
 
І нижню лінійку закладок (рис.2.1): Proj - Перегляд проекту включає Design 
Notes - Текстовий редактор для коментарів, Project Frequency - Завдання робочих 
частот проекту, Global Equations - Завдання глобальних виразів (може містити 
будь-яке рівняння або функції), Data Files - Використання зовнішніх файлів даних, 
Schematics - Схеми проекту і параметри до них, EM Structures - Використання 
електромагнітних структур, Conductor Materials - Використання провідних 
матеріалів, Output Equations - Вихідні рівняння, Graphs - Графіки проекту п'яти 
типів: антенні креслення, прямокутна система координат, діаграма Сміта, полярна 
система координат, табличная форма. Optimization Goals - Завдання цілей 
оптимізації, Yield Goald - Цілі виходу (статистичний аналіз) Output Files - 
Створення вихідних файлів з вихідними значеннями величин; Elem - Перегляд 
елементів, Var - Перегляд величин елементів, Layout - Топологія.  
Вікно перегляду проекту містить чотири вкладки: Project (проект), Elements 
(елементи), Variables (змінні) і Layout (топологія).  
На вкладці Project відображається дерево груп і модулів, які вже 
використовуються, а також можуть бути використані в даному проекті. Сюди 
входять: блок коментарів, блок опцій проекту, блок глобальних виразів, група 
використовуваних зовнішніх файлів даних, блок системних діаграм, група 
використовуваних схемотехнічних модулів, група використовуваних 
електромагнітних структур, група використовуваних провідних матеріалів, блок 
вихідних виразів, група відображення результатів розрахунку, група цілей 
оптимізації, група статистичного аналізу і група формування вихідних файлів. Як 
правило, при відкритті проекту вкладка Project відкривається першою, для 
переходу на неї необхідно клацнути на закладці з написом Proj в нижній частині 
вікна перегляду проекту. Про наявність в групі вкладених модулів сигналізує 
маленький квадратик в точці розгалуження дерева проекту. Подвійне клацання на 
кожному модулі групи відкриває відповідне вікно перегляду на робочому столі 
Microwave Office або діалогове вікно, кероване наступними діями користувача. 
Підказки у вигляді контекстних меню, що з'являються при натисканні правої 
клавіші миші на будь-якому об'єкті проекту і пропонують на вибір список 
можливих подальших дій. Переміщення між блоками і групами дерева проекту 
всередині вкладки можна також виконати за допомогою клавіш «вгору» або 
«вниз».  
Блок коментарів (Design Notes) призначений для внесення супровідної 
інформації в проект, а також коментарі, для інших інженерів.  
Блок опцій проекту (Project Options) служить для завдання значень частот, 
одиниць, параметрів за замовчуванням проекту.  
Блок глобальних визначень (Global Definitions) служить для визначення 
змінних, від яких залежать окремі параметри елементів схем і зміна яких в проекті 
повинна здійснюватися пропорційно або синхронно.  
Група зовнішніх файлів даних (Data Files) містить список будь-яких файлів 
даних, які були додані до проекту ззовні. Зовнішні файли даних дають можливість 
наочно порівнювати результати, отримані в ході макетування НВЧ пристрою, з 
результатами розрахунку.  
Група схемотехнічних модулів (Schematics) відображає список всіх частин 
проекту, заданих у вигляді електричних схем. Список має ієрархічну структуру з 
можливістю багаторазового вкладення окремих модулів, які можуть бути задані 
як схеми, підсхеми, списки з'єднань, зовнішні файли і EM структури.  
Група EM структур (EM Structures) відображає список всіх частин проекту, 
заданих у вигляді EM структур. У даній групі міститься блок параметрів, що 
встановлюються за замовчуванням, структур Default EM Options. Тут 
встановлюються параметри, дійсні для всіх без винятку EM модулів проекту, 
проте є можливість індивідуального завдання параметрів для кожного з них 
окремо.  
Група провідних матеріалів (Conductor Materials) містить список всіх 
провідних матеріалів, використовуваних в EM структурах проекту. За 
замовчуванням в цій групі міститься ідеальний і мідний провідники, проте 
користувач завжди може додати сюди нові матеріали.  
Блок вихідних виразів (Output Equations) служить для визначення змінних, 
одержуваних з розрахованих характеристик. Головна відмінність вихідних виразів 
від глобальних полягає в тому, що розраховані за їх допомогою змінні можна 
відобразити на графіку.  
Група відображення результатів розрахунку (Graphs) містить всі графіки, 
діаграми і таблиці, отримані в процесі моделювання.  
Група цілей оптимізації (Optimizer Goals) містить список характеристик, що 
розраховуються, які необхідно оптимізувати в процесі роботи з проектом.  
Група статистичного аналізу (Yield Goals) містить список характеристик, які 
необхідно розрахувати з урахуванням випадкової зміни заданих параметрів 
елементів проекту.  
Група формування вихідних файлів (Output Files) містить список файлів в 
різних форматах, які формуються за підсумками моделювання.  
Вкладка Elements (скорочено Elem) призначена для швидкого пошуку і 
введення в проект моделі елемента. Для переходу на неї необхідно клацнути на 
корінці з написом Elem в нижній частині вікна перегляду проекту. У верхній 
частині вкладки відображається ієрархічне дерево всіх доступних бібліотек, а в 
нижній частині - склад обраної бібліотеки.  
Вкладка перегляду змінюваних змінних проекту Variables (скорочено Var) 
служить для перегляду і зміни значень, а також управління статусом різних 
параметрів елементів схеми. Під статусом змінної маються на увазі три її стани: 
можливість зміни за допомогою інструменту Tuner (кнопка T), можливість зміни в 
процесі оптимізації (кнопка O) і установки діапазону зміни змінної (кнопка C).  
Для переходу на вкладку Variables необхідно клацнути на корінці з написом 
Var в нижній частині вікна перегляду проекту. У верхній частині вікна, що 
з'явилося, міститься спрощене дерево проекту, що відображає розташування 
параметрів в схемотехнічних модулях, зовнішніх файлах даних, а також змінних в 
блоках глобальних і вихідних виразів. У закладці Var в табличній формі 
відображається список всіх змінюваних змінних зазначеного модуля, три кнопки 
управління статусом, поточні їх значення, а також межі їх зміни.  
Вкладка Layout призначена для роботи з топологіями, відповідними 
окремим схемотехнічним модулям проекту, і управління бібліотеками 
топологічних примітивів. У верхній частині вкладки відображаються загальні 
установки для роботи з топологіями Layer Setup і список використовуваних 
бібліотек Cell Libraries. У нижній частині наведена таблиця управління шарами 
топології. Командне меню і панель інструментів розташовується у верхній частині 
вікна середовища проектування і містить всі необхідні команди для роботи з 
проектом. Відмінною особливістю командного меню є те, що воно має деяку 
базову конфігурацію, яка видозмінюється в процесі роботи залежно від 
виконуваної операції.  
 
3 МОДЕЛЮВАННЯ РЕШІТОК З ПОСЛІДОВНИМ  
ЖИВЛЕННЯМ ЕЛЕМЕНТІВ 
 
3.1 Постановка задачі 
 
Антенні решітки дозволяють звузити діаграму  направленості в обох 
площинах і отримати високий коефіцієнт підсилення. В назві таких антен, як 
правило, присутні дві цифри: число поверхів і число елементів в одному поверсі. 
Як базові елементи решітки можуть використовуватися будь-які антени: від 
найпростіших диполів до направлених з високим підсиленням. 
Конструкції решіток з окремим живленням кожного елементу достатньо 
часто використовуються на практиці [4, с.253; 5], наприклад саме так 
виконуються антени базових станцій стільникового зв’язку. Проте недоліком 
таких антен є складність конструкцій, перш за все, через окрему систему 
живлення. Тому радіоаматори часто використовують спрощені конструкції 
решіток, в яких самі частини антени виконують функцію системи живлення.  
Часто антени з послідовним живленням називають антенами біжної або 
витікаючої хвилі (leaky-wave antenna) [7]. Проте термін «антени з послідовним 
живленням» визначає більш широкий клас антен, до яких відносяться також і 
резонансні решітки, мають структуру, близьку до антен біжної хвилі, але 
функціонують в іншому режимі. 
Відмітною ознакою антен з послідовним живленням є те, що її 
випромінюючі елементи включені в загальну лінію передачі, хвиля якої 
послідовно збуджує їх в процесі поширення. Зі сказаного вище випливає, що, 
кажучи про антени з послідовним живленням, ми маємо на увазі антенні решітки, 
утворені дискретною сукупністю випромінювачів. Таким чином, ми звужуємо 
клас даних структур, оскільки виключаємо з нього антени з безперервним 
розподілом струмів, такі як, наприклад, діелектричні і спіральні антени. 
Головним достоїнством обговорюваних антен є простота їх конструкції, так 
як в ній повністю або частково відсутня складна схема живлення - джерело 
істотних втрат в НВЧ-діапазоні. Платою за зазначену простоту служить відносно 
вузька смуга робочих частот. Антени з послідовним живленням можуть 
використовуватися в двох різних режимах: біжної хвилі і резонансному режимі. У 
першому випадку смугу обмежує ефект частотного сканування, а в другому - 
зростання коефіцієнта відбиття від входу пристрою за межами деякого діапазону 
частот. 
Говорячи про антени біжної хвилі, зазвичай мають на увазі одновимірну 
лінійну антену. Така антена не може сформувати діаграму  направленості (ДН) з 
вузьким променем. Для вирішення цього завдання лінійні антени об'єднують в 
решітки. Оскільки практична цінність саме таких антен особливо велика, то 
основна увага в роботі приділено вивченню двовимірних решіток з послідовним 
живленням. Тому, кажучи про антени з послідовним живленням, ми будемо 
розуміти не одиночну лінійну структуру, а їх систему, яка з точки зору 
випромінювання в зовнішній простір є двовимірними решітками випромінювачів. 
Структури розглянутого типу відомі в антенній техніці вельми давно [7]. 
Багато з них стали класичними. Однак в останні два десятиліття інтерес до антен з 
послідовним живленням значно виріс. Це пов'язано з появою нових прикладних 
задач, в яких переваги решіток з послідовним живленням виявилися найбільш 
затребувані. До таких завдань можна віднести розробку антен для прийому 
супутникового телебачення, систем персонального зв'язку, антен для 
мікрохвильових датчиків параметрів технологічних процесів і т. д. Всі ці додатки 
відрізняються високими вимогами до економічних показників якості 
радіоапаратури - вартості та технологічності. Завдяки простій системі збудження 
антени з послідовним живленням мають істотно більш низьку вартість порівняно 
з антенами інших типів. На додаток до цього багато з них можуть бути 
виготовлені в рамках технології друкованих схем, що додатково знижує їх 
вартість і підвищує технологічність. 
3.2 Антена, еквівалентна до решітки з семи синфазних диполів 
 
Розташуємо на площині множину /2 диполів так, щоб струми в 
горизонтальних диполях виявилися б синфазні, а у вертикальних – протифазні. 
Тоді така антена буде еквівалентна решітці синфазних горизонтальних диполів, а 
вертикальні частини не будуть випромінювати, забезпечуючи лише правильне 
живлення горизонтальних.  
Найпростіша реалізація цієї ідеї показана на рис.3.1 [5; 6]. Ця антена 
складається з семи горизонтальних і восьми вертикальних /2 диполів. Для 
розуміння фізичних процесів, що відбуваються в антені, розглянемо розподіл 
струмів (рис.3.2), отриманий з використанням «движка» NEC2, з якого видно що:  
 струми у вертикальних частинах протифазні і тому не випромінюють; 
 струми в горизонтальних частинах синфазні, тому антена працює як 
решітка з семи напівхвильових диполів, рознесених як по ширині, так і по 
висоті. 
 
Рисунок 3.1 – Конструкція антени з семи синфазних горизонтальних  
та восьми вертикальних напівхвильових диполів 
 
Рисунок 3.2 – Розподіл струмів на елементах антени, що еквівалентна  
до решітки з семи синфазних горизонтальних диполів 
 
На рис.3.3 показана діаграма направленості (ДН) досліджуваної антени для 
вільного простору, що дасть можливість порівнювати параметри і характеристики 
різних типів антен між собою. З рисунку видно, що форма ДН двонаправлена, при 
цьому звужуються як горизонтальна, так і вертикальна ДН, і антена виграє більше 
8 дБ підсилення у простого /2 диполя [4, с.256].  
Підсилення антени Ga  дорівнює 10,41 dBi, а КСХ має значення 1,93 при 
300-омному фідері, що з практичної точки зору є достатньо прийнятним. Антена 
випромінює в горизонтальній площині на частоті 145 МГц.  
Дослідимо вплив земної поверхні на діаграму  направленості досліджуваної 
антени Для цього в меню програми GAL-ANA відмічаємо опцію Real fast і 
встановлюємо значення висоти підвісу антени – 5 м, що становить більше двох 
довжин хвиль. При необхідності коректувати значення діелектричної проникності 
та питомої провідності необхідно натиснути кнопку «Setup» і у виринаючому 
вікні ввести необхідні значення (за замовчуванням вони дорівнюють 13 і 5 
мСм/м).  
Результати моделювання антени з врахуванням впливу землі при висоті 
підйому 5 м представленні на рис.3.4.  
 
а) 
 
б) 
Рисунок 3.3 – Діаграма  направленості антени, що еквівалентна до решітки 
з семи синфазних диполів у вільному просторі 
 
а) 
 
б) 
Рисунок 3.4 – Діаграма  направленості антени, що еквівалентна до решітки 
з семи синфазних диполів при висоті підйому 5 м над землею 
Зенітна діаграма  направленості має флюктуючий характер. Це відбувається 
тому, що відбита від землі хвиля набуває додатковий фазовий зсув, що залежить 
від пройденого нею шляху, тобто від зенітного кута. Тому для деяких кутів прямо 
випромінена і відбита від землі хвилі є синфазними і дають збільшення 
амплітуди, а для інших кутів ці хвилі є протифазні і взаємно компенсують одна 
іншу, що проявляється у вигляді глибоких провалів в зенітній ДН. Підсилення 
антени Ga  з врахуванням впливу землі становить 15,85 dBi, що на 5,44 dBi більше 
порівняно з вільним простором (при максимально можливому збільшенні 6 dBi). 
Решта параметрів антени майже не змінилася, отже практично не залежить від 
висоти підйому антени над землею.  
Тривимірна ДН антени з врахуванням впливу земної поверхні наведена на 
рис.3.4,б і відрізняється від ДН для вільного простору, наведеної на рис.3.3,б, 
наявністю додаткових пелюсток, кількість яких зростатиме зі збільшенням висоти 
підйому антени. 
3.3 Петльова конструкція антеної решітки з семи синфазних диполів 
 
Інша конструкція, що реалізує ту ж ідею, що розглянкта в попередньому 
пункті, наведена на рис.3.5 [5; 6]. Вона також аналогічна семи синфазним 
горизонтальним /2 диполям, а живлення подається по дванадцяти вертикальним 
/2 диполям, які не випромінюють. 
 
Рисунок 3.5 – Петльова конструкція антени з семи синфазних диполів 
 
Результати моделювання антени, наведеної на рис.3.5, для вільного 
простору наведені на рис.3.6 при частоті 1296 МГц. Конструкції антен, 
представлених на рис.3.1 і 3.5 подібні, оскільки їх випромінюючу здатність 
визначають по сім горизонтальних напівхвильових диполів, а вертикальні диполі 
забезпечують правильне живлення горизонтальних, отже обидві антени мають 
майже однаковий коефіцієнт підсилення. Вхідний імпеданс другої конструкції 
також має велике значення, тому при роботі з 50 омним фідером КСХ буде дуже 
великим (SWR=11,01) і обов’язково необхідно забезпечувати узгодження. 
Діаграми  направленості антен (рис.3.1 і 3.5) мають схожу форму, особливо 
в азимутальній площині. Відмінність і аналогію між ДН антен можна спостерігати 
на тривимірних графіках на рис.3.3,б і рис.3.6,б. 
Обидві антени мають загальний недолік. Ці теоретичні конструкції, добре 
підходять для розуміння принципу роботи, але незручні на практиці із-за високого 
(та ще й з реактивністю) вхідного імпедансу [4].  
Результати моделювання антени з врахуванням впливу землі при висоті 
підйому 0,5 м (або 2,16) представленні на рис.3.7.  
Зенітна діаграма  направленості має інтерференційні максимуми і мінімуми. 
Підсилення антени Ga  з врахуванням впливу землі становить 15,53 dBi, це на 4,75 
dBi більше порівняно з вільним простором. Вхідний імпеданс і КСХ антени 
майже не змінилася. 
Загальний вигляд тривимірної ДН антени, з врахуванням впливу земної 
поверхні, наведено на рис.3.7,б і антена переважно випромінює електромагнітні 
хвилі під невеликими кутами до горизонту вздовж заданого напрямку (вісь Ох). 
 
а) 
 
б) 
Рисунок 3.6 – Діаграма  направленості петльової антени з семи горизонтальних 
напівхвильових диполів у вільному просторі 
 
а) 
 
б) 
Рисунок 3.7 – Діаграма  направленості петльової антени з семи горизонтальних 
/2 диполів при висоті підвісу 0,5 м 
3.4 Ground Plane антена для роутера 
 
Практична конструкція GP (Ground Plane) на Wi-Fi 2412–2484 МГц для 
роутера зроблена на основі рис.3.1 [5; 6]. Це вертикальна половина антени рис.3.1, 
в якому для узгодження дещо змінена форма нижньої частини. На рис.3.8 
показано /4 радіали, але у реальності їх немає. Дротяна конструкція рис.3.8 
безпосередньо вставляється в роз'єм роутера, в який раніше вкручувалась штатна 
антена, а роль радіалів виконує шина землі плати роутера.  
 
Рисунок 3.8 – Конструкція GP антени для роутера 
 
Діаграму  направленості та результати моделювання GP антени для роутера 
(рис.3.8) для вільного простору наведено на рис.3.9 при частоті 2450 МГц. 
Вхідний імпеданс GP антени помітно зменшується (більше ніж в 10 разів), 
порівняно з конструкцією, яка є її прототипом (рис.3.1), і дорівнює Zвх54 j4, 
що дозволяє отримати низький КСХ, рівний 1,12. Отже, немає потреби в 
додатковому узгодженні антени і лінії передач з опором 50 Ом. 
Діаграма направленості GP антени також є двонаправленою, а коефіцієнт 
підсилення Ga  дорівнює 8,16 dBi. Загальне уявлення про діаграму  направленості 
GP антени можна отримати по рис. 3.9,б.  
Результати моделювання антени з врахуванням впливу землі при висоті 
підйому 0,3 м (або 2,46) представленні на рис.3.9.  
 
а) 
 
б) 
Рисунок 3.9 – Діаграма  направленості GP антени у вільному просторі 
Зенітна діаграма  направленості (рис.3.10) має різану форму, проте глибокі 
інтерференційні мінімуми відсутні. Підсилення антени Ga  з врахуванням впливу 
землі становить 11,71 dBi. Добавка підсилення на 3,55 dBi порівняно з вільним 
простором, як і раніше, обумовлена синфазним складанням хвилі, що 
випромінюється, і хвилі, відбитої від землі. Вхідний імпеданс і КСХ антени не 
змінюються. 
 
а) 
 
б) 
Рисунок 3.10 – Діаграма  направленості GP антени при висоті підвісу 0,3 метра 
3.5 Використання двох антен з семи синфазних диполів як плечі диполя 
 
Розглянемо, як можна антену, зображену на рис.3.5, привести до 
придатного для практики виду. В принципі, поставивши узгоджуючий пристрій в 
точці живлення, можна змусити цілком пристойно працювати конструкцію, 
наведену на рис.3.5. Але здійснювати погодження на сотні мегагерц імпедансів в 
сотні ом – штука примхлива і незручна, оскільки потрібні дуже малі ємності, 
порівняно з конструктивними. 
Ідея модифікації конструкції (рис.3.5) належить Ross Anderson [4, с.258], 
який скомпонував дві таких антени як плечі диполя (рис.3.11) [5; 6].  
 
Рисунок 3.11 – Конструкція антени Ross Anderson 
 
Результат моделювання в діапазоні 1296 МГц показаний на рис.3.12. Її 
вхідний опір близький до 50 Ом, а КСХ дорівнює 1,52. За рахунок ускладнення 
конструкції антени збільшується її підсилення і досягає 15,22 dBi. 
ДН антени Ross Anderson має більш вузьку головну пелюстку, порівняно з 
ДН інших антен, що приводить до збільшення підсилення антени. 
 
а) 
 
б) 
Рисунок 3.12 – Діаграма  направленості антени Ross Anderson у вільному просторі 
Результати моделювання антени з врахуванням впливу землі при висоті 
підйому 0,5 м, що становить 2,16, представлені на рис.3.13. Азимутальна ДН 
майже не змінюється, а зенітна діаграма  направленості зазнає найбільших змін у 
вертикальному напрямку. 
 
а) 
 
б) 
Рисунок 3.13 – Діаграма  направленості антени Ross Anderson  
при висоті підйому 0,5 м 
Підсилення антени Ga  з врахуванням впливу землі має прибавку 4 dBi 
порівняно з вільним простором і становить 19,28 dBi.  
Щоб отримати максимум підсилення з конструкції (рис.3.11) між 
половинками антени додано два короткозамкнених /4 шлейфи (вгорі і внизу). Їх 
містки хоча і мають малу довжину (близько 0,12 ), але по них тече великий 
струм, і вони рознесені в просторі. Разом виходить 17 синфазно збуджених 
горизонтальних частин: чотирнадцять /2 диполів і три перемички (враховуючи і 
ту, в яку включене джерело) по 0,12.  
3.6 Дослідження модифікованої антени Ross Anderson 
 
Відріжемо від антени рис.3.11 крайні рамки, а також ті вертикальні сторони, 
до яких ці рамки кріпилися. Отримуємо антену, показану на рис.3.14 [5; 6], яка 
має 13 горизонтальних елементів і дещо менше підсилення 14,33 dBi (рис.3.15). 
Вхідний опір такої антени збільшився більш ніж у 2 рази, що привело до 
погіршення її узгодження з 50 омним фідером, а КСХ дорівнює 2,87. 
 
Рисунок 3.14 – Конструкція модифікованої антени Ross Anderson 
 
На рис.3.16 наведено результати моделювання модифікованої антени Ross 
Anderson при висоті підвісу 0,5м або 2,16. 
Підсилення антени збільшується на 5,12 dBi до 19,45 dBi, а ДН має багато 
бічних пелюсток, обумовлених складною інтерференційною картиною сумарного 
поля. 
 
 
а) 
 
б) 
Рисунок 3.15 – Діаграма  направленості модифікованої антени  
Ross Anderson у вільному просторі 
 
а) 
 
б) 
Рисунок 3.16 – Діаграма  направленості модифікованої антени  
Ross Anderson при висоті підйому 0,5 м 
3.7 Аналіз модифікованої антени Ross Anderson з рефлектором 
 
Для збільшення підсилення антени її ДН необхідно зробити 
однонаправленою, для цього позаду антени рис.3.11 розміщується великий 
плоский відбивач на відстані  близько 0,16. 
Така антена на діапазон Wi-Fi наведена на рис.3.17 [5; 6]. В середовищі 
GAL-ANA неможливо завади суцільні площини, тому при моделюванні можна 
використовувати сітку, в якій дроти розташовані з певним кроком. В даному 
випадку, замість плоского рефлектора використовується поверхня ідеальної 
землі).  
 
Рисунок 3.17 – Конструкція модифікованої антени Ross Anderson з рефлектором 
 
Підсилення модифікованої антени Ross Anderson з рефлектором (рис.3.17) 
досягає 20,59 dBi (рис.3.18), що можна порівняти з антеною хвильовий канал з 
траверсою 13, або параболічної дзеркальної діаметром 5 [4, с.260]. При цьому 
розміри антени рис.3.17 відносно невеликі: 4,9х2,8x0,2. Тобто вона може 
бути виконана у вигляді плоскої панелі. Її смуга близько 180 МГц, тому 
допускаються невеликі похибки виготовлення антени [4, с.261].  
Таким чином сумарна відстань дорівнює 2,32. Приріст підсилення антени 
рис.3.17 порівняно з конструкцією рис.3.11 становить більше 5 дБ. Опір антени Ra 
= 200 Ом, а КСХ дорівнює 1,05, що вказує на майже ідеальне узгодження. Антена 
випромінює вгору, що обумовлено умовами моделювання, а саме площиною 
розташування рефлектора. 
Якщо відстань між випромінюючою частиною антени і рефлектором 
підібрано не оптимально, то підсилення всієї антени зменшується, а рівень бічних 
пелюсток збільшується (рис.3.19). В даному випадку відстань між 
випромінюючою частиною антени і землею визначається як сума відстані, що 
визначає оптимальне розташування рефлектора (0,16), і додаткової відстані, що 
вказує на стандартну висоту підвісу антени (по аналогії з методикою дослідження 
інших антен) (0,3 метра або 2,16).  
 
 
а) 
 
б) 
Рисунок 3.18 – Діаграма  направленості модифікованої антени Ross Anderson з 
рефлектором у вигляді поверхні ідеальної землі 
 
а) 
 
б) 
Рисунок 3.19 – Діаграма  направленості модифікованої антени Ross Anderson з 
рефлектором, встановленим на відстані 2,32  
 
4 ОХОРОНА ПРАЦІ 
 
4.1 Аналіз умов праці, шкідливих та небезпечних факторів, які                 
       діють на дослідника, який працює в лабораторії 
 
Проектування та моделювання антенних решіток необхідно проводити у 
лабораторному приміщенні, що відповідає санітарно-гігієнічним нормам за 
розмірами, мікрокліматом, чистотою повітря, освітленням, кількістю робочих 
місць тощо. 
Дослідницька лабораторія розташована на третьому поверсі 
п’ятиповерхового цегляного будинку. Приміщення лабораторії має прямокутну 
форму, що є найбільш доцільним з точки санітарно-гігієнічних норм на 
освітлення та природну вентиляцію. 
Розміри лабораторії: довжина 12 м, ширина 6 м, висота 3,5 м. Площа 
приміщення складає 72 м2, об’єм 252 м3. В лабораторії працює 6 робітників. Отже 
на кожну людину приходиться площа – 12 м2, а об’єму приміщення 42 м3, що 
відповідає ДБН В.2.2.28-2010.  
Роботи, що проводяться у лабораторії, належать до категорії легких робіт Iа 
з енергозатратами до 172 Дж/с. Конструкція робочого місця забезпечує 
оптимальне положення працюючого відповідно ДСТУ 8604:2015. Висота робочої 
поверхні при цьому дорівнює 735 мм. Конструкція регулюємого крісла 
працівника відповідає вимогам ДСТУ 7951:2015 та підбирається у відповідності зі 
зростом працівника. Лабораторія обладнана побутовими меблями.. 
Згідно ДСН 3.3.6.042-99, окремо для двох періодів року, визначаємо 
оптимальні і допустимі значення температури, відносної вологості та швидкості 
руху повітря для категорії важкості роботи І-а. При цьому враховуємо, що верхня 
і нижня межа діапазону допустимої температури визначаються у залежності від 
того, постійне робоче місце чи непостійне. В нашому випадку – постійне. 
Для підтримки нормальної працездатності у приміщенні підтримується 
температура у зимовий час року 21 – 22 С, а у літній 22 – 24 С, відносна 
вологість повітря 40–60 %, швидкість руху повітря не більше 0,2 м/с, що 
відповідає ДСН 3.3.6.042 - 99.  
Нормовані величини температури, відносної вологості і швидкості руху 
повітря в робочій зоні виробничого приміщення в холодний період року: 
- оптимальне значення температури 21-23°С; 
- допустиме значення температури 21-25°С; 
- оптимальне значення відносної вологості 40-60%; 
- оптимальне значення швидкості руху повітря 0,1м/с; 
- допустиме значення швидкості руху повітря ≤0,1 м/с. 
Нормовані величини температури, відносної вологості і швидкості руху 
повітря в робочій зоні виробничого приміщення в теплий період року: 
- оптимальне значення температури 23-25°С; 
- допустиме значення температури 22-28°С; 
- оптимальне значення відносної вологості 40-60%; 
- оптимальне значення швидкості руху повітря 0,1 м/с; 
- допустиме значення швидкості руху повітря 0,1-0,2 м/с. 
У холодний час року система водяного опалення компенсує втрати тепла 
через будівельні конструкції, а також нагріває проникаюче у приміщення холодне 
повітря. Система опалення відповідає ДБН В.2.5.67-2013.  
Необхідний стан повітря забезпечується за допомогою природної вентиляції 
(зміна повітря проводиться через вікна, кватирки, двері) відповідно ДБН В.2.5.67-
2013. Джерел подразнюючих чи токсичних, горючих чи вибухонебезпечних 
речовин у лабораторії немає. Повітря робочої зони відповідає вимогам ГОСТ 
12.1.005-88. 
Освітлення лабораторії виконується двома способами: природним – через 
бокові вікна чи штучним, за допомогою світлодіодних ламп. Штучне освітлення 
призначене для освітлення робочих місць у темний час доби, чи при 
недостатньому природному освітленні. У відповідності з ДБН В.2.5-28-2018 
розряд зорової роботи працівника лабораторії – середньої точності. Найменший 
розмір об’єкту роздивляння 0,5 – 1 мм. Відповідно розряд та підрозряд зорової 
праці  – В. Норма штучного освітлення Ен = 300 лк. Нормоване природне 
освітлення (КПО) ен = 1,8 %. 
Нормативний рівень природного освітлення забезпечується крізь 5 віконних 
отворів розміром 1,5 м х 1,8 м. Нормативний рівень штучного освітлення 
підтримується за допомогою 15 світильників зі світлодіодними лампами. 
Джерел наднормованих рівнів шуму в лабораторії не існує. Рівні звукового 
тиску у лабораторії не перевищують допустимі згідно ДСН 3.3.6.037-99. Джерела 
вібрації, ультразвуку, інфразвуку у лабораторії відсутні.  
При проведенні робіт з дослідження антенних решіток використовується 
різноманітна РЕА, що живиться від мережі напругою 220 В, 50 Гц. Приміщення 
лабораторії відноситься до категорії приміщень без підвищеної небезпеки 
ураження працівників електричним струмом. В лабораторії періодично 
проводиться перевірка справності електроустаткування. Одним з основних 
засобів захисту від ураження електричним струмом повинна бути система 
захисного заземлення (згідно вимогам ДСТУ Б В.2.5-82:2016). Електричні кабелі і 
дроти ізольовані, розетки і вимикачі винесені на розподільчий щиток з 
автоматичними вимикачами.  
Джерел іонізуючих випромінювань у лабораторії немає.  
У відповідності з ДСТУ Б В.1.1-36:2016 лабораторія відноситься до 
категорії В – пожежонебезпечна, тому що в ній є тверді горючі речовини і 
матеріали (папір, дерево, пластик) здатні тільки горіти, але не вибухати. 
Пожежонебезпечні зони приміщення лабораторії відносяться до класу П-IІа згідно 
ДНАОП 0.00-1.32-01. Лабораторія обладнана системою пожежної сигналізації з 
автоматичними оповісниками типа ИП-105 в кількості 8 шт. відповідно ДБН 
В.2.5.56-2014. Для гасіння пожежі в лабораторії існує порошковий вогнегасник 
ВП-5у, який знаходиться у місці вільного доступу. В лабораторії біля виходу 
знаходиться план евакуації персоналу при пожежі. Час евакуації з будинку 
становить 1,25 хв. Ширина виходу з лабораторії на східцевий майданчик 
становить 1,8 м, відповідно ДБН В.1.1.7-2016. 
За результатами аналізу умов праці в приміщенні лабораторії, можливо 
зробити висновок, що для забезпечення безпеки працюючих від ураження 
електричним струмом необхідне розробити систему захисного заземлення. 
 
 
4.2 Розрахунок системи захисного заземлення обладнання лабораторії 
 
Захисним заземленням називається навмисне електричне зєднання із 
землею металевих неструмопровідних частин, які можуть бути під напругою. 
Принцип дії захисного заземлення – зниження напруги між корпусом, який 
опинився під напругою, та землею до безпечного значення. Якщо корпус 
електрообладнання не заземлений і він опинився в контакті з фазою, то дотик до 
такого корпусу рівносильний дотику до фази. В цьому випадку струм, який 
проходить крізь людину може досягти небезпечних значень. 
Заземлювальним пристроєм називають сукупність конструктивно 
об'єднаних заземлювальних провідників та заземлювача. Заземлювач - це 
провідник або сукупність електрично з'єднаних провідників, які перебувають у 
контакті із землею, або її еквівалентом.  
Складові частини заземлювальних пристроїв (заземлювачі, заземлювальні 
провідники, головні заземлювальні шини) повинні бути вибрані і змонтовані так, 
щоб: 
- надійно і довго служити для виконання вимог до захисту від ураження 
електричним струмом; 
- протікання через них струмів, що зумовлені замиканнями на землю, та 
струмів витоку не створювали небезпеки (термічної, термомеханічної, 
електромеханічної, ураження електричним струмом); 
 - забезпечити виконання вимог до заземлювальних пристроїв 
функціонального і (або) блискавкозахисного заземлення, якщо використовується 
спільна система заземлення. У цьому випадку, насамперед, повинні бути виконані 
вимоги до захисного заземлення. 
Визначати характеристики заземлювального пристрою слід з урахуванням 
конкретних умов експлуатації (зокрема, параметрів ґрунту і сезонних змін 
питомого опору шарів землі через висихання та промерзання ґрунту, що властиві 
для найбільш несприятливих погодних умов місцевості, в якій розміщений даний 
заземлювальний пристрій). 
Якщо при виконанні заземлювального пристрою застосовуються 
провідники із різних матеріалів, треба враховувати можливість електролітичної 
корозії. 
При спорудженні заземлювального пристрою можуть бути використані: 
а) природні заземлювачі: 
- металеві і залізобетонні конструкції будинків та споруд, які 
знаходяться в контакті із землею, в тому числі залізобетонні фундаменти, які 
мають гідроізоляційні покриття, в неагресивних, слабоагресивних та 
середньоагресивних середовищах; 
- свинцеві оболонки прокладених у землі кабелів, а також інші довговічні 
металеві покриття кабелів, з яких забезпечено стікання струму замикання у 
землю; 
- інші провідні частини, які розміщені в землі і забезпечують виконання 
вимог, наприклад, обсадні труби артезіанських колодязів, свердловин, шурфів; 
б) штучні заземлювачі: 
- стержні, штаби, профіль, канати тощо; 
- металеві ґратчасті конструкції, що укладаються у фундамент будинків та 
споруд під час будівництва (фундаментні заземлювачі). 
Заземлювач може вважатись таким, що відповідає вимогам захисного 
заземлення, тільки в разі неможливості повного або часткового його демонтажу 
(навіть тимчасового) без відома персоналу, який експлуатує електроустановку. 
Залізобетонна конструкція, наприклад, фундамент будинку або споруди, 
може розглядатися як провідна частина, що придатна до виконання функцій 
заземлювача захисного заземлення, якщо виконуються такі умови: 
- принаймні близько 50% вертикальних і горизонтальних стержнів сталевої 
арматури з'єднані між собою зваркою або надійно зв'язані дротом; 
- вертикальні стержні сталевої арматури з'єднані між собою зваркою або 
надійно зв'язані дротом; 
- забезпечена електрична безперервність з'єднань сталевої арматури 
кожного блоку збірного залізобетону з арматурою суміжних блоків; 
- сталева арматура залізобетону не є попередньо напруженою. 
У разі використання залізобетонного фундаменту будинку або споруди як 
природного заземлювача рекомендується шляхом зварювання з'єднувати в єдину 
систему сталеву арматуру фундаменту і елементи суміжних будівельних 
конструкцій будинку (споруди), такі як сталеву арматуру залізобетонних колон та 
металеві колони. 
 Не можуть розглядатися як заземлювачі такі провідні частини: 
- труби опалення, гарячого і холодного водопостачання, каналізації; 
- алюмінієві оболонки і броня кабелів. 
Не допускається використовувати як заземлювачі труби горючих рідин і 
горючих або вибухонебезпечних газів та сумішей. 
Матеріал і розміри заземлювачів повинні забезпечувати стійкість 
заземлювачів до корозії і їх механічну міцність. 
Кількість заземлювачів, їх розміщення і габаритні показники повинні 
забезпечувати виконання вимог до опору заземлювального пристрою. 
Як штучні слід використовувати, як правило, заземлювачі із сталі (чорної, з 
цинковим чи мідним покриттям, нержавіючої) або міді. 
Розміри штучних заземлювачів повинні бути не меншими наведених у 
таблиці 4.1. 
Штучні заземлювачі слід застосовувати: 
-  у разі відсутності придатних для цілей заземлення природних 
заземлювачів; 
- як додаток до придатних для цілей заземлення природних заземлювачів, 
якщо останні не можуть забезпечити виконання вимоги до опору 
заземлювального пристрою, або для зниження до прийнятної величини густини 
струму, що протікає через них (наприклад, через арматуру залізобетонного 
фундаменту). 
У разі застосування штучних заземлювачів у місцях із великим питомим 
опором землі для забезпечення ефективності заземлювального пристрою можуть 
вживатися такі заходи: 
- занурення у землю вертикальних заземлювачів підвищеної довжини, якщо 
значення питомого опору нижніх шарів землі менше, ніж верхніх; 
- улаштування виносних заземлювачів, якщо поблизу електроустановки є 
місця із меншим питомим опором землі; 
- укладання у траншеї навколо горизонтальних заземлювачів, які розміщені 
у скельових структурах, вологого глинистого ґрунту з наступним трамбуванням і 
засипанням щебеню доверху траншеї; 
- застосування штучної обробки ґрунту з метою зниження його опору. 
Траншеї для горизонтальних заземлювачів повинні заповнюватися 
однорідним ґрунтом, який не містить щебеню і будівельного сміття. 
Не слід розміщувати заземлювачі в місцях, де земля підсушується під дією 
штучного нагріву, наприклад, поблизу трубопроводів теплових мереж. 
Штучні заземлювачі не слід фарбувати. 
По розташуванню заземлювачів відносно заземлених корпусів заземлення 
поділяють на виносне та контурне. 
Виносне заземлення.  Заземлювачі розташовують на деякому віддаленні від 
заземлює мого обладнання. Тому заземлені корпуса знаходяться зовні  поля 
розтікання струму на землі, і людина, яка доторкається до корпуса, попадає під 
повну напругу відносно землі. Виносне заземлення захищає тільки за рахунок 
малого опору заземлювача. 
Контурне заземлення. Заземлювачі розташовують по контуру навколо 
заземленого обладнання на невеликої відстані один від одного.  Поля розтікання 
заземлювачів накладаються, і будь-яка точка поверхні ґрунту всередині контуру 
має значний потенціал. Внаслідок цього різниця потенціалів між точками, що 
знаходяться всередині контуру, знижується. 
Опір захисного заземлення в електроустановках напругою до 1000 В і 
потужністю понад 100 кВА не повинен перевищувати 4 Ом. Ця норма обумовлена 
величиною напруги, яка виникає між корпусом заземленого устаткування та 
землею у випадку пробою ізоляції, при якій струм, що проходить через людину, 
якщо вона доторкається до устаткування, є безпечним. Такою напругою 
замикання Uз прийнято вважати напругу до 42 В. 
 
 
Таблиця 4.1  - Мінімальні розміри штучних заземлювачів 
Характеристика Мінімальні розміри 
Матеріал 
покриття Товщина 
заземлю- Тип заземлювача Діаметр, Переріз, Товщи-
поверхні покриття, 
вача мм мм2 на, мм 
заземлювача мкм 
Круглий для глибокого 
16 - - - 
занурення 
Круглий для занурення 
Сталь поблизу від поверхні 10 - - - 
Без покриття 
чорна землі 
Прямокутна штаба - 100 4 - 
Профіль - 100 4 - 
Труба 32 - 3,5 - 
Круглий для глибокого 
16 - - 70 
занурення 
Сталь з Гарячеоцинков
Круглий для занурення 
покриттям ане покриття та 
поблизу від поверхні 10 - - 50 
і нержавіюча 
землі 
нержавію- сталь без 
Прямокутна штаба - 90 3 70 
ча сталь покриття 
Профіль - 90 3 70 
Труба 25 - 2 55 
 Електролізне Круглий для глибокого 
14 - - 250 
 мідне покриття занурення 
Круглий дріт для 
занурення поблизу від - 25 - - 
поверхні землі 
Мідь Без покриття 
Прямокутна штаба - 50 2 - 
Багатодрітний канат 1,8  25 - - 
Труба 20 - 2 - 
Відповідно до ПУЕ-17 захисне заземлення належить виконувати: при 
напрузі змінного струму 380 В і вище та 440 В і вище для постійного струму — у 
всіх електроустановках; при номінальних напругах змінного струму вище 42 В та 
постійного струму вище 110 В - лише в електроустановках, що знаходяться в 
приміщеннях з підвищеною небезпекою, особливо небезпечних, а також у 
зовнішніх електроустановках; при будь-якій напрузі змінного та постійного 
струму - у вибухонебезпечних установках. 
Проведемо розрахунок системи захисного заземлення. Для визначення 
напруги дотику або кроку скористаємося наступними формулами: 
                       Uкр.гр  = Uдот.гр. = Іл.гр.Rл  = 0,045 · 1000 = 45 В                      (4.1) 
 
де  Uдот.гр. – гранична напруга дотику, В; 
      Uкр.гр.  – гранична напруга кроку, В; 
      Іл.гр. = 0,045 А – граничний струм, який протікає через людину при тривалості 
дії 0,3 сек; 
      Rл = 1000 Ом – опір людини, Ом. 
Як розрахунковий опір заземлювача в однорідному ґрунті Rз (по методу 
коефіцієнта використовування електродів) по напрузі дотику і кроку вибирають 
менше значення, одержане при розрахунку по формулах: 
 
           Rз1 = Uдот.гр. / (Iз  α1  α2) = 45 / (18  1  0,87) = 2,87 Ом ;                  (4.2) 
Rз1 = Uкр.гр. / (Iз  β1  β2) = 45 / (18  0,6  0,625) = 6,67 Ом  
 
де Iз = 18 А – розрахунковий струм замикання на землю; 
 α1, α2 – коефіцієнти напруги дотику; 
 β1, β2 - коефіцієнти напруги кроку. 
Значення α1, β1 вибираються виходячи з типу заземлювача. Задаємося як тип 
заземлювача – груповий вертикальний. Стрижньові електроди, розташовані в ряд 
і сполучені смугою. Тоді α1=1, β1=0,6. 
Коефіцієнти α2, β2 визначаються з рівнянь: 
 
                   α2 = Rл / (Rл + 1,5ρр) = 1000/(1000 + 1,5·100) = 0,87                (4.3) 
β2 = Rл / (Rл + 6ρр) = 1000 / (1000 + 6·100) = 0,625 
 
де ρр = 100 Ом·м – розрахунковий питомий опір підстави (суглинок), на якій 
стоїть людина. 
З розрахованих значень Rз вибираємо якнайменше - Rз = 2,87 Ом. 
Оскільки електроустановки  мають ізольовану нейтраль, то доцільно 
встановити виносні заземлювачі. Виносні заземлювачі складаються з 
вертикальних електродів, сполучені горизонтальними електродами. Оскільки 
будівля окремо стоячі то вони будуть розташовані на відстані близько 1 м від 
стіни будівлі. В результаті укладається горизонтальний електрод з вертикальними 
електродами. Корпуси заземлюємого устаткування приєднуватимуться до 
магістралей заземлення, прокладеної усередині будівлі, і приєднаної до 
заземлювача за допомогою заземлюючих пристроїв не менше ніж в двох місцях. 
Для розрахунку заземлювача скористаємося методом коефіцієнта 
використовування електродів. 
Визначаємо розрахунковий питомий опір землі, в якому будуть розміщені 
електроди заземлювача з урахуванням кліматичного коефіцієнта: 
 
                                ρ = ρр. · ψ = 100 · 1,5 = 150 Ом · м                           (4.4) 
 
де ψ = 1,5 – розрахунковий кліматичний коефіцієнт землі.  
З врахуванням опору природних заземлювачів Rпр = 15 Ом, розрахунковий  
опір штучного заземлювача Rз буде дорівнювати: 
 
Rз1Rпр 2,8715
                               Rз   3,55
R R 152,87  Ом                           (4.5) 
пр з1
 
Як тип вертикального електроду вибираємо стрижневий електрод круглого 
перетину в землі. 
Визначаємо опір розтіканню струму одного заземлювача по формулі: 
 
  2l 1 4tl 150  212 1 46,612
Rв  ln  ln  ln  ln 
2··l  d 2 4tl 2·3,14·12  0,016 2 46,612    (4.6) 
16,58Ом
 
де d = 0,016 м – діаметр електроду; 
       l = 12 м – довжина електроду в землі; 
       t = t0 + l/2 = 0,6 + 12/2 = 6,6 м 
Визначимо необхідну кількість вертикальних електродів по формулі: 
 
                       n = Rв / (Rз.· ηв.) = 16,58 / (3,55 · 0,68) = 6,87 шт ;                (4.7) 
 
де ηв = 0,68 – коефіцієнт використовування вертикальних електродів. 
Приймаємо найближче найбільше ціле значення n = 7 шт. 
Довжина горизонтального електроду, який використовується для зв'язку 
вертикальних електродів по контуру – L, м; визначимо по формулі: 
 
                              L = 1,05 · a · n = 1,05 · 3 · 7 = 22,05 м                         (4.8) 
 
де а = 3 м – відстань між вертикальними електродами; 
     n = 7 шт – кількість вертикальних електродів. 
Опір розтікання струму горизонтального електроду – Rг. визначаємо по 
формулі: 
 2·L
R   150 2·22,05
              г. ln  ln 15,8Ом
·L b 3,14·22,05 0,03 ,       (4.9) 
   
 
Еквівалентний опір протіканню струму штучного заземлювача визначається 
по формулі: 
 
Rв·Rг 16,58·15,8
       Rшт  2,94Ом
Rв·г.nRг·в. 16,58·0,84715,8·0,68 ,      (4.10) 
 
де ηг = 0,84 - коефіцієнт використання горизонтального електроду. 
Нерівність Rшт < Rз  повністю виконується – 2,94 Ом < 3,55 Ом.  
Розрахунок проведено правильно. Система захисного заземлення надійно 
захистить працюючих  в лабораторії від ураження електричним струмом. 
ВИСНОВКИ 
 
Характеристики антен в багатьох випадках визначають можливості і 
параметри складних радіосистем. Вони застосовуються в таких областях 
радіоелектроніки як радіолокація, радіонавігація, радіорозвідка, радіопротидії. 
Традиційні підходи до проектування радіосистем більш не є актуальними, 
оскільки спрямовані на створення пристроїв, що дозволяють здійснити тільки 
прийом і передачу електромагнітних хвиль. У сучасних умовах розвитку техніки 
антенно-фідерні пристрої повинні виконувати широке коло завдань, спрямованих 
на коректну обробку переданих і прийнятих сигналів. Багато в чому такі жорсткі 
вимоги викликані необхідність зменшення габаритних характеристик 
проектованих комплексів.  
Антенні решітки – складні радіотехнічні системи, застосування яких 
дозволяє розробляти антенні системи з необхідними масогабаритними та 
функціональними характеристиками.  
В даній бакалаврській роботі розглядаються різні конструкції антенних 
решіток. В основу створення антенних решіток з послідовним живленням 
елементів покладена ідея розташування на площині множини /2 диполів таким 
чином, щоб струми в горизонтальних диполях були б синфазні, а у вертикальних 
– протифазні. При виконанні цих умов, горизонтальні диполі будуть 
випромінювати, а вертикальні – лише забезпечувати правильне живлення 
горизонтальних.  
В роботі розглянуто два варіанти розміщення 7 горизонтальних 
напівхвильових диполів, які живляться через вертикально розташовані елементи 
антени. Діаграми спрямованості таких антен подібні одна до одної і підсилення 
антен також майже однакове і дорівнює близько 10 dBi. Практичним недоліком 
таких конструкцій є великий вхідний опір антен, що потребує додаткового 
узгодження з фідером. 
 
Окремої уваги заслуговують антена Ross Anderson і її модифікації. Автор 
цієї конструкції запропонував використовувати попередній варіант антени як 
плечі диполя з поступовим нарощуванням кількості елементів антени. Показано, 
що антена Ross Anderson з 17 (7+3+7) горизонтальних елементів характеризується 
підсиленням 15,2 dBi; а її модифікація з 13 (5+3+5) горизонтальних диполів має 
підсилення близько 14,3 dBi. Діаграми направленості таких антен за відсутності 
рефлектора є двонаправленими. Головна пелюстка ДН звужується з ростом числа 
елементів антени.  
Модифікована антена Ross Anderson з рефлектором має підсилення 20,6 
dBi, що еквівалентно підсиленню антени хвильовий канал з траверсою 13, при 
цьому розміри досліджуваної антени в кілька разів менші (4,9х2,8x0,2), а 
конструктивно вона виконується у вигляді плоскої панелі. 
Проведено аналіз умов праці, шкідливих та небезпечних факторів, які діють 
на дослідника, який працює в лабораторії та проведено розрахунок системи 
захисного заземлення обладнання лабораторії. 
 
 
Список використаної літератури 
 
1. Стенин Ю. М. Антенные и фидерные системы. Конспект лекций. Казань, 
2012. - 40 с. – Режим доступу: https://core.ac.uk/download/pdf/197367165.pdf 
2. Моделирование антенн и элементов тракта: Учебнометодическое пособие 
для выполнения курсовых и самостоятельных работ по учебным курсам 
«Устройства СВЧ и антенны» и «Антенно-фидерные устройства». / Под ред. 
Шишакова К. В. – Ижевск : ИжГТУ, 2009. – 127 с.  
3. Опис програми GAL-ANA. – Режим доступу:  http://gal-ana.de/Helpr/  
4. Гончаренко И.В. Антенны КВ и УКВ. Часть VI. УКВ антенны. - М.: ИП 
РадиоСофт, 2014.— 332 с. 
5. Решетки с последовательным питанием элементов. – Режим доступу: 
http://dl2kq.de/ant/kniga/13542.htm 
6. УКХ площинні масиви. – Режим доступу: http://dl2kq.de/mmana/4-3-66.htm  
7. Банков С. Е. Антенные решетки с последовательным питанием. — М.: 
ФИЗМАТЛИТ, 2013. — 416 с.
Репозиторій ЧДТУ
