Изучение программного обеспечения, моделирование антенных устройств. Программное обеспечение и моделирование антенных устройств

Лабораторная работа №1

Изучение программного обеспечения ,моделирование антенных устройств.

Цель работы: Изучить программное обеспечение и моделирование антенных устройств.

1. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

АНТЕНН: КОГДА, КАК, ЗАЧЕМ?

Сам идея компьютерного моделирования антенн весьма заманчива: нарисовав на экране любую конфигурацию из проводов и труб, можно посмотреть, как это «творение» будет работать в качестве антенны, и получить все ее харак‑

теристики. Более того, можно исследовать антенну и, изме‑

няя ее параметры, оптимизирова ть под конкретные условия и требования. Ведь на реальной антенне многие параметры измерить либо очень трудно, либо практически невозможно.

Исследование же компьютерной модели позволяет получить все мыслимые характеристики антенны.

Хорошая программа моделирования – это и антенная лаборатория, позволяющая без особых затрат просчитать самые невероятные проекты, получить их объективные дан‑

ные, а не чье‑то субъективное  (и вполне вероятно ошибочное, или просто неприменимое к вашим конкретным условиям)

мнение. Это и мощная обучающая система, которой можно задать практически любые вопросы, получив математически точный ответ, позволяющая объективно сравнить разные типы антенн, и самому сделать выводы. Также это и уникальный интерактивный справочник – в обычном бумажном спра‑

вочнике просто физически невозможно учесть все мно‑

гообразие возможностей выполнения и размещения антен‑

ны – число вариантов, в принципе бесконечно. Вспомните сколько раз, увидев бумажное описание интересной антенны, вы мучились вопросами типа: «А  у меня нет указанной в описа‑

нии трубки, и не предвидится. Что и как надо изменить под ту, что у меня есть? Как повлияет стоящая рядом мачта другой антенны? Что будет, если немного изменить форму антенны,

7

подгоняя ее под мои условия? Антенна не помещается, как ее можно укоротить в моем случае, и что в ее параметрах при этом изменится?». И так далее, и тому подобное. И что же оставалось? Или отказываться от применения такой антенны, или делать ее на свой страх и  риск, надеясь, что потом как‑то удастся подстроить. Да еще и не зная, а достижимо ли это в принципе, после ваших модификаций… Применение же хорошего моделировщика антенн позволяет решить эти ваши

(именно ваши специфические)  вопросы, на которые иначе никто вам не ответит.

Первые программы расчета антенн, появившиеся еще в 80‑е годы, были весьма примитивны и вычисляли по конкретным формулам только определенные типы антенн.

Ситуация изменилась, когда в подобных программах начали применять метод многомерных матриц (моментов), суть которого сводится к разбиению каждого проводника антенны на точки (сегменты) и вычислен ию в каждой точке тока – как собственного, так и наведенного от всех остальных сегмен‑

тов. На этом методе базиру ются все современные программы

(ELNEC, EZNEC, NEC4WIN95, MMANA). Для анализа большин‑

ства любительских антенн вполне достаточно, чтобы программа обсчитывала 100...500 точек, однако иногда бывают ситуации, когда мало и 1000 точек. Обсчет таких матриц занимает время порядка десятков секунд даже на ЭВМ

с тактовой частотой 100 МГц, а на серьезных задачах с числом точек в несколько тысяч (скажем, параболическая УКВ антенна с высоким усилением) даже гигагерцовый компьютер «заду‑

мывается» на несколько десятков минут! Но это крайности, и в основном даже на простых компьютерах расчеты произво‑

дятся быстро.

2. ОБЩИЕ ПАРАМЕТРЫ MMANA

MMANA – это программа моделирования антенн, работающая в среде Windows. Вычислительной основой

MMANA (так же как и многих коммерческих программ моделирования) является программа MININEC Ver.3, которая была создана для целей американских ВМС в  Washington

Research Institute.

Все дополнительные функции и интерфейсы написаны

JE3HHT. Русифицированная и английская версии MMANA сде‑

ланы автором этих строк. Программа позволяет:

• Создавать и редактировать описания антенны как зада нием координат, так и мышкой. Кто хоть раз набивал вручную длинные ряды цифр,  описывающих координаты каждого провода в трехмерном пространстве в различных

NEC, поймет, какой это колоссальный шаг вперед!

11

• Рассматривать множество разных видов антенны.

• Рассчитывать диаграммы направленности (ДН) антенн в вертикальной и горизонтальной плоскостях (под любыми вертикальными углами).

• Одновременно сравнивать результаты моделирования нескольких разных антенн (ДН и все основные характе‑

ристики).

• Редактировать описание каждого элемента антенны, включая возможность менять форму элемента без сдвига его резонансной частоты. Проще говоря, вы можете за пару секунд трансформировать «волновой канал» в

«квадраты» или «дельты».

• Редактировать описание каждого провода антенны. Име‑

ется возможность перекомпоновки антенны без утоми‑

тельного перебора цифр координат, простым пере‑

таскиванием мышкой (практически всю антенну можно нарисовать и редактировать одной мышкой);

• Просчитывать комбинированные провода, состоящие из нескольких, разных диаметров. Это полезно при расчете элементов, составленных из  труб разного диаметра, например «волновых каналов» или вертикалов.

• Использовать удобное меню создания многоэтажных антенн – стеков, причем в ка честве элемента стека можно использовать любую сущест вующую или созданную вами антенну.

• Оптимизировать антенну, гибко настраивая цели оптими‑

зации: Zвх, КСВ, усиление,  F/B, минимум вертикального угла излучения, причем предельно наглядно – движками указывается важность для ва с того или иного параметра.

• Задавать изменение при оптимизации более 90 пара‑

метров антенны. Возможно описание совместного (зави‑

симого) изменения нескольких параметров.

• Сохранять все шаги оптимизации в виде отдельной таб‑

лицы. Это полезно для последующего неспешного просмотра и анализа – не мелькнет ли там чего любопыт‑

ного, что вы исходно и в виду‑то не имели.

• Строить множество разнообразных графиков: Zвх, КСВ, усиления, отношения излучений вперед/назад (F/B), включая показ зависимости ДН от частоты.

12

• Автоматически рассчитывать несколько типов согла‑

сующих устройств (СУ), причем возможно включать и выключать их при построении графиков.

• Создавать файлы‑таблицы (формата  *.csv, просмат‑

риваемого в Excel) для всех переменных расчетных дан‑

ных: таблицы токов в каждой точке антенны, зависимости усиления от вертикальных и горизонтальных углов, таб‑

лицы основных параметров антенны как функций частоты, и наконец весьма полезную таблицу напряжен‑

ности электрического и магнитного полей антенны в заданном пространстве. Она необходима для опреде‑

ления соответствия антенны на требования электромаг‑

нитной совместимости.

• Рассчитывать катушки, контура, СУ на LС элементах, СУ

на отрезках длинных линий (несколько видов), индуктив‑

ности и емкости,  выполненные из отрезков коаксиаль‑

ного кабеля.

Антенна УКВ направленная.

Свободное пространство:

Реальная:

Антенна КВ простая.

Реальная:

Свободное пространство:

Вывод: Изучил  программное обеспечение и моделирование антенных устройств.

Лабораторная работа №2

РАДИОСТАНЦИЯ 11Р22С “ТРАНСПОРТ”

Цель работы. Изучить принцип работы и конструкцию ультракоротковолновой радиостанции системы «Транспорт».

Подготовка к работе. Для выполнения лабораторной работы необходимо изучить принцип организации радиосвязи.

Перечень условных обозначений и сокращений: АНТ - антенна; АС - антенна стационарная; БАУ - блок автоматики и управления;

УБП - унифицированный блок питания; УБП-П - пультовый;

УБП-С - стационарный;

ВПУ - выносной пульт управления;

ВКЛ - включение; ВЫЗ - вызов; ДР - дежурный режим;

2УП - управление приемопередатчиком;

ЗАТУХ - затухание; ИНФОРМ - информация;

ОК - основной канал;

КОНТР - контроль, ЛИН - линия; МТ - микротелефон;

ОТКЛ - отключено; ОТКР - открытый;

ПРД - передатчик; ПРМ - приемник;

ПУС - пульт управления стационарный:

УПП - унифицированный приемопередатчик;

УР - устройство распорядительное.

1 Краткие сведения

Радиосистемы в информационно-управляющих комплексах обеспечивают транспортные технологические процессы, осуществляя передачу и прием информации без проводов в условиях наличия мобильных объектов и абонентов. При этом используется энергия электромагнитного поля (радиоволн) для передачи сообщения по радиоканалу. Радиоканал - сложный комплекс устройств преобразования сообщения от источника информации в сигнал, передачи сигнала и обратного его преобразования в сообщение, воспринимаемое потребителем информации.

Преобразование сообщения в сигнал осуществляется радиопередающим устройством, которое генерирует токи радиочастот, управляет ими и излучает электромагнитную энергию посредством передающей антенны.

Прием электромагнитной энергии, усиление ослабленных сигналов и их преобразование в сообщение для потребителя осуществляется приемной антенной и радиоприемным устройством.

Радиопередающее и радиоприемное устройства в совокупности представляют радиостанцию.

Для организации служебной связи на различных видах транспорта предназначены стационарные радиостанции системы «Транспорт», включающие 12 модификаций.

Конкретно стационарная радиостанция 11Р22С (УКВ, выходная мощность 10Вт) обеспечивает двустороннюю беспоисковую автоматическую радиотелефонную связь в сети с групповым вызовом системы «Транспорт». Радиостанция 11Р22С работает в режимах «Одночастотный симплекс» или «Двухчастотный симплекс» в диапазоне частот 151,725... 154,000 МГц и 155,000... 155,975 МГц на одном из шести каналов тридцати семи частотных групп с разносом частот между соседними каналами 25 кГц.

Внешний вид составных частей радиостанции показан на рисунке