Репозиторій ЧДТУ
Репозиторій ЧДТУ зберігає і дозволяє легкий і відкритий доступ до всіх видів цифрового контенту, включаючи текст, зображення, анімовані зображення, MPEG і набори даних
Дізнатися більше
Будь ласка, використовуйте цей ідентифікатор, щоб цитувати або посилатися на цей матеріал:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8272| Назва: | Моделювання багатодіапазонних КХ антен «подвійний квадрат» |
| Автори: | Гавриш, Олександр Степанович Тропін, Денис Андрійович |
| Ключові слова: | багатодіапазонні антени «подвійний квадрат»;смуга частот;програма mmana-gal;коефіцієнт підсилення;ксх |
| Дата публікації: | 2020 |
| Короткий огляд (реферат): | В даній роботі синтезовано 4 моделі антен «подвійний квадрат», розраховані для різної кількості діапазонів. Однодіапазонна антена працює на частоті 28,2 МГц. Дводіапазонний «подвійний квадрат» розраховано на частоти 21,05 і 28,05 МГц. Для трьохдіапазонної (14,15/21,05/28,2 МГц) антени розглянуто дві конструкції: spider («павук») і з траверсою, яка з’єднує дві площини рамок. Для збільшення функціональності трьохдіапазонної антени пропонується в її конструкцію добавити додаткові рамки на проміжні частоти 18,08 і 24,9 МГц, в результаті чого отримуємо п’ятидіапазонну антену. |
| URI (Уніфікований ідентифікатор ресурсу): | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8272 |
| Розташовується у зібраннях: | 172 Електронні комунікації та радіотехніка (Телекомунікації) |
Файли цього матеріалу:
| Файл | Опис | Розмір | Формат | |
|---|---|---|---|---|
| Б_172_ТК_Тропін_Гавриш_2020.pdf Restricted Access | 1.86 MB | Adobe PDF | Переглянути/Відкрити Запит копії |
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 2020 року
Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи
освітнього ступеня «бакалавр»
на тему: «Моделювання багатодіапазонних КХ антен «подвійний квадрат»
Виконав студент 4 курсу, групи ТК-65
Спеціальність – 172 «Телекомунікації та радіотехніка»
Освітня програма – «Телекомунікації»
Тропін Денис Андрійович
Керівник роботи Гавриш О.С.
Рецензент Лях І.М.
Черкаси 2020
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.
« » січня 2020 р.
ЗАВДАННЯ
на дипломний проект (роботу) студенту
Тропіну Денису Андрійовичу
(прізвище, ім'я, по батькові)
1. Тема проекту (роботи) Моделювання багатодіапазонних КХ антен «подвійний квадрат»
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 « » р. №
2. Строк подання студентом проекту (роботи) 10 червня 2020 р.
3. Вихідні дані до проекту (роботи) робочі частоти: 14,15 / 18,08 / 21,05 / 24,9 / 28,2 МГц,
вхідний опір – 50 Ом, КСХ < 1,5, підсилення Ga>6
4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, які потрібно розробити)______
Вступ. 1. Основні положення теорії антен та сфери їх використання 2. Використання
програми MMANA для моделювання антен 3. Моделювання багатодіапазонних антен
«подвійний квадрат» в програмі MMANA-GAL. 4. Охорона праці. Висновки. Список
використаної літератури
5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень)
1. Антена «подвійний квадрат» для діапазону 28 МГц. 2. Дводіапазонний (21/28 МГц)
«подвійний квадрат». 3. Трьохдіапазонний (14/21/28 МГц) «подвійний квадрат».
4. П’ятидіапазонний (14/18/21/24,9/28 МГц) «подвійний квадрат». 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 17 січня 2020 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 17.01.2020
2. Розробка методики проведення дослідження 10.02.2020
3. Ознайомлення з програмою MMANA-GAL і побудова
в ній тривимірних моделей антени «подвійний
квадрат» для 1, 2, 3 і 5 КХ діапазонів 10.03.2020
4 Дослідження віртуальних моделей, побудова
графічних залежностей 13.04.2020
5. Моделювання антени «подвійний квадрат» з
врахуванням впливу землі 27.04.2020
6. Розробка розділу з охорони праці 12.05.2020
7. Оформлення пояснювальної записки 18.05.2020
8. Оформлення плакатів 01.06.2020
Студент Тропін Д.А.
(підпис) (прізвище та ініціали)
Керівник проекту (роботи) Гавриш О.С.
(підпис) (прізвище та ініціали)
ЗМІСТ
Стор.
Вступ 5
1 ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ТЕОРІЇ АНТЕН ТА СФЕРИ ЇХ
ВИКОРИСТАННЯ 7
1.1 Класифікація, основні параметри та характеристики антен 7
1.2 Основні типи антен та їх особливості 10
1.2.1 Вібраторні антени 10
1.2.2 Щілинні антени 10
1.2.3 Рамкові антени 10
1.2.4 Хвилеводні й рупорні антени 10
1.2.5 Антени оптичного типу 11
1.2.6 Антени з обертовою поляризацією 11
1.2.7 Спіральні антени 12
1.2.8 Антенні решітки 12
1.2.9 Антени поверхневих хвиль 12
1.3 Аналіз конструкції та параметрів рамкових антен 13
2. ВИКОРИСТАННЯ ПРОГРАМИ MMANA ДЛЯ МОДЕЛЮВАННЯ АНТЕН
24
2.1 Історія еволюції програми MMANA 24
2.2 Функціональні можливості та обмеження програми MMANA 26
2.3 Інтерфейс програми MMANA 29
2.3.1 Закладка «Геометрія» 29
2.3.2 Закладка «Вигляд» 33
2.3.3 Закладка «Обчислення» 34
2.3.4 Вікно «Графіки» 36
2.3.5 Вікно «Правка дроту» 37
2.3.6 Вікно «Правка елементу» 38
2.3.7 Вікно «Оптимізація» 38
2.3.8 Вікно «Порівняти» 40
2.3.9 Закладка «Діаграма спрямованості» 40
3. МОДЕЛЮВАННЯ БАГАТОДІАПАЗОННИХ АНТЕН «ПОДВІЙНИЙ 44
КВАДРАТ» В ПРОГРАМІ MMANA-GAL
3.1 Принципи суміщення однодіапазонних антен 44
3.2 Однодіапазонний «подвійний квадрат» 48
3.3 Дводіапазонний (21/28 МГц) «подвійний квадрат» 54
3.4 Трьохдіапазонний (14/21/28 МГц) «подвійний квадрат» 62
3.5 П’ятидіапазонний (14/18/21/24,9/28 МГц) «подвійний квадрат» 66
4. ОХОРОНА ПРАЦІ 70
70
Висновки
Список використаної літератури
Вступ
Актуальність роботи.
Направлена KХ антена, що може обертатися, - мрія багатьох радіоаматорів.
Однак виготовити повнорозмірну антену («хвильовий канал», «подвійний
квадрат» і т. д.) багатьом радіоаматорам не під силу. Одна з причин цього - досить
обмежена площа на даху житлового будинку, який радіоаматор може
використовувати для установки антени. Ось чому в радіоаматорських журналах
достатньо часто зустрічаються описи різних варіантів малогабаритних одно- або
багатодіапазонних KХ антен. Для отримання бажаних результатів доцільно
провести попереднє дослідження антени засобами комп’ютерного моделювання,
що дасть можливість враховувати взаємний вплив елементів антени.
Антени «подвійний квадрат» є одним з найпоширеніших типів направлених
антен короткохвильового діапазону, які зручно робити багатодіапазонними, тому
їх комп’ютерне моделювання та аналіз параметрів і характеристик є актуальною
задачею.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами темами.
Тематика бакалаврської роботи зв’язана з напрямком наукових досліджень
по комп’ютерному моделюванню антен та пристроїв мікрохвильового та
оптичного діапазонів, що проводяться викладачами кафедри радіотехніки,
телекомунікаційних і робототехнічних систем Черкаського державного
технологічного університету.
Метою роботи є комп’ютерне моделювання багатодіапазонних антен
«подвійний квадрат», що включає в себе синтез тривимірних віртуальних моделей
та аналіз їх параметрів та характеристик.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:
• проаналізувати конструкції та параметри рамкових антен
короткохвильового діапазону;
• провести огляд програмних засобів моделювання дротових антен та дати
обґрунтування доцільності використання програми Mmana-Gal;
• розрахувати геометричні розміри 1, 2, 3 та 5-ти діапазонних антен
«подвійний квадрат» і синтезувати їх тривимірні моделі в середовищі
Mmana-Gal;
• побудувати та дослідити частотні залежності параметрів досліджуваних
моделей антен у вільному просторі;
• з’ясувати впливу реальної землі на параметри та характеристики
багатодіапазонних антен «подвійний квадрат» та визначити оптимальну
висоту її підвісу.
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що
синтезовані моделі є оптимальними за певними критеріями (максимум
підсилення, широка смуга частот відповідного діапазону і т.і.) і можуть бути
швидко перераховані під будь-які вимоги.
1 ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ТЕОРІЇ АНТЕН ТА СФЕРИ ЇХ
ВИКОРИСТАННЯ
1.1 Класифікація, основні параметри та характеристики антен
Антена - це пристрій, призначений для випромінювання (передавальна
антена) і прийому (приймальня антена) електромагнітних хвиль (ЕМХ). Та сама
антена може виконувати функції передавальної й приймальні (властивість
оберненості). Передавальна антена здійснює перетворення енергії
високочастотних коливань, що надходять від передавача, в ЕМХ, що
поширюються від антени в навколишній простір. Прийомна антена вловлює
енергію ЕМХ джерел випромінювання й перетворює їх в енергію
високочастотних коливань, що надходять на вхід приймача.
Антени класифікують по декількох ознаках. За призначенням антени
діляться на передавальні, приймальні й приймально-передавальні, а залежно від
області застосування - на радіолокаційні, радіозв’язкові, радіонавігаційні,
телевізійні, за діапазоном робочих частот вузькосмугові та широкосмугові.
За принципом дії й конструкції антени підрозділяють на дротові, щілинні,
акустичного типу (хвилеводні й рупорні), оптичного типу (дзеркальні, лінзові),
спіральні, поверхневих хвиль, а по геометрії випромінюючих елементів - на
лінійні антени й антени з випромінюючим розкривом (апертурою). По розподілу в
просторі випромінюваної енергії ЕМХ антени діляться на спрямовані й
ненаправлені.
Направленість випромінювання (прийому) антен дозволяє визначити
напрямок на джерела первинного або вторинного випромінювання ЕМХ
(завдання радіолокації, радіонавігації, радіоуправління); сприяє підвищенню
завадозахищеності радіо сигналу; дозволяє сконцентрувати випромінювану
енергію у вузькій області простору й при рівній потужності передавача одержати
більшу дальність дії. Антени розділяють також за способом керування
положенням діаграми направленості антени (з механічним, електромеханічним і
електричним скануванням), по місцю установки (наземні, підземні, корабельні,
літакові). Можлива класифікація антен і по інших ознаках.
До основних характеристик антен відносять:
• коефіцієнт корисної дії (ККД),
• коефіцієнт направленої дії (КНД) антени,
• коефіцієнт підсилення антени,
• рівень бічних пелюстків,
• ефективна площа антени,
• діапазон робочих частот,
• поляризаційні характеристики й ін.
ККД антени - відношення потужності сигналу, випромінюваної антеною, до
потужності сигналу, який підводиться до неї. Характеризує ефективність
перетворення антеною підведеною до неї ВЧ-енергії в енергію ЕМХ.
КНД антени D називається відношенням квадрата напруженості поля,
створюваного в даному напрямку, до середнього значення квадрата напруженості
поля в усіх напрямках. КНД є кількісним показником направленості
випромінювання (прийому) антени й характеризує ступінь концентрації енергії,
випромінюваної антеною, у даному напрямку. Зазвичай приводять величину КНД
у напрямку максимального випромінювання.
Коефіцієнт підсилення – відношення потужності на вході еталонної антени
до потужності, яка підводиться до реальної антени, за умови, що обидві антени
створюють у даному напрямку на однаковій відстані рівні значення напруженості
поля або рівні значення щільності потоку потужності.
У просторі діаграма направленості антени по потужності представляє собою
об'ємну фігуру, обмежену замкнутою поверхнею, з рівнозначним радіус-вектором
кожної точки. У загальному випадку ця поверхня представляє собою кілька
об'ємних пелюсток. Пелюстка, у межах якої випромінювання максимальне,
називається головною, пелюстка, протилежна головній, - заднєю, а інші пелюстки
називаються бічними. Зобразити просторову ДНА відносно складно, тому частіше
будують її перетини якими-небудь площинами. Для цих цілей часто
використовуються дві взаємно перпендикулярні площини, лінії перетину яких
збігаються з максимумом головного пелюстка ДНА. Плоскі ДНА зображуються в
полярній або прямокутній системі координат.
Шириною ДНА називають кут, утворений двома променями, у межах якого
коефіцієнт підсилення антени не менше деякого значення. Часто цей рівень
вибирається рівним 0,5. Величину побічного (не основного, паразитного)
випромінювання оцінюють відносним рівнем бічних пелюсток відносно головної
пелюстки й виражають у відсотках або децибелах.
Ефективна площа антени - відношення максимальної потужності, що може
бути віддана без врахування втрат до узгодженого навантаження, до щільності
потужності падаючої хвилі. Ефективна площа менше або дорівнює геометричній
площі розкриву. Її величина визначається амплітудно-фазовим розподілом поля в
розкриві антени й напрямком ЕМХ, що падають на антену.
Поляризація антени визначається поляризацією випромінюваних
(прийнятих) ЕМХ. По виду поляризації антени діляться на антени з лінійною й
обертовою (еліптичною, круговою) поляризацією. Для оцінки ефективності
прийому ЕМХ використовується коефіцієнт поляризаційної ефективності.
Діапазон антени визначається смугою, обмеженою максимальною й
мінімальною частотами. Їхню різницю називають смугою пропускання. Для
широкодіапазонної антени використовується характеристика коефіцієнт
перекриття.
Будь-яка антена складається з первинних і вторинних випромінювачів.
Первинним випромінювачем називається елемент антени, пов'язаний з лінією
передачі. Випромінюючий елемент, не пов'язаний з нею й збуджений полем
первинного випромінювача, називається вторинним.
1.2 Основні типи антен та їх особливості
1.2.1 Вібраторні антени. На практиці широко використовуються антени, що
складаються із прямолінійних провідників. У цих антен відсутнє випромінювання
уздовж осі проведення, поляризація лінійна, ДНА симетрична. Розподіл струму
уздовж такого провідника можна вважати синусоїдальним.
Такі випромінювачі називаються вібраторами. Вони мають добре виражені
резонансні властивості. Залежно від способу збудження й розподілу струму
уздовж провідника ці антени діляться на симетричні й несиметричні. Широке
застосування знайшов лінійний симетричний вібратор із симетричним відносно
клем живленням. ДНА такого вібратора у площині вісі вібратора має вигляд
вісімки, а в площині, перпендикулярній осі вібратора, - вид кола. Недоліком
вібраторної антени є наявність у неї двонаправленого прийому, що не дозволяє
однозначно визначати напрямок на джерело випромінювання. Використовується
як елементи більше складних антен, самостійно – в радіо зв'язку, навігації.
1.2.2 Щілинні антени. В УКХ діапазоні часто застосовуються щілинні
антени (ЩА), що представляють собою одну або кілька вузьких щілин,
прорізаних у струмонесучій поверхні хвилеводу. Щілини повинні перетинати лінії
струмів провідності. Одиночна вібраторна антена є слабонаправленою. Для
підвищення спрямованості застосовують багатовібраційні антени, що
складаються з декількох вібраторів, розташованих певним чином у просторі.
1.2.3 Рамкові антени. Рамковою антеною називається один або декілька
послідовно з'єднаних витків провідників. Для простоти форму рамки можна
вважати квадратною й розглядати як антену, що складається із двох послідовно
включених вібраторів.
1.2.4 Хвилеводні й рупорні антени. Найпростішою антеною з відкритим
випромінювачем є хвилеводна антена, що представляє собою відкритий кінець
хвилеводу. Розкрив (апертуру) антени можна розглядати як випромінюючу
поверхню з безперервним розподілом випромінювачів. Хвилеводні антени мають
широку ДНА й погано узгоджені із зовнішнім простором. Більше вузьку ДНА має
рупорна антена, виконана у вигляді хвилеводу з поперечним перетином, що
плавно розширюється, убік відкритого кінця.
1.2.5 Антени оптичного типу. У діапазоні НВЧ застосовуються дзеркальні
й лінзові антени. Дзеркальною антеною (Дз.А) називається антена, у якій
формування ДН здійснюється в результаті відбиття ЕМХ первинного джерела
(випромінювача) від відбивача (дзеркала). У якості випромінювача Дз.А може
використовуватися напівхвильовий вібратор або рупор. Випромінювач
установлюється у фокусі дзеркала й випромінює сферичні ЕМХ. Дзеркало
виготовляється з металевих листів або сіток. Дз.А знаходять застосування в
радіолокації, радіозв'язку, радіоуправлінні в діапазоні НВЧ. Лінзові антени
застосовуються в діапазоні НВЧ для створення вузьких ДНА. Лінзова антена
складається з первинного випромінювача й радіолінзи. Радіолінза представляє
собою прозоре для ЕМХ обмежене двома поверхнями тіло, показник заломлення
якого відрізняється від показника заломлення середовища. За допомогою
радіолінзи сферичний фронт ЕМХ випромінювача перетворюється в плоский. За
принципом дії радіолінзи подібні до оптичних лінз. Як випромінювач часто
використовуються рупори, які розміщуються у фокусі.
Керування положенням головного пелюстка здійснюється переважно
переміщенням випромінювача у фокальній площині. На практиці широко
використовується радіолінза Люнеберга. Вона має форму кулі, показник
переломлення якої плавно убуває від центра до його поверхні за законом, який
забезпечує формування потрібної ДНА.
1.2.6 Антени з обертовою поляризацією. Поле з обертовою поляризацією
можна розглядати як результат додавання двох ЕМХ які поширюються в одному
напрямку з лінійною поляризацією зі зміщенням по фазі на 90°, площини
поляризації яких перпендикулярні одна інший. Таке поле може бути створене за
допомогою двох напівхвильових вібраторів, вісі яких перпендикулярні, а струми
відрізняються по фазі на 90°. Як антени із обертовою поляризацією можуть
використовуватися хрестоподібні щілинні антени, а також антени, побудовані на
основі хвилевідних і рупорних антен.
1.2.7 Спіральні антени. Широке застосування одержали спіральні антени.
Спіральна антена складається зі спіралі, що живиться звичайно з кінця
коаксіальної лінії, і відбивача. Спіральні антени застосовуються в діапазоні
дециметрових і метрових хвиль як самостійно, так і як збуджувачів рупорних,
дзеркальних і лінзових антен.
1.2.8 Антенні решітки. Якщо випромінювачі встановлюються уздовж лінії
або у вузлах решіток, то такі антени називають антенними решітками (АР).
Існують лінійні, плоскі й об'ємні АР. При синфазному живленні вібраторів
максимум головної пелюстки ДНА перпендикулярний площині решіток.
До достоїнств антенних решіток відноситься: швидке сканування ДНА по
заданій програмі, зміна форми ДН, можливість збільшення потужності
випромінювання, одержання багатопелюсткових ДНА.
Для реалізації можливостей антенних решіток необхідне керування
амплітудно-фазовим розподілом сигналів окремих випромінювачів. Антенні
решітки, у яких керування положенням головної пелюстки здійснюється зміною
фази сигналу кожного випромінювача, називаються фазованими антенними
решітками. Для зміни фази сигналу кожного випромінювача в його тракт
включається фазообертач. У таких фазованих антенних решіток має місце фазове
сканування ДНА.
Якщо зміна фази сигналу у випромінювачі здійснюється зміною частоти
генератора, то в цьому випадку говорять про частотне сканування ДНА.
1.2.9 Антени поверхневих хвиль. На границі розділу двох середовищ
можуть поширюватися так звані поверхневі (уповільнені) хвилі. Якщо система,
що сповільнює, має нескінченну довжину або погоджена з навантаженням, то
хвиля поширюється без випромінювання. На кінці системи, що сповільнює, без
навантаження відбувається випромінювання ЕМХ. Така система, що сповільнює,
називається антеною поверхневих хвиль. Антена поверхневих хвиль у загальному
випадку складається зі збуджувача (рупора, чвертьхвильового вібратора),
направлювача (діелектричної пластини або ребристої структури) і металевої
пластини. Такі антени використовуються в діапазонах ДЦХ, СМХ, ММХ.
1.3 Аналіз конструкції та параметрів рамкових антен
Розглянемо рамкову антену з периметром більше 0,4 довжини хвилі [1].
Перша рамкова антена з периметром, рівним довжині хвилі, була побудована в
1942 році групою американських інженерів, серед яких був і радіоаматор -
W9LZХ - для мексиканської місіонерської радіостанції HCJB. Саме завдяки
аматорському радіо антена широко поширилася в усьому світі крім СРСР, на
жаль, з причин, про які говорити зараз недоречно і пізно. Так вийшло, що країна,
яка мала гарних теоретиків і практиків по антенах і займала передові позиції в
багатьох питаннях теорії і практиці антен, ніби “не помітила” новий клас антен,
що народився під час другої світової війни. Практично у всій спеціальній
літературі відсутні відомості про рамкові петльові антени. Не було опубліковано і
робіт з досить чітким теоретичним і практичним матеріалом про них. Із-за цього
навіть фахівці в області антен в нашій країні часто не можуть знайти спільну мову
при розмові про рамкові антени.
Незважаючи на це радіоаматори використовують рамки, часто отримуючи
при цьому чудові результати. В цій роботі “рамка” буде означати рамкову антену
з периметром більше 0,4 довжини хвилі, незалежно від її конфігурації - квадрат,
коло чи дельта.
Часто непорозуміння виникають саме з-за того, що багато хто не уявляють
чітко, до якого класу антен належить рамкова антена. Насправді рамкова антена є
подальшим розвитком петльового диполя. Класичний петльовий диполь (рис.1.1)
має опір випромінювання, приблизно рівний 300 Ом.
Рисунок1.1 – Конструкція петльового диполя
Смуга пропускання петльового диполя ширше, ніж у звичайного диполя в
кілька разів. Це безперечна перевага петльового диполя над звичайним, в той же
час головний недолік – високий вхідний опір. Але якщо “розтягнути” петлевий
диполь, то отримаємо класичну рамкову антену-квадрат (рис.1.2).
Рисунок 1.2 – Конструкція рамкової антени
Рамкова антена охоплює більший простір, ніж петльовий диполь, в
результаті цього вона має коефіцієнт підсилення більше, ніж коефіцієнт
підсилення простого і петльового диполя. Рамкова антена, як і петльовий диполь,
симетрична антена, тому для правильного її живлення необхідно використовувати
симетруючий пристрій. Рамкова антена, як і всі дипольні антени, не потребує
“землі”. Так як рамка охоплює більший простір, ніж петльовий диполь, то вхідний
опір його нижче і становить близько 120 Ом.
Розглянемо кілька типів рамкових антен, розташованих вертикально у
вільному просторі (рис.1.3).
Рисунок 1.3 – Типи рамкових антен
У цьому випадку їх діаграма направленості в горизонтальній площині
практично збігається з діаграмою направленості диполя, хоча і у вертикальній
площині буде приблизно в два рази вужча, ніж у нього. За рахунок того, що
частина антени розташована вертикально, рамка випромінює досить великий
рівень вертикально поляризованої хвилі. Діаграма направленості рамкової антени
у вертикальній площині - овал, причому з невеликими максимумами,
спрямованими до протилежних вертикальних сторонах. Цим пояснюється те, що
іноді краще чують, коли рамка спрямована паралельно осі кореспондента, тобто
по мінімуму горизонтально поляризованого випромінювання на нього. У цьому
випадку QSO (сеанс зв’язку між двома станціями) проходить на вертикально
поляризованій хвилі, яка до того ж часто має більш пологий кут випромінювання,
особливо у випадку малих висот підвісу рамкової антени.
В табл.1.1 наведено значення вхідного опору рамок різної конфігурації і їх
коефіцієнт підсилення щодо диполя. Ці дані отримані теоретично, тому на
практиці можливі випадки розходження практично одержаних результатів.
Таблиця 1.1
Типові параметри рамкових антен
Підсилення відносно Опір Рівень
Вид рамки ізотропного випромінювача, випромінення, вертикальної
dBi Ом складової, dB
квадрат 3,14 117 -3,01
коло 3,49 133 -3,74
Ромб 3,14 117 -2,7
дельта 2,82 106 -2,09
З цієї таблиці видно, що рамкова антена будь-якої конфігурації має
коефіцієнт посилення вище, ніж у диполя. Найбільший рівень вертикальної
складової має антена у формі дельти - це й зрозуміло, тому що у неї найбільша
довжина вертикальної частини антени. Найбільше підсилення має кругла рамка,
бо саме коло охоплює найбільшу простір. Тут видно фізику роботи - чим більший
простір охоплює антена відповідно - коло, квадрат, трикутник - тим вище
пісилення, забезпечуване нею. Найбільший вхідний опір - у круглої антени, і
найменший - у дельти. Ця величина також пов'язана з коефіцієнтом підсилення
антени. Коефіцієнт корисної дії рамкової антени трохи вище ККД диполя і
реально легко досяжний значення в 90% і більше.
Все це відносилося до вертикальних рамок, розташованим у вільному
просторі. Але вже при підвісі нижньої частини рамки на висоту не менше чверті
довжини хвилі, можна вважати таку рамку ідеальною і дані, наведені тут,
правильні для неї.
Але іноді можна зустріти описи рамкових антен, що мають нетрадиційну
конфігурацію з метою кращого узгодження антени з фідером. Наприклад [1],
рамкова антена, що зображена на рис.1.4, має вхідний опір близьке до 60 Ом, що
дає можливість живити її безпосередньо коаксіальним кабелем одного з двох
номіналів - 75 або 50 Ом. Але в рамковій антені коефіцієнт підсилення і її вхідний
опір пов'язані прямо пропорційно - чим вищий вхідний опір рамки, тим вищий її
коефіцієнт підсилення.
Рисунок 1.4 – Рамкова антена з вхідним опором 60 Ом
Для рамки, наведеної на рис.1.4, коефіцієнт підсилення складає всього 1 дБ
порівняно з диполем. Це менше, ніж для рамки, що має класичні форми (табл.1.1).
Але, звичайно, при виготовленні рамок на низькочастотні діапазони і при
наявності невисоких опор для установки антени, дані про такі типи рамок можуть
бути вельми корисними.
Оскільки, рамка є видом петльового диполя, то можна припустити, що, так
як вона містить повну довжину петльового диполя, її периметр дорівнює
периметру петльового диполя. Довжина плеча петльового диполя трохи менша
чверті довжини хвилі із-за впливу кінцевої ємності, і дорівнює приблизно 0,248l -
0,249l (рис.1.5), в залежності від діаметру дроту, з якого виконаний диполь.
Рисунок 1.5 – Довжина плечей петльового диполя
В рамковій антені вплив кінцевих ємностей відсутній (за відсутності кінців).
Тут спостерігається ефект зменшення фізичної довжини рамки із-за взаємодії
випромінювальних сторін. У цьому випадку, при використанні форми квадрата,
довжина рамки дорівнює 1,01 - 1,02 довжини хвилі (рис.1.6).
Рисунок 1.6 – Довжина плечей рамкової антени
При використанні іншої фігури побудови рамки загальна довжина її буде
такою ж. Але якщо рамка розміщена на малій висоті, і біля неї знаходяться
сторонні предмети, то, можливо, доведеться підібрати довжину рамки. У будь-
якому випадку її довжину необхідно трохи зменшувати. Рамку в цьому випадку
також налаштовують по мінімуму КСХ в середині робочого діапазону. В табл.1.2
наведено розміри рамкових антен для всіх аматорських КХ діапазонів. При
побудові рамкових антен діаметр дроту не впливає на її довжину, як це
відбувається в дипольних антенах. Тут більше виражено те, що при збільшенні
діаметру дроту зростає широкосмуговість антени. Вже при діаметрі дроту 1-2 мм
рамкова антена, виконана з нього, перекриває будь аматорський діапазон від 1,8
до 144 МГц, і подальше збільшення діаметра дроту її полотна призводить тільки
до збільшення ваги і механічної міцності антени і лише трохи збільшує її ККД.
Звичайно, у разі використання товстого дроту можна підходити до проблеми
узгодження менш ретельно, менше буде проявлятися і вплив сторонніх предметів
на рамку.
Таблиця 1.2
Розміри рамкових антен для аматорських КХ діапазонів
Діапазон,м 160 80 40 30 20 17 15 12 11 10
Частота, МГц 1,89 3,6 7,05 10,12 14,2 18,1 21,2 24,9 27 28,5
Довжина рамки, м 162 84,6 43,2 30 21,4 16,8 14,36 12,2 11,3 10,7
Саме через використання різних діаметрів дроту, висот підвісу і форми
рамки відбуваються розбіжності в даних про параметри рамки, що наводяться
різними радіоаматорами - вхідному опору, а, отже, і живленню та узгодженню,
робочому діапазону частот і підсиленню рамки. Але оптимум буде при круглій
рамці з периметром 1,01-1,02 довжини хвилі, підвішеній вертикально на висоту не
нижче чверті довжини хвилі.
При побудові рамкової антени важливо знати, що точка, що лежить
навпроти точок живлення (рис.1.7) має нульовий потенціал. Це може бути дуже
корисно при побудові рамкових антен - наприклад, можна заземлити полотно
антени на щоглу або на траверсу (рис.1.7). Таке заземлення значно убезпечить
роботу в передгрозовий період, а також прибере електростатичний потенціал з
антени, та й просто може бути зручним при її побудові. Якщо заземлення центру
полотна антени зроблено, її необхідно живити тільки через симетруючий
пристрій. Живлення її без симетруючого пристрою може знизити коефіцієнт
підсилення на 0,5-1,5 дБ, особливо це відноситься до рамок, виконаних на
низькочастотні діапазони, де різні розсиметруючі впливи найбільш великі.
Рисунок 1.7 – Точки живлення і заземлення рамкових антен
Формула для розрахунку периметра рамкової антени має вид
L= 300 К/F (1.1)
де L - довжина рамки в метрах; F - частота в МГц; K - коефіцієнт подовження,
який дорівнює приблизно 1,01 у разі використання товстого дроту 3 мм і більше і
1,02 у разі використання дроту діаметром менш 2-1 мм.
Правильне живлення будь-якої антени є необхідним для її ефективної
роботи. У разі використання рамкової антени слід пам'ятати, що це симетрична
антена, і, отже, вона вимагає використання симетруючого пристрою для її
живлення. Без симетруючого пристрою можливо розсиметрування, тобто буде
наводка перевідбитої від різних предметів електромагнітної хвилі на зовнішню
оболонку коаксіального кабелю, потім потрапляння цієї перевідбитої енергії в
антену (рис.1.8).
В цьому випадку струми, наведені на зовнішній оболонці, потрапляючи в
антену, складаються з струмами, що збуджуються передавачем, що призведе до
збільшення КСХ і виникнення додаткових завад, тому що в цьому випадку і
оболонка кабелю буде випромінювати. Цей ефект призведе до того, що під час
прийому коаксіальний кабель буде володіти “антеним” ефектом, тобто енергія
радіохвиль, наведена на зовнішній оболонці, потрапляє на вхід приймача.
Рисунок 1.8 – Механізм виникнення наводок на рамковій антені
Найпростіший симетруючий пристрій - це 2 (на 28 МГц) - 10 (на 1,8 МГц)
витків коаксіалу на досить великому феритовому кільці (проникність не грає
ролі), наприклад, від відхиляючої системи телевізорів (рис.1.9).
Рисунок 1.9 – Симетруючий пристрій для рамкової антени
В цьому випадку цей ВЧ дросель не пропустить ВЧ енергію, наведену на
зовнішній оболонці коаксіалу в антену і назад, що рівносильно симетруванню. На
струми, що протікають всередині оболонки коаксіального кабелю, дросель не
матиме впливу. Особливо балансний пристрій ефективний, якщо з якихось
причин кабель виявився налаштованим в резонанс на основну частоту антени, або
на частоти її непарних резонансів, або резонансів гармонік передавача. В цьому
випадку його паразитне випромінювання особливо велике.
Слід також враховувати, що вхідний опір хвильовий рамки досягає 110-130
Ом. У випадку низьких горизонтальних підвісів він падає і може досягати навіть
величин менше 50 Ом, але рамки, призначені для роботи на ВЧ діапазонах з
вертикальним підвісом, все ж мають високий вхідний опір. Очевидний спосіб
узгодження в цьому випадку - це використання чвертьхвильового трансформатора
(рис.1.10).
Рисунок 1.10 – Узгодження рамкової антени за допомогою
чвертьхвильового трансформатора
У разі використання 75-омного кабелю для чвертьхвильового
трансформатора (не будемо забувати про коефіцієнт укорочення 0,66-0,68, в
залежності від типу пластикової ізоляції кабелю) і 50-омного кабелю для лінії
передачі отримаємо дуже гарне узгодження рамкової антени. Довжина кабелю,
яка використана для симетруючого пристрою, також включається в довжину
чвертьхвильового трансформатора.
Іноді хороші результати дає живлення рамки через симетричну пару-
скрутку, використовувану у провідній телефонії. Її хвильовий опір лежить в
межах 60-130 Ом і дуже добре підходить для живлення рамки. Хвильовий опір
скрутки можна визначити практично, якщо є прилади, що вимірюють
індуктивність і ємність. Для цього шматок скрутки, байдуже якої довжини (але
краще 2-3 метри), підключається до вимірювального приладу. Спочатку її кінець
розмикають і міряють ємність, потім замикають і міряють індуктивність.
Часто використовують гамма-узгодження (рис.1.11,а). Фізично гамма-
узгодження означає підключення кабелю до частини антени, що має для струмів
високої частоти опір, еквівалентний хвильовому опору кабелю (рис.1.11,б). На
практиці, частину А роблять мінімально можливої висоти, оскільки вона зменшує
випромінювання антени, а частина В проходить паралельно до антени.
а) б)
Рисунок 1.11 – Гамма-узгодження рамкової антени:
а) еквівалентна схема; б) фізична реалізація
Розрахунок гамма-узгодження нескладний. Висота В некритична і
дорівнює:
B = (0,2-0,4)l /10 (1.2)
де B - висота в сантиметрах, l - довжина хвилі в метрах.
Наприклад, для 40-метрового діапазону B = (2 - 4) 40/10 = (8 – 16) см,
Довжина Д дорівнює:
Д = 3 l (1.3)
де Д - довжина в сантиметрах, l - довжина в метрах.
Наприклад, для 40 метрів Д =3 40 = 120 см.
Величина максимальної ємності підлаштування конденсатора визначається
за формулою:
С = 5 l (1.4)
де С - ємність конденсатора в пФ, l - довжина хвилі в метрах.
Наприклад, для 40 метрового діапазону С = 5 40 = 200 пФ.
Слід зауважити, що це емпіричні формули, тобто отримані дослідним
шляхом, і звернути увагу, що вони оперують з величинами довжин в різних
масштабах. На практиці, довжину узгоджуючого пристрою вибирають дещо
довшою за отриману розрахунковим шляхом. Це дає можливість узгоджувати
живлення рамки конденсатором, що покращує її КСХ. В іншому ж випадку
узгодження рамки необхідно було б здійснювати перемичкою П, оскільки вхідний
опір, який буде мати реальна рамка, не завжди точно дорівнює її теоретичному
значенню. Використання гамма-узгодження дозволяє використовувати суцільні
металеві рамки, що підвищує їх міцність і дає деякі зручності установки, особливо
при роботі на УКХ.
У будь-якому випадку при використанні симетруючих пристроїв з
коаксіальним кабелем або при живленні через симетричні лінії, лінія передачі
повинна бути перпендикулярна точках живлення рамки так довго, як це можливо.
2. ВИКОРИСТАННЯ ПРОГРАМИ MMANA
ДЛЯ МОДЕЛЮВАННЯ АНТЕН
2.1 Історія еволюції програми MMANA
Однією з перших програм моделювання антен була програма ELNEC
(движок MININEC3), розроблена в кінці 80-х років. Вона дозволяла описати
довільну комбінацію проводів, хоча і сегментів всього 120, і сервісу немає, і
похибки.
Пізніше з'явилася програма EZNEC (движок NEC2) версій 1 і 2, яка і
вважалась точніше, але в сенсі інтерфейсу і зручностей (вірніше, незручності)
користування була братом ELNEC. Що, втім, і не дивно, програми були написані
одним автором W7EL.
Наступна програма NEC4WIN (на MININEC3) мала хороший інтерфейс,
300 сегментів і автоматичну оптимізацію. Але всі ті ж недоліки: введення
проводів цифрами, проблеми на тих же важких завданнях (гострі кути, малі
відстані, короткі дроти, і.т.д.).
Подальша модифікація EZNEC3 (NEC2) мала непоганий інтерфейс, але
знову були відсутні зручності: ряди цифр у таблиці проводів треба було набивати
руками. Сегментів - 500, замало. Оптимізації не було. Доводилося налаштовувати
антену вручну (знайти в десятках цифр потрібні, змінити їх, прорахувати, знову
вручну змінити і так багато разів).
На початку 2000-х років було розроблено програму MMANA (движок
MININEC3), а недолік у неї лише один: вона на японському. Її автор, Macoto Mori,
JE3HHT (MMANA = Macoto Mori ANtenna Analyzer). На прохання до Maco про
випуск англійської MMANA він відповів, що займатися MMANA йому неохота і
подальшим розвитком програми займався Гончаренко І.В. [2]. Maco не тільки не
захотів перекладати програму, але й віддав Гончаренку вихідні коди програми,
що дало можливість не тільки перекласти, але і розвивати програму.
У 2001 р. на сайті журналу "Радіо" викладена перша російська MMANA.
Влітку 2001 Nobuyuki Oba, JA7UDE запропонував спільно (він - хелп, Гончаренко
- софт) довести "до розуму" англійську MMANA. Nobuyuki розповів, що в
оригіналі MMANA був діалект японського, і не міг зрозуміти як вдалося з нього
стільки перевести. Було розроблено англійську версію MMANA і розміщено її на
MM Hamsoft.
В кінці 2002 р. спільно з Олександром Шевельовим DL1PBD, Eike Barthels
DM3ML, Heinz Coenen, DF1EZ було розроблено німецьку MMANA.
У 2004 р. вихідні коди були передані Олександру Шевельову DL1PBD, який
провів колосальну роботу по випуску версії 2.01. Незважаючи на те, що інтерфейс
програми не дуже змінився, всередині вона перероблена майже повністю. Проект
переписаний під Bilder С++ 6.0. Він удосконалив код MININEC3, що дозволило
помітно прискорити розрахунки. Додано безліч нових функцій, програма стала
багатомовною.
Випуск подальших версій також здійснювався зусиллями Шевельова,
DL1PBD. Глибокі зміни в коді (він майже повністю переписаний) призвели до
того, що в травні 2006 року назва програми змінилося: MMANA-GAL (GAL -
сумарна англійська абревіатура імен Гончаренка Ігоря та Олександра Шевельова).
У 2011 році випущена фінальна MMANA-GAL basic версії 3.0 після чого
було прийнято рішення більш нею не займатися. Однак продовжується розвиток,
супровід і підтримка професійної версії MMANA-GAL pro.
Але основна увага приділяється роботі над програмою моделювання нового
покоління GAL-ANA (движки MININEC3, NEC2 і NEC4).
2.2 Функціональні можливості та обмеження програми MMANA
В даній роботі буде використовуватися версія MMANA-GAL [3], яку для
простоти будемо називати просто MMANA. Вона дозволяє комфортно готувати
дані для розрахунків в модифікованому MININEC3 і аналізувати отриманий
результат. Основні параметри професійної (платної) та базової (безкоштовної)
версій MMANA наведені в табл.2.1. Для створення моделі антени і виведення
результатів в MMANA можна використовувати як текстовий, так і графічний
режими. Окрім підготовки-обробки даних MININEC3, MMANA включає безліч
додаткових функцій, що полегшують життя проектувальнику антен.
Таблиця 2.1
Можливості програми MMANA
Параметри PRO версія базова версія
Сегменти (макс.) до 32000 (при 16 ГБ ОЗУ) 8192
Дроти (макс.) 3000 512
Джерела (макс.) 200 64
Навантаження (макс.) 300 100
Об'єднувані файли до 4 ні
Відкат назад і вперед необмежено ні
Автоперевірка моделі так ні
Швидкість обчислень 150% 100%
Природно, що MMANA успадкувала обмеження MININEC3, головним з
яких є те, що при розрахунку вхідного опору і параметрів ближнього поля не
враховуються втрати в землі. Це приводить до погрішності при розрахунках
опору Za і підсилення Ga горизонтальних антен, підвішених нижче за 0,16l і
вертикалів з противагами, піднятими на висотах від 0,005l до 0,05l. MININEC3 у
цих випадках дає погрішність тим більшу, чим сильніше відрізняються параметри
землі від ідеальних. Тому якщо ваш випадок потрапляє під вказані обмеження, то
слід рахувати модель в програмі, що використовує NEC2, наприклад GAL-ANA.
При розрахунку діаграми спрямованості вплив параметрів реальної землі в
MININEC3 завжди враховується коректно.
Оскільки розрахунки є універсальними, для будь-якого розташування
дротів, то базуватися вони можуть тільки на найбільш загальних формулах.
Власне, на них вони і базуються: у основі обчислень лежить система рівнянь
Максвела. Проте для чисельних методів зручніше перетворити цю систему в так
зване інтегральне рівняння електричного поля (Electric-field integral equation
(EIFE)). По суті, це та ж сама система рівнянь Максвела, але виражена в більш
відповідному для обчислень вигляді. EIFE дозволяє обчислювати напруженість
випромінюваного поля в залежності від розподілу струму в антені.
Дві властивості EIFE роблять його незамінним для розрахунку антен:
• EIFE дозволяє вирішувати задачі випромінювання і розсіяння в
необмеженій області (межа якої знаходиться в нескінченності). Іншими
словами: можна розраховувати випромінюючу антену;
• EIFE може бути вирішене чисельними методами, зокрема методом
моментов.
Як початкові результати EIFE вимагає розподіл струмів в антені. Для
обчислення цього розподілу всі дроти антени розбиваються на сегменти, в
кожному з яких обчислюється як власний (від джерела) струм, так і наведений від
кожного з решти сегментів.
Зрозуміло, що якщо ми розбили антену на n сегментів, то при обчисленні
розподілу струмів утворюється квадратна матриця із стороною n (для кожного з n
сегментів розраховуємо n струмів: один свій і всі наведені). Тому час її
розрахунку і необхідна для цього пам'ять ростуть пропорційно квадрату числа
сегментів.
Основні погрішності моделювання пов'язані саме з розбиттям антени на
сегменти (сегментацією). Тобто від кількості сегментів і способу розбиття. Струм
в кожному сегменті вважається таким, що лінійно змінюється. Якщо ця умова в
антені не виконується, то розрахований розподіл струмів буде невірним, а, отже,
розраховане на основі цього розподілу, поле антени, тобто її характеристики.
Порушення вищезгаданої умови може відбуватися, наприклад, якщо:
• довжина сегменту більше 0,1 . На такому довгому сегменті лінійна
апроксимація струму вже помітно відрізняється від реально існуючого
синусоїдального розподілу. Ця помилка називається недостатньою
щільністю сегментації;
• у тих ділянках антени, де струм проходить через нуль (пучності напруги) на
синусоїдальному розподілі реальне місце в межах одного сегменту може не
співпасти з обчисленим на основі лінійної апроксимації струму в сегменті.
Тому на кінцях антени і в ділянках передбачуваних пучностей напруги
довжини сегментів треба зменшувати (змінна щільність сегментації).
2.3 Інтерфейс програми MMANA
Інтерфейс програми MMANA складається з чотирьох закладок:
• Геометрія;
• Вид;
• Обчислення;
• Діаграма направленості.
Перші два закладки призначенні для синтезу антени, решта – для її аналізу.
Розглянемо більш детально призначення і можливості кожної з закладок.
2.3.1 Закладка «Геометрія». Закладка «Геометрія» (рис.2.1) містить три
таблиці, що служать для вводу і редагування дротів, джерел і навантажень. Крім
того на ній розташовані елементи що дозволяють налаштувати параметри
сегментації і встановити основну частоту.
Рисунок 2.1 – Закладка «Геометрія»
Таблиця дротів розташована у верхній частині вікна і має 8 колонок. Перші
шість (X1, Y1, Z1, X2, Y2, Z2) описують декартові координати початку і кінця
дроту. Сьома колонка R описує радіус дроту, відповідно до табл.2.2.
Остання, колонка Seg описує спосіб сегментації (ділення даного дроту на
сегменти для методу моментів) відповідно до табл.2.3.
Таблиця 2.2
Опис радіусу дроту антени
Число в колонці R Опис
Позитивне Радіус дроту в міліметрах
0 Ізолятор. Дріт не враховується в розрахунках
Негативне число Комбінований (такий, що складається з декількох, різного
фізичного радіусу) дріт, опис якого можна знайти у вікні
для установок комбінованого дроту або з вікна з таблицею
розмірів комбінованого дроту. Обидва вікна можна
викликати із спливаючого меню, а вікно «Установки
комбінованого дроту» - з головного меню «Правка»
Існують обмеження методу моментів по сегментації і розташуванню дротів.
1. Дріт. Мінімальна довжина сегменту повинна бути менше ніж:
• 0,1l;
• мінімальна відстань між сусідніми дротами;
• мінімальна висота дроту над землею;
• довжина найкоротшого дроту.
Довжина сегменту повинна бути більше, ніж діаметр дроту. Максимальний
радіус не повинен перевищувати 1%l для високої точності розрахунку. Розумні
результати можуть бути отримані до радіусу в 3%l.
2. Точка з'єднання різних дротів.
Відношення довжини сегментів в дротах, що сполучаються, повинне бути
менше двох. Практично завжди якнайкращим виходом є однаковий спосіб
сегментації для всіх дротів антени. Відношення радіусів дротів, що створюють
перехід, повинно бути менше 10.
3. Близько розташовані дроти.
Неможливо розраховувати структури, в яких один дріт частково
знаходиться усередині іншого (коаксіальні, екрановані).
Таблиця 2.3
Опис сегментації дротів антени
Число в колонці
Опис
Seg
Позитивне Бажане число сегментів. Це режим ручного розбиття. Не
рекомендується до використання.
0 Автоматичне розбиття дроту на сегменти однакової довжини,
рівної l/DM2. Рекомендується до використання тільки тоді,
коли небажано використовувати негативні значення Seg
через малу довжину сегменту на краях.
-1 Автоматична сегментація із змінною довжиною сегменту.
Встановлена за умовчанням. Рекомендується до
використання в більшості випадків.
У центрі дроту довжина сегменту максимальна і складає
l/(DM2·EC).
До обох країв дроту довжина сегменту убуває до l/(DM1·EC).
Множник SC (1<SC<3) показує звідки починається
ущільнення сегментів від середини до країв.
-2 Майже те ж саме, що і Seg=-1, але довжина сегментів
зменшується від початку до кінця дроту.
-3 Те ж саме, що і Seg=-2, але довжина сегментів зменшується
від кінця до початку дроту.
Два позитивних Те ж саме, що і Seg=-1, але в якості DM1 і DM2
числа через кому використовуються два введені числа
Деякі з приведених вище помилок MMANA можна або скоректувати
автоматично, або вивести застережливе повідомлення. Проте не варто сильно на
це сподіватися: основа правильного опису антени не автоматична корекція
MMANА, а розуміння обмежень методу моментів.
В таблиці 2.4 описано як описуються параметри джерел напруги.
Таблиця навантажень 2.5 служить для завдання RLC елементів включених в
дроти антени.
Таблиця 2.4
Параметри джерел живлення
Параметр Опис
Puls Місце розташування джерела. Описується так:
- Перша буква повинна бути w (ire).
- Наступна за нею цифра означає номер дроту в який включене
джерело.
- Буква після номера дроту позначає місце включення джерела в
дріт:
b(ottom) - початок дроту;
с(еnter) - середина дроту;
e(nd) - кінець дроту.
- наступна цифра (не обов'язковий елемент) показує кількість
сегментів, на яку зміщена точка включення джерела.
Phase deg. Фаза напруги джерела в градусах. Необхідність в зрушенні фази
живлячої напруги виникає при проектуванні антен з активним
живленням.
Volt. V Напруга джерела живлення у вольтах.
Таблиця 2.5
Параметри навантажень
Параметр Опис
LC У таблицю заноситься значення індуктивності або ємності і
добротність (0 - означає нескінченну добротність)
R+jX Комплексний опір навантаження. Послідовний еквівалент
S Навантаження задається за допомогою коефіцієнтів полінома
Лапласа (A – чисельник, В – знаменник)
Кількість використовуваних колонок залежить від способу опису
навантаження. Колонка Pulse служить для опису місця включення навантаження,
яке описується так само, як для джерел. У колонці Type описується тип
навантаження: LC, R+jX, S.
Для вибору типу навантаження слід ввести в перший стовпець Pulse місце
розташування навантаження, натиснути Enter, а потім клацнути лівою кнопкою
миші в колонці Type і вибрати бажаний тип із спливаючого меню.
Навантаження можна включати-відключати відзначаючи віконце
«Включити навантаження». Для включення джерел і навантажень краще всього
створювати окремий короткий дріт.
2.3.2 Закладка «Вигляд». Закладка «Вигляд» (рис.2.2) служить для
виведення зображення антени і струмів. Останні виводяться тільки в тому
випадку, якщо антена була прорахована.
Зображення антени можна обертати рухаючи мишею з натиснутою лівою
кнопкою по полю із зображенням. Для переміщення антени слід додатково
натиснути клавішу Shift (або Ctrl) клавіатури.
Рисунок 2.2 – Закладка «Вигляд»
Виділити один з дротів антени можна за допомогою клацання мишею або за
допомогою кнопок вгору/вниз в меню «Вибір дроту». Вибраний дріт
зображується потовщеною лінією, а в правому нижньому кутку з'являється
напівпрозора таблиця з описом координат дроту в декартових і полярних
координатах.
Движок «Масштаб» служить для зміни розміру зображення моделі антени і
струмів, а движок «Масштаб струмів» для зміни масштабу зображення струмів.
Віконця:
• Струм – вмикає-вимикає зображення струмів.
• Сегменти – вмикає-вимикає показ розбиття дротів на сегменти.
• Товсті лінії – подвоює товщину ліній антени.
Елементи «Обертати довкола»:
• «середини антени» масштабує антену під розмір екрану і поміщає середню
точку антени в середину зображення. Центром обертання стає середина
антени.
• «X=0, Y=0, Z=H» переміщає центр зображення в початку координат, який
стає і центром обертання антени.
• «вибраного дроту» переміщає центр зображення в середину заздалегідь
вибраного лівим кликом дроту, яка стає і центром обертання антени.
За допомогою кнопки «Зберегти рис.» викликається діалог збереження
зображення (формати *.jpg або *.bmp).
За допомогою подвійного клацання на полі зображення можна викликати
вікно з описом дроту. За допомогою правої кнопки миші викликається спливаюче
меню з додатковими функціями. Для включення джерел і навантажень краще
всього створювати окремий короткий дріт.
2.3.3 Закладка «Обчислення». Закладка «Обчислення» (рис.2.3) служить
для запуску розрахунків і виклику вікон оптимізації, графіків і редакторів дроту і
елементів. На цій сторінці можна встановлювати частоту для поточного
розрахунку, параметри землі і матеріал дротів (матеріал можна вибирати з
декількох попередньо встановлених або вибравши тип користувача описати
параметри свого матеріалу).
Рисунок 2.3 – Закладка «Обчислення»
Результат останнього обчислення виводиться у верхньому рядку таблиці і
дублюється в полі правого верхнього кута вікна. У разі моделі з декількома
джерелами в таблиці виводиться Za тільки для першого джерела. Опори Za для
решти джерел – в полі правого верхнього кута.
Поле «Висота» показує цифру, яка буде автоматично додана до всіх
координат Z антени. Зміною цієї цифри зручно оперативно рухати антену по
висоті. Проте, якщо ви проектуєте антену, що торкається землі, то сума
координати Z кінця дроту, що торкається землі, і цифри в полі «Висота» повинні
бути рівні 0.
Віконце «Земля» дозволяє вибрати тип землі, а також при виборі реальної
землі задати і подивитися її профіль, як набір з декількох ділянок з різними
характеристиками-висотами. Для первинного вивчення антени рекомендується
вибирати або «Вільний простір» або «Ідеальну землю». І лише розібравшись з
роботою самої антени переходити до «Реальної землі» і вивчати вплив землі на
антену. Розуміння антени відразу над реальною землею – це непросте завдання,
особливо для недосвідченого користувача.
Слід враховувати, що використовуваний в MMANA модифікований
MININEC-3 розраховує вхідний опір і ближнє (реактивне) поле без урахування
втрат в реальній землі (тобто вважаючи землю ідеально провідної). Втрати в землі
враховуються тільки при розрахунку діаграми спрямованості моделі.
Радіус ближньої зони складає близько 0,16l. Тому, якщо над реальною
землею розраховуються: або горизонтальна антена що містить хоч б один дріт
нижче за 0,16l, або вертикал з противагами, підведеними на висотах від 0,005l до
0,05l, то точніші результати по Za і Ga дають обчислення на ядрі NEC2.
MININEC3 у цих випадках дає погрішність тим більшу, чим сильніше
відрізняються параметри землі від ідеальних.
2.3.4 Вікно «Графіки». Виводиться натисненням кнопки «Графіки» (рис.2.4).
Для першого аналізу досить натиснути кнопку «по 2 точках» – графік буде
побудований грубо, тільки по двох точках. Решта його частина буде побудована
екстраполяцією - припущеннями як же цей графік повинен на її думку йти далі
(точність таких припущень досить висока, але звичайно не абсолютна).
Рисунок 2.4 – Вікно «Графіки»
При натисненні кнопки «Вся сітка» - прораховується кожен крок сітки, а при
натисненні «Дод. точки», прораховуються декілька додаткових точок між кроками
сітки. Кнопка «Пошук резонансу» призначена для автоматичного пошуку
резонансної частоти антени.
У закладці «Z» показані графіки R(f) і jX(f). Можна включити (у
спливаючому підменю) на цьому графіку пристрій, що погоджує, і подивитися, як
змінитися графік.
Закладка «КСВ» виводить графік КСХ (коефіцієнту стоячої хвилі).
Закладка «ДН» виводить різними кольорами діаграми спрямованості антени
для кроків сітки, а також табличку зміни основних параметрів. Якщо ДН на
якихось частотах вам не потрібні, їх можна вимкнути, клацнувши в рядку
відповідної частоти, в стовпці On.
Закладка «Установки» задає центральну частоту графіків (за умовчанням
рівна вказаною в закладці «Обчислення»), смугу графіків, а також вмикає-
вимикає «СУ» (узгоджуючий пристрій) на графіках. Крім того, тут задається
число додаткових точок розрахунку графіків.
2.3.5 Вікно «Правка дроту». Вікно правки дротів (рис.2.5) служить для
редагування дротів антени в графічному режимі. Модель антени можна
проглядати і змінювати в об'ємному вигляді або в одній з 3 площин. У верхній
правій частині виводиться інформація про вибраний дріт.
Для зручності на двомірних площинах виводиться сітка, крок якої може
визначатися автоматично або встановлюватися в ручну. Слід звернути увагу на те,
що довжина редагованих або знов створених дротів кратна кроку сітки.
Меню «Показ» встановлює що саме слід показати: всю антену, елемент,
дріт якого виділений чи ж всі дроти, що лежать в одній площині з виділеним
дротом. На тривимірному зображенні можливо тільки з'єднання виділеного дроту
з кінцями інших дротів. На двомірних графіках можливо вводити нові дроти і
рамки. Із спливаючого меню можна викликати додаткові функції редагування
дротів.
Рисунок 2.5 – Вікно «Правка дроту»
2.3.6 Вікно «Правка елементу». У вікні «Правка елементу» об'єктом
правки служить не окремий дріт, а елемент - декілька сполучених між собою
електрично дротів. Наприклад, одна рамка або один з диполів багатоелементної
антени. Дуже зручно для введення і редагування параметрів багатоелементних
антен в інтуїтивно ясній формі. Просто указуються розміри кожного елементу і
відстані між ними.
Змінити форму елементу, можна командою «Змінити форму елементу»
спливаючого меню, в додатковому меню якої є набір форм елементів, що
найбільш часто зустрічаються в радіолюбительській практиці.
Вибравши закладку «Вигляд», можна оперативно подивитися на антену
після перетворення форми елементу, або правок в таблиці закладки «Параметри».
Інтерфейс і команди цього вікна практично співпадають з головною закладкою
Вигляд.
2.3.7 Вікно «Оптимізація». Програма MMANA дозволяє оптимізувати
антену по різних критеріях і параметрах (рис.2.6).
Критерії задаються сімома движками. Положення движка визначає
важливість (питому вагу) даного параметра для вас. Крайнє ліве положення
движка - параметр для Вас зовсім не важливий, крайнє праве - максимально
важливий. Призначення движків F/B, Підсилення, КСХ очевидно. Інші:
• Верт. кут – максимально низький вертикальний кут випромінювання.
• jX – мінімальна реактивна частина вхідного опору антени.
• Узгодження - оптимальне узгодження під спеціально заданий імпеданс.
• Струм - мінімум або максимум струму в заданій точці.
Що саме міняти в антені, для отримання заданих вище критеріїв,
описується в таблиці «Змінні параметри». Подвійним кликом в стовпці «Тип»
викликається меню, з якого вибирається тип параметра оптимізації. А подвійний
клік в стовпці «Що» викликає меню установки що саме в даному параметрі ви
хочете дозволити міняти.
Рисунок 2.6 – Вікно «Оптимізація»
Рядків в таблиці може бути стільки, скільки параметрів ви маєте намір
міняти. Наприклад, можна вписати декілька рядків «Елемент», в кожній з них
встановивши свої параметри (Інтервал, Позиція, Ширина, і т.д.). І/або вписати
декілька рядків «Дріт», в кожній з них встановивши зміну одного параметра
(наприклад, в першій - X2, у другій - Y2, у третій - R, і т.д.). Тут слід бути
уважним, щоб помилково не задати зміну неіснуючих або взаємовиключних
параметрів, інакше процес оптимізації не почнеться.
Порядок рядків в таблиці має значення: спочатку йде оптимізація по
параметру, описаному в першому рядку, потім в другому, і т.д. - потім процес
циклічно повторюється. Якщо оптимум єдиний (що рідкісне), то при будь-якому
порядку рядків вийде одне і теж. А якщо ж ні (як правило), залежно від порядку
рядків результати оптимізації будуть різними.
Спочатку, поки не освоїте добре оптимізацію, не описуйте більше одного
(максимум двох) рядків в цій таблиці! Багатофакторна оптимізація процес дуже
складний, що вимагає осмислення і без навику отримати добрі результати дуже
важко. Не можна сказати комп'ютеру: «Міняй все що захочеш, мені неважливо
що, але створи хорошу антену!» - це непосильне завдання для машини.
Оптимізація, на відміну від звичайних обчислень параметрів антени, – процес що
не має однозначного результату. Одна і та ж мета може досягатися різними
шляхами, в антенах все зі всім зв'язано. У змінах характеристик антени, як
правило, є безліч локальних мінімумів-максимумів, за які "чіпляється" процес
оптимізації. Тому окрім комп'ютера потрібна ще і наявність думаючої людської
голови.
2.3.8 Вікно «Порівняти». Вікно «Порівняти» дозволяє об'єктивно
порівнювати різні антени. Якщо ви потрапляєте в нього після розрахунку своєї
антени (закладка «Обчислення» – кнопка «Пуск»), то побачите ДН і
характеристики своєї антени. Кнопкою «Відкрити» *.mab файл можна викликати
ДН і характеристики іншої антени (наперед збережені в *.mab файлі і побачити їх
накладеними один на одного.
2.3.9 Закладка «Діаграма спрямованості». На цій закладці (рис.2.8)
виводиться діаграми спрямованості. За умовчанням горизонтальна діаграма
виводиться для зенітного кута, відповідного максимальному підсиленню. Змінити
зенітний кут побудови горизонтальної ДН можна натиснувши кнопку «Зенітний
кут».
Рисунок 2.7 – Вікно «Порівняти»
Рисунок 2.8 – Закладка «Діаграма направленості»
ДН у вертикальній площині будується для азимутного кута 00 (тобто уздовж
осі Х). Змінити цей кут можна обертанням антени навколо осі Z, викликавши
вікно для обертання з меню «Правка – Обертання».
На обох ДН можна викликати (лівим кликом) вимірювальний вектор,
переміщуваний по ДН. Дані по підсиленню для поточного кута виводяться
посередині вгорі. Відключається вектор правим кликом. Вектор не виводиться в
режимі V+H і після оптимізації.
По двомірній діаграмі буває дуже важко визначити спрямованість антени і
це може привести до невірного уявлення про характеристики антени. Тому
введена можливість проглядання 3Д (тривимірного зображення) діаграми
спрямованості), для виклику вікна з тривимірним зображенням діаграми
спрямованості слід натиснути кнопку «ЗД ДН».
Вікно виводу тривимірної діаграми спрямованості викликається за
допомогою кнопки «3Д ДН» тієї, що знаходиться на закладці «Діаграма
спрямованості» головного вікна (рис.2.9). Зображення можна обертати і
переміщати аналогічно закладці «Вигляд».
Рисунок 2.9 – Вікно «Тривимірна діаграма направленості»
Для полегшення розуміння, окрім самої тривимірної ДН виводиться також і
схемне зображення самої антени. На панелі розташованими внизу є елементи
управління виведенням зображення. Панель V, H, Total служить для вибору
складової електромагнітного поля, для якої будується 3D зображення.
Масштаб зображення міняється движком Zoom. Є можливість виділити
кольором одну з плоских ДН спрямованості для певного кута (зенітного або
азимутного). Для цього треба перебирати цифри в правому нижньому меню
вибору (при переборі послідовно виділяються всі азимутні ДН, потім зенітні). При
відміченому віконці «Все» діаграма для вибраного кута виділяється на тлі
тривимірної діаграми, а якщо віконце не відмічене, то виводиться тільки вибрана
діаграма.
У спливаючому меню можна:
• встановити інший крок сітки ( ДН за умовчанням встановлене 3 градуси по
вертикалі і 6 градусів по горизонталі)
• змінити кольори зображення;
• повернути тривимірну ДН в центр вікна (якщо при переміщеннях мишею ви
її дуже сильно повернули-сдвинули)
• задати положення і розміри, а також вімкнути-вимкнути зображення самої
антени.
Слід враховувати, що розрахунок тривимірного зображення ДН вимагає
часу і для моделей антен з великим числом сегментів цей час може бути значним.
3. МОДЕЛЮВАННЯ БАГАТОДІАПАЗОННИХ АНТЕН «ПОДВІЙНИЙ
КВАДРАТ» В ПРОГРАМІ MMANA-GAL
3.1 Принципи суміщення однодіапазонних антен
Місця під антенне поле ніколи не вистачає, оскільки для успішної роботи у
всіх діапазонах 1,8... 30 МГц потрібно кілька антен [4, с.173]. Природно виникає
бажання використовувати одну антенну систему в максимально широкій смузі
частот. Якщо мова йде про безперервне перекриття, то вибору немає - тільки
надширокосмугові антени [4, с.22-26]. Але набагато частіше на КХ потрібна
робота в декількох відносно вузьких діапазонах, наприклад, в аматорських або
радіомовних. Безперервне перекриття антени по частоті в таких випадках не
потрібне і навіть шкідливе - приймач перевантажується потужними
позадіапазонними сигналами, полегшується випромінювання паразитних
складових сигналу передавача.
У даній роботі розглянемо антени, які працюють в декількох вузьких
аматорських діапазонах. Існує думка, що багатодіапазонні антена завжди гірше
однодіапазонних. Це вірно лише частково. З одного боку, грамотно виконана і
узгоджена багатодіапазонна антена може бути не тільки не гірше, але навіть і
краще (по Ga , наприклад) однодіапазонних. З іншого боку, якщо припустити
невеликі погіршення в підсиленні та узгодженні, то нерідко вдається отримати від
тієї ж антени кілька додаткових діапазонів (і часто так роблять).
Універсального рецепта багатодіапазонності не існує. Кожне рішення має
свої переваги і недоліки. В роботі [5, с.134-136] зазначено: «не слід ставитися до
антени, що має комплексний вхідний імпеданс Za = Ra + jXa , що відрізняється від
Z0 , як до поганої, компромісної, «інвалідної». А до антени, що має Za = Z0 , як до
єдино правильної. Ефективність антени як випромінювача електромагнітних
хвиль залежить від її розмірів, розподілу струму, висоти підвісу, посилення, ККД.
Але від вхідного імпедансу ефективність антени не залежить. Вірніше на Za
згадані причини впливають, звичайно. Але зворотній залежності немає -
ефективна антена, що добре випромінює, в принципі, може мати який завгодно
вхідний імпеданс.
Основна функція антени: випромінити - прийняти електромагнітну хвилю. І
зробити це з потрібними нам діаграмою направленості (ДН) і коефіцієнтом
підсилення Ga . А те, що деякі (50, 75, 300, 450, 600 Ом) значення опору ми
вважаємо «правильними» (причому лише з тієї причини, що з цими опорами
випускаються лінії передачі) антена і знати не знає. Для неї «правильним» є
комплексно-спряжений з Za комплексний вихідний опір генератора (активні і
реактивні частини рівні, а реактивні частини протилежні за знаком), який (в
суворій відповідності з Za ) теж може бути яким завгодно. А те, що генератор у
нас внизу, а до антени підключена якась лінія (або узгоджуючий пристрій) антену
не турбує. Не це її основна справа».
Отже, якщо антена має в усіх необхідних діапазонах задовільні ДН і Ga , то
хороший тюнер в точці живлення перетворить її в багатодіапазонну. Це означає,
що майже будь-яка з антен (диполь, вертикал, рамка) може працювати як
багатодіапазонна.
Нижній (по частоті) робочий діапазон визначає розмір антени. Ми не
можемо використовувати занадто коротку (на нижньому діапазоні) антену, бо
впаде Ga і смуга. Розумні наступні межі: ширина 0,35 для диполя, периметр
0,9 для рамкових антен і висота 0,18 для вертикальних. Значить, якщо
планується нижній діапазон 3,5 МГц, то диполь повинен бути не коротше 29 м,
периметр рамки не менше 73 м, а вертикал не нижче 14,5 м. Верхній робочий
діапазон визначає прийнятність діаграми направленості.
Необхідність отримати роботу в декількох діапазонах для направлених
антен стоїть гостріше, ніж для простих. Справа в тому, що крім усього згаданого,
для направленої антени потрібно механічно міцна щогла з поворотним пристроєм
(ротором), здатна нести нагорі велику і важку направлену антену. Щогла і ротор –
речі вельми недешеві. Не використовувати їх у декількох діапазонах – дуже
марнотратно. Тому більшість обертових направлених КХ антен роблять
багатодіапазонними. А це набагато важче, ніж зробити багатодіапазонними
просту, слабонаправлену антену, в якій треба забезпечити лише узгодження.
А в направленій багатодіапазонній антені, крім узгодження вібратора, треба
ще забезпечити правильний (потрібний для однонаправленої ДН) розподіл
струмів по елементах в кожному з діапазонів. А для цього грамотно вибрати
число, розташування і спосіб виконання цих елементів. І не забути врахувати їх
взаємний вплив. Завдання це складне, тому проектування направлених
багатодіапазонних антен справедливо вважається одним з найважчих антенних
завдань.
Найпростіше рішення щодо створення багатодіапазонних направлених
систем напрошується саме собою: візьмемо кілька однодіапазонних направлених
антен і сумістимо їх. Якщо це плоскі конструкції (на кшталт Уда-Ягі), то на одній
траверсі. Якщо витягнуті по висоті (рамкові, наприклад), то в одному
конструктивному обсязі. Рішення хороше. Більше того, більшість направлених
багатодіапазонних КХ антен виконується саме як кілька суміщених
однодіапазонних. Однак простота такого підходу удавана. При суміщенні
виявляється чимало підводних каменів. Основна складність проектування
суміщених багатодіапазонних направлених антен у впливі на працюючі на даному
діапазоні елементи пасивних елементів інших діапазонів.
Прикинемо, що вийде, якщо всередину першої добре налаштованої
однодіапазонної направленої антени ми додамо другу направлену антену іншого
діапазону. Вірніше, це ми вважаємо, що додаємо антену. А перша антена
«побачить », що в її ближню зону додали якісь дроти (елементи другого антени). І
вона стане наводити в них струми точно так само, як і в своїх «рідних» рефлекторі
і директорах. Поле першої антени не може розібратися де «свої» пасивні
елементи, а де «чужі» (від другої антени). Єдиним критерієм відмінності є
резонансні частоти елементів. Чим далі за частотою друга антена від першої, тим
менші струми наведе в її елементах поле першої антени. Але нульовими ці струми
не будуть ніколи. І вони спотворять початковий збалансований струморозподіл
першої антени. Навіть невеликі зміни точного розподілу струмів погіршують
F / B . Щоб повернути струморозподіл до правильного (тобто отримати гарне
співвідношення F / B ) в кожному з діапазонів потрібно нове проектування кожної
з окремих антен. З урахуванням впливу струмів, наведених в елементах всіх
інших діапазонів. Робота ця складна (доводиться пробігати кілька кіл: поправили
одну антену з урахуванням впливу другої - подивилися другу з урахуванням
першої - вийшло недобре - поправили другу - повернулися до першої, а вона
поміняла частоту - і т.д.) і далеко не завжди гарантує отримання прийнятних
результатів. Тому використання чисельного комп'ютерного моделювання
частково спрощує вирішення поставленого завдання.
Принципово неможливо отримати хороші результати, просто взявши 2-3
хороші однодіапазонні направлені антени і поєднавши їх в одному обсязі.
Необхідно нове проектування кожної з діапазонних антен, з врахуванням впливу
всіх елементів інших діапазонів. І так для кожного діапазону, і повторювати ці
цикли налаштування всіх діапазонів по кілька разів.
3.2 Однодіапазонний «подвійний квадрат»
Розглянемо етапи побудови віртуальної моделі найпростішої
однодіапазонної антени «подвійний квадрат» в середовищі Mmana-Gal.
Результати, отриманні при її аналізі, будемо використовувати для порівняння з
результатами моделювання більш складних антен.
Конструктивно антена представляє собою дві рамки, розташовані поруч,
одна з яких є активним елементом, що випромінює, а інша – пасивним. Показано
[6, с.200-202], що пасивний елемент використовується як рефлектор.
Розглянемо антену, що працює на частоті 28,2 МГц. Тоді довжина хвилі
обчислюється за формулою
C
=
f
де C = 3 108 м/с швидкість світла в вакуумі.
3108
Маємо = =10,64 м.
28,2 106
Периметр вібратора отримується трохи менший ніж одиночна рамка ( -
1,03 в залежності від діаметра проводу) [6, с. 203], а периметр рефлектора – на
2-4% більше, тобто 1,02-1,06 . Не обов’язково розраховувати геометричні
розміри в метрах, оскільки в Mmana-Gal є можливість задавати їх в довжинах
хвилі . Відстань між рамками вибирається в межах 0,13-0,16 . На рис.3.1
наведено геометричні розміри антени в абсолютних і умовних одиницях.
Позначення джерела залежить від номеру дроту в який воно включено і від
місця його розташування в дроті. Оскільки центральний провідник, до якого
підключається джерело має 7-й номер, а місцем включення є середина дроту, то
джерело позначається w7с (рис.3.1).
Після побудови геометричної моделі антени можна подивитися результати
у вкладці «Вигляд» і наочно впевнитись в правильності побудови віртуальної
моделі. При цьому є можливість обертати модель в просторі і самостійно обирати
зручну для огляду проекцію. На рис.3.2 представлена тривимірна модель антени
«подвійний квадрат», що є оптимальною для частоти 28,2 МГц.
а)
б)
Рисунок 3.1 – Геометричні розміри «подвійного квадрат» в метрах (а) і лямбдах
(б)
Рисунок 3.2 – Загальний вид антени «подвійний квадрат» для діапазону 28 МГц
Розглянемо основні параметри побудованої антени. Для зручності
порівняння результатів в закладці «Обчислення» відмічаємо опцію «Вільний
простір», а впевнившись в правильності розрахунків, можна буде додатково
вивчати вплив землі на антену. Як матеріал вибираємо мідний дріт. Запускаємо
програму на обчислення параметрів спроектованої антени, після чого стає
активною кнопка «Графіки». На рис.3.3 наведено вікно графіків на закладці «Z»,
де представлена залежність вхідного імпедансу (опору) антени від частоти.
Графіки побудовані у припущені, що між антеною і фідером включається
узгоджуючий пристрій. Вхідний імпеданс антени характеризується дійсною
(нижня лінія) і уявною (верхня лінія) складовими. Резонансна частота антени
виявилась дещо вищою за розрахункову і складає 28,3 МГц.
Рисунок 3.3 – Частотні залежності вхідного імпедансу
антени «подвійний квадрат» в діапазоні 28 МГц
На наступній закладці (рис.3.4) представлена залежність величини КСХ від
частоти. Смуга частот модельованої антени складає 315 кГц, в якій КСХ < 1,5.
Рисунок 3.4 – Частотна залежність коефіцієнта стоячої хвилі
На третій закладці вікна «Графіки» можна розглянути як змінюються
підсилення Ga і відношення F/ B в заданій смузі частот (рис.3.5).
Рисунок 3.5 – Залежності підсилення Ga і відношення F / B від частоти
Підсилення антени Ga (верхня крива) становить 7,6-7,8 dBi, що вказує на
направлені властивості «подвійного квадрату» порівняно з ізотропною антеною.
Відношення випромінення «вперед/назад» F/ B (нижня крива) з ростом частоти
збільшується приблизно з 4 до 9 дБ.
Рисунок 3.6 – Діаграма направленості «подвійного квадрату» у вільному просторі
Рисунок 3.7 – Тривимірна діаграма направленості «подвійного квадрату»
Для більш детального вивчення властивостей діаграми направленості
переходимо в окрему закладку «Діаграма направленості» (рис.3.6). Для більш
повного уявлення про характер діаграми направленості побудуємо тривимірний
графік (рис.3.7).
Підводячи короткі підсумки імітаційного моделювання одно діапазонного
«подвійного квадрату» у вільному просторі відмітимо такі особливості:
1) смуга пропуску по рівню КСХ 1,5 становить 315 кГц;
2) коефіцієнт підсилення антени Ga становить 7,81 dBi;
3) відношення випромінення «вперед/назад» F/ B складає 6,56 дБ.
4) діаграма направленості «подвійного квадрату» є типовою для направлених
антен.
3.3 Дводіапазонний (21/28 МГц) «подвійний квадрат»
Розглянемо найпоширенішу багатодіапазонну направлену антену –
«подвійний квадрат» з окремими лініями живлення для кожного діапазону.
«Подвійний квадрат» дуже зручна антена для поєднання декількох
діапазонів. Адже в ньому немає директорів, дуже чутливих до наявності поруч
паразитних елементів. А до паразитних елементів, розташованим лівіше вібратора
(тобто у бік рефлектора) будь-яка багатодіапазонна антена реагує слабо.
Найпростіший двохдіапазонний (21/28 МГц) «подвійний квадрат»
показаний на рис.3.8. Основні геометричні розміри антени наведені в табл.3.1.
Таблиця 3.1
Геометричні розміри дводіапазонної антени «подвійний квадрат»
Параметр Значення, м Значення,
Сторона квадрата рефлектора на діапазон 21 МГц 3,76 0,264
Сторона квадрата рефлектора на діапазон 28 МГц 2,84 0,267
Сторона квадрата вібратора на діапазон 21 МГц 3,56 0,25
Сторона квадрата вібратора на діапазон 28 МГц 2,62 0,246
Відстань між рамками рефлекторів (вібраторів) 0,36 -
Відстань між «зовнішніми» рамками квадратів 2,82 0,198
діапазону 21 МГц
Відстань між «внутрішніми» рамками квадратів 2,1 0,197
діапазон 28 МГц
Розглянемо розподіл струмів антени при роботі на діапазоні 28 МГц
(рис.3.9). Розберемося з взаємними впливами в цій антені. Квадрати діапазону 21
МГц збуджуються слабо, причому трохи збуджується лише вібратор на 21 МГц, а
в рефлекторі на 21 МГц струм практично відсутній.
При аналізі інших параметрів антени слід відмітити розширення більш ніж
вдвічі робочої смуги частот, яка по рівню КСХ<1,5 складає 685 кГц (рис.3.11).
Фізично це обумовлено додатковою затіняючею дією рефлектора (21 МГц) на 28
МГц.
Рисунок 3.8 – Загальний вид дводіапазонної (21/28 МГц)
антени «подвійний квадрат»
Рисунок 3.9 – Розподіл струмів на елементах антени при роботі на 28 МГц
З рисунків 3.11 та 3.12 видно, що підсилення антени не змінюється, а
направленні властивості – покращуються, що виражається як в формі діаграми
направленості так і в значенні відношення F/ B .
Рисунок 3.10 – Частотні залежності вхідного імпедансу дводіапазонної
антени (21/28 МГц) «подвійний квадрат» при роботі на 28 МГц
Рисунок 3.11 – Частотна залежність КСХ дводіапазонної (21/28 МГц)
антени «подвійний квадрат» при роботі на 28 МГц
Рисунок 3.12 – Частотна залежність підсилення Ga і відношення F/ B
дводіапазонної (21/28 МГц) антени «подвійний квадрат» при роботі на 28 МГц
Рисунок 3.13 – Діаграма направленості дводіапазонної (21/28 МГц) антени
«подвійний квадрат» при роботі на 28 МГц
Розглянемо роботу антени на частоті 21 МГц. Для цього в моделі необхідно
поміняти розташування джерела живлення, прописавши у відповідній строчці
w7c. Картина розподілу струмів антени при роботі в діапазоні 21 МГц зворотна
ситуації збудження на 28 МГц (рис.3.14). Квадрати іншого діапазону (в данному
випадку 28 МГц) також збуджуються слабо, але сильніше збуджується рефлектор
(28 МГц), а в рамці вібратора (28 МГц) струм практично не наводиться.
Рисунок 3.14 – Розподіл струмів на елементах антени при роботі на 21 МГц
В результаті аналізу впливу додаткових рамок в багатодіапазонному
«подвійному квадраті» можна зробити висновок про незначний вплив одна на
одну антен різних частотних діапазонів. В роботі [7, с.227] відмічається вплив НЧ
антени на ВЧ, що проявляється зниженням опору антени, але це абсолютно
несуттєво при живленні окремими кабелям. Узгоджуючі пристрої, включені в
кожну з ліній, трансформують будь-який опір до 50 Ом.
Для повноти аналізу розглянемо вплив земної поверхні на параметри
антени. Це питання є достатньо цікавим, оскільки оптимальна відстань підвісу
антени над землею пропорційна довжині хвилі, а при використанні
багатодіапазонної антени оптимальна відстань для різних діапазонів очевидно
також буде різною.
Виберемо в меню програми Mmana-Gal реальну землю для якої визначимо
параметри: діелектрична проникність =13 , питома провідність = 5 мСм/м.
Висоту підвісу рамочної антени будемо рахувати від її геометричного центру
(траверси), а не від нижньої сторони [6, с.205]. Розглянемо почергово три відстані
висоти підвісу антени 5, 10 і 15 метрів, які приблизно кратні довжинам хвиль
={10,64 м; 14,25 м} діапазонів 28 і 21 МГц відповідно.
а)
б)
Рисунок 3.15 – Діаграма направленості і параметри дводіапазонної антени при
висоті підвісу 5 метрів на частоті 21 МГц (а) і 28 МГц (б)
а)
б)
Рисунок 3.16 – Діаграма направленості і параметри дводіапазонної антени при
висоті підвісу 10 метрів на частоті 21 МГц (а) і 28 МГц (б)
З аналізу рисунків 3.14-3.16 видно, що при фіксованій висоті підвісу антени
якість її параметрів для різних частот практично не змінюється. Зі збільшенням
висоти підвісу антени покращується її підсилення Ga і відношення випромінення
«вперед/назад» F / B , проте погіршується форма діаграми направленості, що
виражається у існуванні декількох максимумів випромінення під різними кутами.
Порівняно з вільним простором підсилення антени збільшується на 4-6 dBi,
що фізично обумовлено синфазним додаванням поля антени і поля, що відбилося
від землі.
а)
б)
Рисунок 3.17 – Діаграма направленості і параметри дводіапазонної антени при
висоті підвісу 15 метрів на частоті 21 МГц (а) і 28 МГц (б)
Підводячи підсумки даного параграфу відмітимо той факт, що ускладнення
конструкції антени «подвійний квадрат» внаслідок об’єднання рамок для різних
частотних діапазонів практично не впливає на якісні характеристики антени.
Можна відмітити розширення смуги пропуску по рівню КСХ 1,5, яка становить
585 кГц, і сталість підсилення антени Ga порівняно з одночастотним варіантом
антени.
3.4 Трьохдіапазонний (14/21/28 МГц) «подвійний квадрат»
Додамо до конструкції, розглянутої в п.3.3, подвійну рамку на частоту 14
МГц. Механічна конструкція «подвійного квадрату» відносно складна. До кутів
антени з її геометричного центру розходяться вісім діелектричних розпорок
(бамбук, склопластик и т.і.). Центральний елемент конструкції в українськомовній
літературі називається «їжак», а в англомовній – «spider» (павук). Це дає змогу
отримати жорстку конструкцію, стійку до сильних вітрів. Крім того, така
конструкція дозволяє автоматично витримувати потрібну відстань для кожного з
діапазонів. Для цього достатньо розвісити відповідні рамки з дротів на розпорки і
добавити лінії живлення на три антени. Основні геометричні розміри антени
наведені в табл.3.2.
Таблиця 3.2
Геометричні розміри трьохдіапазонної антени «подвійний квадрат»
Параметр Значення, м Значення,
Вібратори
Сторона квадрата на діапазон 14 МГц 5,38 0,254
Сторона квадрата на діапазон 21 МГц 3,56 0,25
Сторона квадрата на діапазон 28 МГц 2,62 0,246
Рефлектори
Сторона квадрата на діапазон 14 МГц 5,56 0,262
Сторона квадрата на діапазон 21 МГц 3,76 0,264
Сторона квадрата на діапазон 28 МГц 2,84 0,267
Відстань між рамками квадратів
діапазону 14 МГц 4,22 0,199
діапазону 21 МГц 2,82 0,198
діапазон 28 МГц 2,1 0,197
Розглянемо розподіл струмів антени при роботі на кожному з діапазонів. На
рис.3.18 наведено розподіли струмів на елементах антени, які дають змогу
з’ясувати як впливають додаткові елементи антени на її роботу в певному
діапазоні. При роботі на частоті 14 МГц (до фідера підключаються зовнішні
рамки антени) невеликі струми наводяться на квадрати для 21 МГц і майже
взагалі відсутні на «внутрішніх» квадратах для 28 МГц (рис.3.18,а).
а)
б) в)
Рисунок 3.18 – Розподіл струмів на елементах трьохдіапазонної антени
при роботі на частотах 14,15 МГц (а), 21,05 МГц (б) і 28,2 МГц (в)
При роботі на частоті 21 МГц (до фідера підключаються рамки середнього
розміру) невеликі струми наводяться на квадрати для 28 МГц і на вібраторі для 14
МГц, а на рефлекторі для 14 МГц майже відсутні (рис.3.18,б). І нарешті, при
роботі на частоті 28 МГц (до фідера підключаються внутрішні рамки) помітні
струми наводяться лише на елементах вібратора для 21 МГц. Таким чином, можна
зробити висновки, що помітний вплив на роботу антени відбувається лише від
конструктивних елементів сусіднього діапазону, при цьому високочастотні рамки
антени більш помітно впливають на низькочастотні ніж навпаки.
Параметри антени, представленої на рис.3.18, для вільного простору по
діапазонах представлені в табл.3.3. З таблиці видно, що чим вища частота
діапазону тим менший вхідний опір антени. Підсилення антени і відношення
випромінення «вперед/назад» практично не зазнають змін. Найширша смуга
частот спостерігається у середнього діапазону.
Таблиця 3.3
Параметри трьохдіапазонної антени «подвійний квадрат» spider-конструкції
Смуга частот, кГц
Діапазон, МГц Опір, Ом Підсилення, F/ B , дБ
dBi КСХ<1,5 КСХ<2
14,15 110 7,56 10,61 462 926
21,05 105 7,38 14,34 583 1151
28,2 86 7,47 12,75 575 1125
На практиці також використовується інший варіант конструктивного
виконання багатодіапазонної антени «подвійний квадрат» з використанням
траверси (рис.3.19). При цьому всі рамки встановлюються на однаковій відстані і
потрібно лише дві хрестовини з розпорками, тобто несуча конструкція
багатодіапазонного «подвійного квадрату» така ж сама як і однодіапазонного.
Геометричні розміри рамок кожного діапазону такі ж самі як і для
конструкції Spider і наведені в таблиці3.2. Відстань між рамками складає 2,15 м,
що є оптимальним (0,15 ) для середнього діапазону 21 МГц. Для діапазону 14
МГц це буде 0,1 , а для 28 МГц – 0,2 . На підсилення антени Ga такий розкид
(від 0,1 до 0,2 ) електричної відстані між рамками практично не впливає.
Відношення F / B має велике значення лише для діапазону 21 МГц (за рахунок
оптимальної відстані між рамками) і для 28 МГц (за рахунок впливу НЧ рамок).
Рисунок 3.19 – Трьохдіапазонна антена «подвійний квадрат» з траверсою
Таблиця 3.4
Параметри трьохдіапазонної антени «подвійний квадрат» з траверсою
Смуга частот, кГц
Діапазон, МГц Опір, Ом Підсилення, F/ B , дБ
dBi КСХ<1,5 КСХ<2
14,15 80 7,1 12,03 105 322
21,05 65 7,82 16,68 217 484
28,2 105 7,59 17,5 507 1089
Найбільший вплив різна електрична довжина траверси має на опір антени і
смуги пропуску. Параметри трьохдіапазонної антени «подвійний квадрат» з
траверсою, зображеної на рис.3.19, у вільному просторі по діапазонах
представлені в табл.3.4.
Коротка (0,1 ) траверса для 14 МГц приводить до звуження смуги частот.
Навпаки, велика відстань (0,2 ) між рамками для 28 МГц підвищує опір антени і
суттєво розширює смугу частот. Дані з табл.3.4 вказують на те, що не дивлячись
на об’єднання в одному об’ємі рамки трьох діапазонів, «подвійний квадрат» має
достатньо задовільну широкосмуговість. Це свідчить про можливість суміщення
більшої кількості діапазонів, оскільки є запас по смузі.
3.5 П’ятидіапазонний (14/18/21/24,9/28 МГц) «подвійний квадрат»
Найбільший геометричний розмір багатодіапазонної антени «подвійний
квадрат» (її конструктивний об’єм) визначається її найменшою частотою. Цілком
природнім є бажання використати цей об’єм максимально вигідно. Для цього
можна додати в конструкцію антени додаткові рамки проміжних діапазонів. Якщо
як базову антену використовувати трьохдіапазонну (14/21/28 МГц) то її можна
модернізувати в п’ятидіапазонну за рахунок введення рамок для діапазонів 18 і
24,9 МГц. В попередньому пункті було розглянуто два конструктивних варіанта
побудови багатодіапазонних антен «подвійний квадрат», які володіють подібними
параметрами, тому в даному пункті розглянемо властивості лише однієї
конструкції п’ятидіапазонної антени, в якій використовується траверса (рис.3.20).
Рисунок 3.20 – П’ятидіапазонна антена «подвійний квадрат»
Основні геометричні розміри п’ятидіапазонної антени наведені в табл.3.5.
Оптимальна відстань між рамками підбиралась для центрального діапазону 21
МГц і складає 2,15 м або 0,15 .
Таблиця 3.5
Геометричні розміри п’ятидіапазонної антени «подвійний квадрат»
Параметр Значення, м Значення,
Вібратори
Сторона квадрата на діапазон 14 МГц 5,38 0,254
Сторона квадрата на діапазон 18 МГц 4,18 0,252
Сторона квадрата на діапазон 21 МГц 3,56 0,25
Сторона квадрата на діапазон 24,9 МГц 3,02 0,25
Сторона квадрата на діапазон 28 МГц 2,62 0,246
Рефлектори
Сторона квадрата на діапазон 14 МГц 5,56 0,262
Сторона квадрата на діапазон 18 МГц 4,28 0,257
Сторона квадрата на діапазон 21 МГц 3,76 0,264
Сторона квадрата на діапазон 24,9 МГц 3,1 0,257
Сторона квадрата на діапазон 28 МГц 2,84 0,267
Відстань між рамками 2,15 0,15
Аналіз п’ятидіапазонної антени є достатньо трудомістким, оскільки
передбачає почергове дослідження всіх параметрів на кожному з діапазонів. Для
зручності сприйняття отриманих результатів зведемо їх до табл.3.6.
Підсилення антени у вільному просторі за діапазонами становить 7,11...7,59
dBi. Відношення F/ B близьке до 20 дБ в чотирьох з п’яти діапазонів. Менше
значення (14,67 дБ) величини F/ B отримується в діапазоні 14 МГц за рахунок
близького розташування рамок, електрична відстань між якими складає 0,1 .
Смуги і вхідний опір на резонансі антени у вільному просторі за
діапазонами показані в табл.3.6. Зручною з практичної точки зору особливістю
антени є майже постійний опір антени за діапазонами. На 14 і 18 МГц опір
низький із-за невеликої електричного відстані між рамками, а на ВЧ діапазонах
він знижується під впливом зовнішніх НЧ рамок.
Таблиця 3.6
Параметри п’ятидіапазонної антени «подвійний квадрат» з траверсою
Смуга частот, кГц
Діапазон, МГц Опір, Ом Підсилення, F/ B , дБ
dBi КСХ<1,5 КСХ<2
14,15 55 7,11 14,67 98 270
18,08 55 7,18 18,32 214 470
21,05 55 7,36 20,72 252 531
24,9 55 7,42 20,58 238 502
28,2 65 7,59 21,12 429 836
Смуги кожного діапазону вийшли вужчі, ніж у трьохдіапазонної антени.
Така кількість рамок обов’язково має звузити смугу одна одної. Тим не менше
об’єднання п’яти діапазонів в одній антені дозволило отримати гарні електричні
параметри і хороші форми діаграми направленості в кожному з діапазонів.
Враховуючи досвід моделювання двохдіапазонної антени «подвійний
квадрат» з врахуванням впливу земної поверхні (п.3.3) виберемо висоту підвісу
антени 7 метрів. Максимум випромінення буде під кутом 31 градус, а сама
діаграма має один максимум, що унеможливлює збудження додаткових
іоносферних хвиль. Діаграми направленості інших діапазонів мають подібні
форми. Якщо збільшити висоту підвісу антени над землею хоча б до 10 метрів, то
задовільна форма діаграми направленості зберігається лише на діапазоні 14 МГц,
для решти діапазонів з’являється додатковий максимум випромінення. Причому
це проявляється тим помітніше чим вище частота діапазону, що пояснюється
неоптимальним підбором електричної відстані.
Рисунок 3.21 – Трьохвимірна діаграма направленості п’ятидіапазонної антени
«подвійний квадрат» при роботі в діапазоні 14 МГц на висоті 7 метрів
При моделюванні п’ятидіапазонної антени «подвійний квадрат» були
отримані такі результати:
1) смуги пропуску для кожного діапазону антени звужуються порівняно з
антеною, розрахованою на меншу кількість діапазонів;
2) опір антени для різних діапазонів практично не змінюється і бизький до 50 Ом;
3) показано, що оптимальна висота підвісу антени над поверхнею землі складає
близько 7 метрів, а діаграми направленості в кожному з п’яти діапазонів мають
один максимум випромінення.
4.ОХОРОНА ПРАЦІ
4.1 Аналіз небезпек та шкідливостей, що впливають на
співробітника радіотехнічної лабораторії
Під час проведення моделювання багатодіапазонних антен на
співробітника лабораторії впливають різноманітні параметри виробничої
обстановки.
Від умов праці в значному ступені залежать здоров'я і працездатність
людини, її відношення до праці і результати її діяльності. При поганих умовах
різко знижується продуктивність праці і створюються передумови для
виникнення травм і професійних захворювань. Для цілеспрямованої
діяльності по поліпшенню умов праці необхідно знати чинники, що
впливають на їхнє формування.
Проаналізуємо фактори, що впливають на здоров'я і працездатність
співробітника, який працює в радіотехнічній лабораторії.
Робочі місця співробітників встановлені в просторовій кімнаті, яка
мебльована столами та шафами, укомплектована комп’ютерною технікою та
периферійним обладнанням. Всі предмети на робочому місці співробітників
знаходяться в робочій зоні в межах прямої видимості та розміщені на відстані
не більше 70 см від працівника. Розміри столу становлять: ширина – 1,4 м,
глибина – 0,8 м, висота – 0,72 м. Висота стільця становить 0,45 м. З
врахуванням середнього росту людини, який складає 160–180 см, можна
сказати, що положення, яке співробітник лабораторії займає при роботі
відповідає нормативним інструкціям і рекомендаціям ДСТУ 8604:2015.
Монітори на столах розташовані таким чином, що відстань від екрану монітору до
о
користувача складає не менше 70 cм, при цьому кут зору становить близько 30 .
При цьому потрібно відмітити, що положення моніторів вибрано найкращим
чином, так як світло, що потрапляє через вікно, падає з лівого чи правого боку
від працюючого в залежності від розташування робочого місця і, таким
чином, не засліплює йому очі. Задля кращого уникнення негативного ефекту,
пов’язаного з надмірною освітленістю приміщення, вікна обладнано жалюзі.
Розміри лабораторії становлять: довжина – 9 м, ширина – 6 м, висота – 3
м. Відповідно її площа дорівнює 54 м2. Найбільша кількість одночасно
працюючих становить 4 особи. Звідси площа, що припадає на одного
робітника, дорівнює 13,5 м2, що відповідає ДБН В.2.2.28-2010. Об’єм
приміщення становить 162 м3. Звідси визначаємо, що об'єм який припадає на
одну людину дорівнює 40,5 м3. Нормативне значення складає 20 м3. З
наведених даних можна зробити висновок, що дане приміщення задовольняє
вимогам ДБН В.2.2.28-2010.
Раціонально виконане освітлення виробничих приміщень надає позитивного
психофізіологічного впливу на працюючих, сприяє підвищенню якості продукції
та продуктивності праці, забезпеченню її безпеки, знижує втому і травматизм на
виробництві, зберігає високу працездатність в процесі праці.
Освітлення здійснюється через віконні отвори (природне однобічне
освітлення), за допомогою світильників, які розташовані на стелі (штучне
верхнє освітлення) або одночасно - світильники і вікна (сполучене
освітлення). В приміщенні вздовж однієї зі стін розташовано 4 вікна, розміри
кожного з яких становлять 2 м на 1,3 м.
Величина необхідного освітлення на робочому місці приміщення
нормується за ДБН В.2.5-28:2018. При штучному освітленні нормується величина
освітленості в люксах (Лк), яка вибирається в залежності від характеристики
зорової праці з урахуванням найменшого розміру об'єкта розрізнення, фона,
контраста об'єкта розрізнення з фоном.
За найменший об’єкт розрізнення приймаймо напис на радіоелементі,
розмір якого визначимо на рівні 0,15–0,3 мм. Користуючись ДБН В.2.5-28-2018,
визначаємо, що за розміром обраного найменшого об’єкта розрізнення, ступінь
точності зорової праці відноситься до високого і становить ІІ розряд. Нормативне
значення КПО для визначеного розряду зорової роботи відповідає – ен = 1,8%.
Фактичне значення КПО в радіотехнічній лабораторії становить 24-37%. Отже,
рівень природного освітлення в даному приміщенні знаходиться в нормі.
В якості джерела світла при штучному освітленні використовуються
люмінесцентні лампи, в світильниках типу ЛСП 02В-1×40, загальна кількість
яких становить 8.
Нормативне значення штучного загального освітлення становить 400 лк.
Фактичне значення в радіотехнічній лабораторії згаданого параметра становить
250-280 лк, що майже в два рази нижче зазначеної норми, відповідно ДБН В.2.5-
28:2018. Таким чином, в даному приміщенні рекомендується модернізувати
систему загального штучного освітлення.
Приміщення лабораторії характеризується відсутністю сирості,
неструмопровідною підлогою та нормативними параметрами мікроклімату. Тому
приміщення лабораторії відноситься до приміщень без підвищеної небезпеки
ураження працюючих електричним струмом, згідно ПУЕ. Комп’ютери,
встановлені на робочих місцях живляться від електричної мережі змінного струму
напругою 220 В і споживають потужність менше ніж 3 кВт, для забезпечення
безпеки людини було обладнано додатковою ізоляцією та заземленням. Для
виключення ураження працівників електричним струмом всі електронні прилади
під’єднані до системи захисного занулення, згідно ДСТУ Б В.2.5-82:2016.
Під час роботи з обладнанням при раптовому припиненні подачі
електроструму потрібно негайно вимкнути електрообладнання. Категорично
забороняється ремонтувати електрообладнання, вмикати та вимикати його, якщо
це не передбачено в ході роботи, проводити будь-які перемикання на головному
розподільному щиті. У випадку ураження електричним струмом слід терміново
звільнити потерпілого від дії струму і прийняти міри по наданню першої
допомоги, при необхідності викликати лікаря.
Приміщення лабораторії, згідно ДСТУ Б В.1.1-36:2016, відноситься до
приміщень за категорією вибухопожежонебезпеки типу В (горючі та важкогорючі
рідини, тверді горючі та важкогорючі речовини і матеріали (в тому числі пил та
волокна), речовини та матеріали, здатні при взаємодії з водою, киснем повітря або
одне з одним горіти, за умови, що приміщення, в яких вони знаходяться
(використовуються), не належать до категорії А та Б). Для попередження пожеж в
лабораторії, відповідно ДБН В.2.5-56-2014, змонтована електрична пожежна
сигналізація (Страж М-501) променевого типу та теплові датчики типу (Satel
DRP-100) у кількості 6 шт. Також дана лабораторія обладнана двома ручними
вуглекислотними вогнегасниками ВВК-5, відповідно Правил експлуатації
вогнегасників.
Шум супроводжується коливанням частинок навколишнього середовища,
що сприймається органами слуху людини як небажані сигнали. Зазвичай шум
обумовлюється неприємним або небажаним звуком чи сукупністю звуків, що
заважають сприйняттю корисних звукових сигналів, порушують тишу, чинять
шкідливу або подразливу дію на організм людини, знижують її працездатність.
В лабораторії рівень шуму, який в основному зумовлений одночасною
роботою системних блоків комп’ютерів не перевищує 45 дБА. Інколи, при роботі
принтера це значення досягає 55 дБА. Але відповідно ДСН 3.3.6.037-99
нормативне значення допустимого рівню звукового тиску, рівню звуку та
еквівалентного рівню звуку на робочому місці в лабораторії становить 60 дБА.
Таким чином, фактичні рівні шуму в приміщенні лабораторії не перевищують
нормативні значенні цього параметру.
З появою нових технологічних рішень щодо здійснення бездротового
електронного зв’язку лабораторія пронизана постійним електромагнітним
випромінюванням згідно ДСН 3.3.6.096-2002.
Документи встановлюють вимоги до суб’єктів господарювання щодо
захисту працівників від небезпеки для їх здоров’я, що існує або виникає внаслідок
впливу електромагнітних полів.
Згідно з цими нормативними актами перед початком робіт у разі
застосування джерел електромагнітного випромінювання необхідно:
- провести вимірювання напруженості електричної та магнітної складових
електромагнітних полів
- облаштувати виробниче приміщення і розташувати технологічне
обладнання згідно гігієнічних нормативів.
Тривалість перебування працівників, які працюють з джерелами
електромагнітного випромінювання в робочих зонах не повинна перевищувати
граничнодопустимих рівнів електромагнітного випромінювання, зазначених у
ДСН 3.3.6.096-2002.
Аналізуючи зареєстроване електростатичне поле, в даному випадку його
напруженість не перевищує гранично допустиме значення (Едоп) і дані умови
праці відносяться до допустимих.
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 Іа. 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.
Нормовані величини температури, відносної вологості і швидкості руху
повітря в робочій зоні виробничого приміщення в холодний період року:
- Оптимальне значення температури 22-24°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.
В лабораторії фактичне значення температури в холодний період року
становить 20-22°С, що нижче від відповідної нижньої межі допустимого
значення. Таким чином, дані умови праці відносяться до першого ступеня
шкідливості. Це в свою чергу може призвести до легких форм застуди.
Рекомендується в даному приміщенні в холодний період року користуватися
автономним обігрівачем невеликої потужності.
Що стосується теплого періоду року, то фактичне значення температури
відповідає 28-30°С, що в свою чергу перевищує оптимальне значення, але
знаходиться в допустимих межах. Проте, як відомо, висока температура
негативно впливає на самопочуття робітника і, як наслідок, веде за собою
зниження працездатності. В такому випадку рекомендується в даному приміщенні
встановити кондиціонер, що сприятиме більш комфортній роботі. Також, завдяки
використанню даного технічного засобу, в холодну пору року відпаде
необхідність в використанні автономного обігрівача, так як цю функцію можна
покласти на кондиціонер.
Фактичне значення швидкості руху повітря становить 0,2 м/с, що
перевищує максимально допустиме значення лише в холодну пору року. Це може
негативно вплинути на здоров’я робітника, так як з протягом пов’язані такі
хвороби, як запалення м’язів, гострі респіраторні захворювання і ін.
Фактичне значення відносної вологості повітря в приміщенні становить
67%. Це відповідає першому ступеню шкідливості умов праці. Перевищення
вологості в теплий період року призводить до збільшення температури тіла.
Особливо дане явище має місце при відхиленні температури від оптимальних меж
в сторону збільшення. При пониженні температури підвищена вологість може
призвести до переохолодження тіла. Як підвищення, так і зниження температури
тіла може призвести до застуди.
На основі вищенаведених даних можемо сказати, температурний рівень в
лабораторії не відповідає нормативним вимогам. Таким чином, в даному
приміщенні рекомендується встановити кондиціонер.
Інструктажі з питань охорони праці проводяться з метою навчити
працівника правильно і безпечно для себе і навколишнього середовища
виконувати свої трудові обов'язки. Інструктажі за часом і характером проведення
поділяють на: вступний, первинний, повторний, позаплановий та цільовий.
Вступний інструктаж проводиться з усіма працівниками, які щойно
прийняті на роботу (постійну або тимчасову), незалежно від їх освіти, стажу
роботи за цією професією або посади; працівниками, які знаходяться у
відрядженні на підприємстві й беруть безпосередню участь у виробничому
процесі; в даному випадку трудового й професійного навчання в радіотехнічній
лабораторії.
З працівниками проводиться вступний інструктаж з трудового та
професійного навчання. Запис про проведення вступного інструктажу робиться в
спеціальному журналі. Первинний інструктаж проводиться кожному працівнику
індивідуально в радіотехнічній лабораторії перед виконанням роботи НПАОП
0.00-4.12-05.
Медичний огляд обов’язковий для працівників радіотехнічної лабораторії
відповідно наказу МОЗ України №246 від 21.05.2007, що пов’язано з:
- зі шкідливими чи небезпечними умовами праці;
- з обладнанням що знаходиться під напругою, вібрацією, шумом;
- довго тривалими однотипними роботами;
- хімічні речовини, їх сполуки та елементи (неорганічного та органічного
походження);
Було проаналізовано усі можливі небезпеки та шкідливі фактори, що
можуть впливати на співробітників радіотехнічної лабораторії і можна сказати,
що її технічний рівень не відповідає нормативним вимогам з охорони праці. Це
проявляється внаслідок підвищення температури літом вище норми. Таким
чином, в даному приміщенні рекомендується встановити кондиціонер.
4.2 Розрахунок системи кондиціонування повітря лабораторії
Кондиціонування - це комплекс систем, які призначені для створення в
приміщеннях мікрокліматичних умов, оптимальних для життєдіяльності людей.
Кондиціонер - пристрій для підтримання оптимальних кліматичних умов в
квартирах, будинках, офісах, автомобілях, а також для очищення повітря в
приміщенні від небажаних частинок. Призначений для зниження температури
повітря в приміщенні.
Типи кондиціонерів:
- віконний кондиціонер;
- спліт-система з внутрішнім блоком настінного типу;
- спліт-система з внутрішнім блоком підлогово-стельового типу;
- спліт-система з внутрішнім блоком касетного типу;
- спліт-система з внутрішнім блоком канального типу;
- мульти спліт-системи;
- мультізональні системи (VRF або VRV системи).
Віконний кондиціонер.
Віконний тип є моноблочним, врізається у віконний отвір або в стіну. Для
встановлення ніякого особливого інструменту для нього не потрібно.
Виробництво віконників добре відпрацьоване за багато років, звідки і береться їх
довговічність.
Віконний тип має істотні недоліки. У віконному типі, оскільки він
моноблочний, компресор знаходитиметься у вашому приміщенні.
Про другий мінус прохолодно буде не у вас в кімнаті, а між шторою і
вікном тому що встановлюється він безпосередньо у вікно.
Безумовним плюсом є низька ціна віконного типу і можливість невеликої
подачі свіжого повітря в приміщення. При низькому бюджеті будівництва бізнес
установи не високого класу можна обійтися віконними кондиціонерами і
замовити вікна під розмір.
Спліт-система.
Спліт-системи, як тип кондиціонера на відміну від віконних, діляться самі
по собі ще на типи. Під типом спліт-системи в основному розуміють тип
внутрішнього блоку, зовнішні блоки по принциповому пристрою фактично
однакові для побутового діапазону. Спліт-система має два блоки - внутрішній і
зовнішній. Найгаласливіший з них, де знаходиться компресор, виноситься на
вулицю, а внутрішній, відповідно, усередині приміщення.
Спліт-система з внутрішнім блоком настінного типу.
Набули найбільшого поширення в квартирах, невеликих офісних
приміщеннях. Якщо в приміщеннях давно вже виконаний ремонт, є одним з
якнайкращих способів не псувати інтер'єр і добитися освіжаючої прохолоди.
Мають масу переваг: достатньо малошумні, і за ціною значно дешевше спліт-
систем іншого типу. Також в своєму діапазоні холодильної потужності є
монополістами - інші типи спліт-систем не мають холодильної потужності нижче
3,5 кВт. І при кондиціонуванні невеликого кабінету настінний тип спліт-системи
не має конкурентів.
Спліт-система з внутрішнім блоком підлогово-стельового типу.
У квартирах не прижилися. У разі установки під стелею потік охолодженого
повітря могутнім струменем поступає в обслуговуване приміщення. У разі
установки в підлоговому варіанті, наприклад в перенаселеному працівниками
офісі, приносить менше дискомфорту працівникам, ніж наприклад настінний
кондиціонер. Будь-який кондиціонер створює біля себе «мертву зону», де
рухливість повітря буде дуже високою. У настінних блоків це до 3 метрів, у
підлогових - 1 метр. У підлоговому варіанті охолоджене повітря йде вгору і
нікому особливо не заважає. Отже, підлогово-стельові кондиціонери в основному
використовують в офісах, супермаркетах, витягнутих великих приміщеннях.
Спліт-система з внутрішнім блоком канального типу.
Канальний внутрішній блок має масу переваг в порівнянні зі своїми
побратимами. Одному блоку цілком під силу охопити до 10 дрібних приміщень,
де необхідна холодопродуктивність по кожному приміщенню не перевищує 1,3
кВт. Якщо в кожній такій кімнаті встановити по окремій настінній спліт-системі,
а мінімальна продуктивність будь-який настінною спліт-системи нижче 1,8 кВт не
буває, перевага установки кондиціонування канального типу за ціною в
порівнянні з установкою 10 окремих настінних спліт-систем.
Ще однією незаперечною перевагою є те, що при використанні
внутрішнього блоку цього типу можна підмішувати до 20 % свіжого повітря. Але
є і зворотна сторона, свіжим повітрям приміщення може бути забезпечене тільки
тоді, коли на вулиці не нижче - 5 °С. Інакше можна вивести з ладу пристрій.
Спліт-системи з внутрішніми блоками канального типу мають і недоліки.
Окрім необхідності наявності підвісної стелі, така система не дозволяє
регулювати температуру в кожному приміщенні індивідуально. Датчик
температури встановлюється в пульті управління кондиціонером, і розмістити
його можливо тільки в одній кімнаті. Іншою проблемою буде те, що кожне з
приміщень може мати різний тепловий режим, одна кімната може виходити
вікнами на південь, інша на північ. Може утворитися ситуація, коли в одній
кімнаті буде максимальне теплове навантаження, а в іншій мінімальне. Установка
індивідуального регулювання температури по кожній кімнаті по вартості
наближатиметься до вартості всього устаткування.
Останнім недоліком такої системи є те, що монтажу канального типу
кондиціонування повинне передувати хороше проектне опрацьовування,
розрахунок перетинів повітроводів. Інакше можливо отримати ситуацію, коли в
одній кімнаті надмірно холодно, а в іншій навпаки жарко.
Мульті-спліт-системи.
У цих системах до одного зовнішнього блоку можна під'єднати відразу
декілька внутрішніх блоків. Основна перевага мульті-спліт-систем це наявність
одного зовнішнього блоку. В умовах міста, особливо в центрі, велику кількість
зовнішніх блоків кондиціонерів, що висять на стіні, не тільки псують фасад
будівлі, але не залишають іншого вибору, як використання мульті спліт-системи.
Мультізональні системи (VRF або VRV системи).
VRV або VRF системи є найостаннішим і інноваційним досягненням в
кондиціонуванні повітря. За принципом роботи це ті ж самі мульті-спліт-системи,
але з можливістю підключення до 64 внутрішніх блоків. Важливою перевагою
мультізональних систем є різноманітність внутрішніх блоків.
Останнє покоління таких систем має одну з незаперечних переваг -
максимально допустима довжина фреонових трас до 1000 метрів, що в умовах
центральних вулиць міста дозволяє винести зовнішній блок в таке місце, де він не
псуватиме фасад. Дані системи неймовірно економічні і довговічні.
Середній термін їх експлуатації до 25 років, в порівнянні з побутовими
спліт-системамі 6-10 років. Інтелектуальна система управління роботою дозволяє
досягти максимальної економії при роботі деяких внутрішніх блоків в режимі
охолоджування, а інших в режимі тепла. Система VRV (VRF) дозволяє перенести
частину тепла з одного приміщення в інше. При цьому споживання системи
знижується майже в 2 рази.
Встановлюють такі системи найчастіше в бізнес-центрах, торгових центрах,
урядових установах і на багатьох інших об'єктах, де необхідна центральна
система кондиціонування великої кількості приміщень.
Рисунок 4.1 - Будова та принцип дії кондиціонера типу спліт-системи
Розрахуємо потужність кондиціонера для радіотехнічної лабораторії
площею 54 м² з висотою стель 3 м, в якій проводяться роботи з моделювання. В
лабораторії працюють 4 людини, а також є 4 комп'ютери, і невеликий
холодильник з максимальною споживаною потужністю 250 Вт. Кімната
розташована на сонячній стороні. Комп'ютери всі одночасно працюють, оскільки
ними користується 4 людини.
Спочатку визначаємо теплоприпливи від вікна, стін, підлоги і стелі.
Коефіцієнт Q виберемо рівним 40, так як кімната розташована на сонячній
стороні:
Q1 = S * h * q / 1000 (4.1)
де:
S – площа радіотехнічної лабораторії;
h – висота стелі;
q - коефіцієнт припливу тепла.
Q1 = 54 м² * 3 м * 40 / 1000 = 6,48 кВт
Теплоприпливи від 4 робочих в спокійному стані складуть 0,4 кВт.
Q2 = N *qод.л.= 4 * 0,1 = 0,4 кВт
Далі, знайдемо теплоприпливи від техніки. Оскільки комп'ютери працюють
одночасно, то в розрахунках необхідно враховувати суму з цих приладів, а саме
сумарну кількість тепла. Це комп'ютери, тепловиділення від яких становлять 0,9
кВт. Холодильник виділяє 0,95 кВт:
Q3 = 0,9 + 0,95 = 1,85 кВт (4.2)
Тепер ми можемо визначити:
Q = Q1 + Q2 + Q3 (4.3)
Q = 6,48 + 0,4 + 1,85 = 8,73 кВт
Рекомендований діапазон потужності (від -5% до + 15% розрахункової
потужності Q): 8,2935 кВт < Q < 10,0395 кВт.
Необхідно обрати модель кондиціонера відповідної потужності. Більшість
виробників випускає спліт-системи з потужностями, близькими до стандартного
ряду: 2,0 кВт; 2,6 кВт; 3,5 кВт; 5,2 кВт; 7,0 кВт. З цього ряду обираємо модель
потужністю близькою до 5,2 кВт. В приміщенні відділу планується встановити 2
кондиціонери. Пропонується в приміщенні лабораторії встановити кондиціонер
моделі MIDEA MSMB-12HRFN1-ION.
Технічні особливості кондиціонера MIDEA MSMB-12HRFN1-ION
1. Економічний режим (Еко-режим). Кондиціонер підтримує в приміщенні
температуру повітря +24°С з мінімальним шумом і споживанням електроенергії.
2. Мотор DC - inverter внутрішнього блоку. У внутрішніх блоках для
обертання крильчатки використовується DC-мотор. Це дозволяє значно знизити
рівень шуму і енергоспоживання і отримати 12 позицій зміни швидкості
крильчатки.
3. Алюмінієвий теплообмінник з гідрофільним покриттям. Підвищена
змочуваність теплообмінника, алюмінієві пластини якого мають спеціальне
покриття з гідрофільним шаром, забезпечують швидке видалення конденсату з
внутрішнього блоку, що не дозволяє швидко утворюватися цвілі і бактеріям,
забезпечуючи при цьому більш ефективну роботу кондиціонера.
4. Температурна компенсація. Функція температурної компенсації усуває
різницю температур між підлогою та стелею шляхом змішування різних шарів
повітря. Працюючи на охолодження, система занижує температуру вихідного
потоку повітря. Внаслідок цього час на охолодження приміщення скорочується, а
більш холодний струмінь компенсується теплим повітрям, що підіймається
шляхом перемішування. Таким чином відбувається компенсація температур та
вирівнюється загальна температура в приміщенні.
Технічні характеристики кондиціонера MIDEA MSMB-12HRFN1-ION
- Рекомендована площа приміщення - 35 м2;
- Тип фреону - R410A;
- Режими: автоматичний, вентилятор, іонізація, нічний, обігрів, осушення,
охолодження;
- Можливість роботи при низькій температурі (<-10° C);
- Потужність на охолодження - 4.51 кВт;
- Теплопродуктивність - 4.92 кВт;
- Максимальний рівень шуму внутрішнього блоку - 38 дБА;
- Максимальний рівень шуму зовнішнього блоку - 54 дБА;
- Тип компресора – інверторний;
- Тип установки внутрішнього блоку – настінний.
Рисунок 4.2 – Кондиціонер MIDEA MSMB-12HRFN1-ION
Висновки
Вибрати оптимальну антену, виходячи з великого різноманіття форм і
параметрів, а також конкретних умов місцевості, не завжди достатньо просто. Всі
знають, що найкращим підсилювачем є сама антена, яка забезпечує гарне
підсилення для конкретного діапазону частот, але далеко не всі можуть собі
дозволити мати більше однієї антени. Тому проектування багато діапазонної
направленої антени «подвійний квадрат» і дослідження її параметрів засобами
комп’ютерного моделювання є актуальною задачею.
В даній роботі синтезовано 4 моделі антен «подвійний квадрат»,
розраховані для різної кількості діапазонів. Однодіапазонна антена працює на
частоті 28,2 МГц. Дводіапазонний «подвійний квадрат» розраховано на частоти
21,05 і 28,05 МГц. Показано, що додавання додаткових (в даному випадку
низькочастотних) рамок практично не впливає на роботу антени. Для
трьохдіапазонної (14,15/21,05/28,2 МГц) антени розглянуто дві конструкції: spider
(«павук») зі складною центральною конструкцією для кріплення розпірок і з
траверсою, яка з’єднує дві площини рамок. З точки зору характеристик антени
практично не відрізняються одна від іншою, а відмінність полягає у механічній
міцності першої конструкції. Для збільшення функціональності трьохдіапазонної
антени пропонується в її конструкцію добавити додаткові рамки на проміжні
частоти 18,08 і 24,9 МГц, в результаті чого отримуємо п’ятидіапазонну антену.
Всі діапазони мають достатньо вузькі смуги частот, крім того, зі
збільшенням кількості рамок антени спостерігається тенденція до звуження смуг
частот кожного діапазону. Вхідний опір антени, за умови використання
узгоджуючи пристроїв, близький до 50 Ом на всіх діапазонах. Підсилення антени
для вільного простору становить 7,6 dBi або вище, а при правильному підборі
висоти підвісу над земною поверхнею збільшується на 4-6 dBi за рахунок
синфазного додавання хвиль, що випромінюються антеною, з хвилями, що
відбилися від поверхні землі. Показано, що оптимальна висота підвісу
синтезованих антен становить 7 метрів.
Список використаної літератури
1. Петлевые рамочные антенны. – Режим доступу: http://www.cqham.ru/rk3zk/1-1-
3.htm
2. Гончаренко И.В. Антенны КВ и УКВ. Часть I. Компьютерное моделирование.
MMANA. - М.: ИП РадиоСофт, Журнал «Радио», 2004. – 128 с.
3. Описание базовой Mmana-GAL. – Режим доступу: http://gal-ana.de/basicmm/ru/
4. Гончаренко И.В. Антенны КВ и УКВ. Часть II. Основы и практика. - М.: ИП
РадиоСофт, Журнал «Радио», 2005. – 288 с.
5. Гончаренко И.В. Антенны КВ и УКВ. Часть III. Простые КВ антенны. - М.: ИП
РадиоСофт, Журнал «Радио», 2006. – 288 с.
6. Гончаренко И.В. Антенны КВ и УКВ. Часть IV. Направленные КВ антенны:
синфазные и продольного излучения. - М.: ИП РадиоСофт, Журнал «Радио»,
2007. – 256 с.
7. Гончаренко И.В. Антенны КВ и УКВ. Часть V. Направленные КВ антенны:
укороченные, фазированные, многодиапазонные. - М.: ИП РадиоСофт, Журнал
«Радио», 2010. – 320 с.
8. Методичні рекомендації до виконання кваліфікаційної роботи бакалавра для
здобувачів освітнього рівня «бакалавр» освітньої програми «Радіотехніка»
спеціальності 172 «Телекомунікації та радіотехніка» усіх форм навчання
[Електронний ресурс] / Упоряд.: А.В. Гончаров, А.В. Чепинога; М-во освіти і
науки України, Черкас. держ. технол. ун-т. – Черкаси: ЧДТУ, 2018. – 61 с. –
Назва з титульного екрана.