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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Rumo ao cálculo da eficiência da antena em modelagem computacional. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Comunicações de rádio civis O artigo fornece uma descrição comparativa de algumas abordagens para estimar o coeficiente de desempenho (eficiência) de antenas e sistemas de antenas com base nos resultados da modelagem eletromagnética computacional, levando em consideração as perdas. São mostradas as possibilidades de cálculo da eficiência da antena utilizando o programa MMANA e é fornecida uma descrição do programa de cálculo da eficiência com base nos resultados da simulação. Introdução A modelagem computacional fornece recursos úteis para estimar a eficiência de antenas existentes e prever a eficiência de antenas em desenvolvimento. Se objetos no entorno imediato da antena (suportes, estantes, telhado) estiverem envolvidos no processo de radiação, então é possível avaliar a influência desses objetos, ou seja, a eficiência de todo o sistema da antena. A estimativa de eficiência é de particular interesse para antenas eletricamente pequenas (EMA) devido à dificuldade de obter alta eficiência em tamanhos de comprimento de onda pequenos (ou seja, expressos em frações de comprimento de onda). A definição mais geral de eficiência é a relação entre a potência de radiação P∑ e a potência de excitação PE no modo de transmissão:
onde PL é a perda de potência nos materiais dos condutores e dielétricos da antena. Segue-se do princípio da reciprocidade que no modo de recepção a eficiência da antena é a mesma que no modo de transmissão. Outra definição de eficiência (por equivalente de circuito) é a relação entre a resistência à radiação R∑, reduzida ao ponto de conexão da antena, e a parte ativa da impedância de entrada (impedância) RA, que é a soma de R∑ e a perda equivalente resistência RL:
Métodos para calcular a eficiência na simulação 1. Uso de dados de potência e perda de potência do inversor A potência de excitação (potência fornecida à antena) PE é facilmente calculada a partir dos resultados da simulação:
onde lE é o valor efetivo (efetivo) da corrente de excitação. Se, conhecendo as correntes In e os componentes ativos Rn das impedâncias de todos os segmentos individuais da antena, calcule a potência de perda
então a potência de radiação pode ser obtida como a diferença entre a potência de excitação e a potência de perda:
A eficiência é calculada de acordo com a fórmula (1). O método é de pouca utilidade para estimar baixas eficiências (alguns por cento ou menos), especialmente quando os erros na determinação da potência de perda e da potência de excitação são grandes. Freqüentemente, são obtidos valores negativos de P∑ e, portanto, eficiência (por exemplo, no programa NEC2d). 2. Cálculo analítico da resistência à radiação ou sua determinação através da análise de um modelo de antena ideal sem levar em conta perdas Para antenas simples, a resistência à radiação pode ser calculada usando fórmulas conhecidas ou obtida modelando uma antena ideal. Isto é melhor do que tê-lo como a diferença de números muito próximos obtidos com grandes erros. A eficiência é calculada usando a fórmula (2). Deve-se ter em mente que em alguns casos a distribuição de corrente e, portanto, a resistência à radiação reduzida dependem fortemente das perdas, e a fórmula (2) ao determinar R∑ modelando uma estrutura ideal pode fornecer uma eficiência com um grande erro (para exemplo, será obtida uma eficiência maior que a unidade). Isso acontece, por exemplo, ao modelar um dipolo com comprimento de um comprimento de onda. 3. Comparação dos valores máximos de ganho de uma antena real e uma antena sem perdas com estrutura semelhante O ganho máximo da antena, como se sabe, está relacionado ao coeficiente máximo de diretividade (DC) Dmax através da eficiência:
A partir daqui, a eficiência é obtida diretamente se houver confiança de que o formato do padrão de radiação (RP), sem levar em conta as perdas, é semelhante ao formato do padrão de uma antena real. O valor é obtido modelando uma antena ideal com eficiência unitária (η = 1). Ao determinar a eficiência a partir da relação (6), Gmax e Dmax devem ser expressos em unidades relativas e não em decibéis. Para passar de decibéis para proporções das quantidades em consideração, são usadas fórmulas
Você também pode encontrar o valor de eficiência diretamente nos resultados da análise em decibéis:
Se o sistema de antena contiver fios de diâmetros significativamente diferentes ou de materiais diferentes, os padrões de radiação das antenas com e sem perdas podem diferir visivelmente na forma, e esse método também leva a erros. 4. Usando dados de potência de entrada e determinando a potência de radiação usando o método vetorial de Poynting O melhor e mais universal método para calcular a potência de radiação de qualquer antena é o método vetorial de Poynting [1]. Considere o modo de operação da antena em espaço livre (Fig. 1).
O vetor de Poynting P, como é conhecido, é o produto vetorial dos vetores dos componentes elétrico E e magnético H do campo eletromagnético
Sua direção em cada ponto M da zona distante coincide com a direção da radiação das ondas de rádio, e sua magnitude Selecionemos em uma esfera de raio R nas proximidades do ponto M uma área limitada por pequenos incrementos ΔΘ e Δφ (Fig. 1). Sua área é determinada pela expressão
Poder de radiação através desta almofada
Ao dividir toda a esfera em um número suficientemente grande de pequenas áreas e somar as potências de radiação através de todas as áreas, você pode obter um valor muito próximo da potência de radiação da antena através de toda a superfície esférica:
Aqui M é o número de passos ao longo da coordenada φ; N é o número de passos ao longo da coordenada Θ. Se seguirmos os mesmos passos A em graus em Θ e φ, obteremos M = 360/Δ e N = 180/Δ. Para espaço livre, o raio R desta superfície não importa. Calculando a potência fornecida à antena pela fórmula (3), obtemos a eficiência da antena (1). A desvantagem deste método é que em condições reais o resultado depende das perdas no ambiente de distribuição. Na modelagem, isso pode ser contornado usando espaço livre ou condições de terreno ideais. Observe que para uma Terra ideal é necessário considerar não a esfera inteira, mas apenas o hemisfério superior, e N = 90/Δ. Peculiaridades do cálculo de eficiência com base nos resultados do programa MMANA Cálculo de acordo com parágrafos. 2 e 3 é possível com as ressalvas acima diretamente a partir dos resultados da análise de uma antena com perdas e de uma antena sem perdas. A única condição: o modo de espaço livre ou terreno ideal. O MMANA não permite a saída de impedâncias de segmentos individuais para análise. Isto torna inacessível o primeiro caminho (ponto 1), que apresenta sérias desvantagens. Ele também não exibe valores de intensidade de campo distante que poderiam ser usados para calcular a potência radiante usando o método vetorial de Poynting. As tabelas de resultados fornecem os valores de ganho em decibéis GA(Θ, φ) (dBi) em uma determinada direção para uma determinada antena em relação a um radiador isotrópico ideal na mesma entrada de potência. No entanto, isso ainda é suficiente para determinar a eficiência. E mesmo usando um algoritmo mais simples do que o de (12), (3), (1):
Aqui e abaixo, os valores de GA(Θ, φ) devem estar em unidades relativas:
De acordo com o algoritmo (13), foi compilado um programa para cálculo da eficiência da antena. Programa de cálculo de eficiência da antena O programa de cálculo da eficiência da antena com base nos resultados da análise do programa MMANA está escrito em Turbo Basic e está disponível no site da revista Rádio. O arquivo kpdmm.exe é colocado em qualquer diretório e iniciado no MS DOS ou MS Windows sem qualquer instalação especial. O programa utiliza um arquivo no formato name.csv, que é criado pelo programa MMANA selecionando "Tabela de Ângulos/Ganhos" no menu "Arquivo". A eficiência pode ser calculada após análise em modo espaço livre ou modo solo ideal. As etapas ao longo dos ângulos azimutal e zenital são definidas da mesma forma. O programa fornece apenas dois valores de passo possíveis: 2° ou 10°. Para cálculos de estimativa, recomenda-se um passo de 10°, e para cálculos precisos - 2°. (Uma redução adicional da etapa no caso do programa MMANA não leva a uma melhoria significativa na precisão, mas requer uma grande quantidade de memória e retarda significativamente o processo de cálculo.) A Tabela 1 mostra os valores necessários do ângulos iniciais, o passo e o número de passos nos cantos para todas as quatro situações possíveis.
Imediatamente após o lançamento, o programa solicita que você selecione o idioma de trabalho do diálogo: Russo (codificação DOS 866) ou Inglês. Após isso, é necessário indicar em que modo foi realizada a análise da antena no MMANA (espaço livre ou solo ideal). A indicação incorreta do modo, juntamente com a entrada incorreta de dados na tabela, podem não ser detectadas pelo programa e levar a um erro significativo no cálculo da eficiência. Em seguida, insira o nome do arquivo que contém a tabela Ângulos/Ganhos. O nome do arquivo não deve conter mais de oito caracteres sem cirílico. Se o arquivo não estiver no diretório de trabalho, você deverá especificar o caminho para ele. O programa detecta arquivos especificados erroneamente, bem como erros na entrada dos dados de origem (inconsistência de dados com a tabela 1) e emite comentários apropriados. Se o arquivo ou seu caminho não for encontrado, uma mensagem será exibida. Se a entrada for bem-sucedida, após o processamento do arquivo, será exibido o resultado do cálculo da eficiência em unidades relativas e em porcentagem. Comparação e avaliação de métodos de cálculo de eficiência após simulação pelo programa MMANA A Tabela 2 mostra os resultados dos cálculos de eficiência utilizando os métodos discutidos acima para alguns modelos de antenas do arquivo MMANA, feitas de material sem perdas, bom condutor e ferro.
O modelo 1 tinha distribuição de corrente e padrões de radiação resistentes a perdas. Portanto, os resultados dos cálculos de eficiência por todos os métodos são praticamente os mesmos. Para o modelo 2 temos uma diferença notável apenas para o ferro que utiliza o primeiro método. O motivo é uma mudança significativa nas correntes no fio onde a fonte de excitação está ligada. O terceiro modelo, diferentemente do original, tinha 10 vezes menos espessura de vibradores passivos. Isto afetou muito a distribuição da corrente e o padrão de radiação, especialmente no caso do ferro. Portanto, existem desvios significativos nos resultados dos dois primeiros métodos em relação ao terceiro. O padrão de radiação do 4º modelo, sob a influência de um terreno ideal, revelou-se muito irregular, pelo que houve diferença mesmo entre os resultados do programa obtidos com diferentes passos angulares. Os resultados obtidos utilizando o programa com passo de 2° merecem a maior confiança. Dos outros métodos, o 2º método (por ganho) fornece o menor erro. AGT - teste de convergência de simulação Se você usar o programa proposto para calcular a eficiência de uma antena sem perdas, o resultado será mais próximo da unidade, mais bem-sucedida será a modelagem geométrica da estrutura do fio. Isto se aplica especialmente à segmentação, modelagem de fios pouco espaçados, estruturas pequenas e conexões de fios com ângulos acentuados. Este teste é conhecido como teste AGT (Average Gain Test) ou APG (Average Power Gain) de convergência de análise de ganho médio. A qualidade da modelagem deve ser considerada insatisfatória se o resultado ultrapassar 0,95...1,05. Quanto melhor for a qualidade da simulação, mais próximo o resultado estará da unidade. Entretanto, pode haver situações em que o resultado do teste seja exatamente um e o modelo falhe. AGT é um teste necessário, mas não suficiente. Um bom sinal da convergência e estabilidade do modelo é a fraca dependência dos parâmetros do modelo no aumento do número de segmentos (melhorando a precisão da modelagem). Se o teste AGT disponível no programa for aplicado a um modelo de antena com perdas, o resultado será a eficiência da antena. Esta possibilidade, em particular, está disponível no programa NEC2d, onde a eficiência também é calculada separadamente utilizando o método (5) com todas as suas desvantagens. Cálculo de eficiência levando em consideração a influência da terra e do meio ambiente Calcular a eficiência de uma antena sobre um terreno ideal é útil nos casos em que o sistema de antena está tão próximo da superfície da Terra ou de outra superfície particularmente condutora, que esta superfície tem um efeito significativo na distribuição de correntes ao longo dos fios. e o padrão de radiação. No modo "Terra Ideal", o programa pode processar arquivos obtidos em condições reais da Terra. O resultado do processamento será o valor da eficiência, calculado levando em consideração as perdas não só na própria antena, mas também quando refletida em uma superfície não ideal. Portanto, a mensagem “Terra Ideal (?)” contém um ponto de interrogação, alertando sobre um possível erro que o programa não consegue detectar. O cálculo da eficiência sobre um terreno real dará resultados mais ou menos corretos apenas para programas que levem em consideração a influência do terra na impedância de entrada (isso não é feito pelo programa M IN IN EC e seus derivados). O cálculo da eficiência levando em consideração o meio ambiente só é possível sob a condição de modelagem eletromagnética adequada (levando em consideração as propriedades do material) de objetos localizados no campo próximo da antena. Podem surgir dificuldades se for impossível definir diferentes parâmetros de materiais para diferentes fios (como, por exemplo, no programa MMANA). Este problema pode ser parcialmente resolvido especificando um diâmetro de fio significativamente menor (ou maior). Conclusão As questões discutidas no artigo não afetam as perdas nas linhas de alimentação e nos dispositivos correspondentes. A eficiência do dispositivo alimentador de antena como um todo é o produto da eficiência da antena e da eficiência da linha alimentadora com o dispositivo correspondente. A aplicação da técnica descrita não se limita aos programas especificados. Erros na determinação da eficiência pelo método vetorial de Poynting estão associados à qualidade da modelagem, bem como ao arredondamento dos dados no arquivo de campo distante. Infelizmente, os dados de saída após a modelagem com o programa MMANA não são altamente precisos. Espera-se que nas novas versões do programa MMANA esta desvantagem seja eliminada, e os desenvolvedores de novos programas de modelagem de antenas não se esqueçam de incluir a determinação da eficiência no número de tarefas a serem resolvidas, levando em consideração os desejos aqui expressos . Literatura
Autores: A. Grechikhin, I. Karetnikova, D. Proskuryakov, Nizhny Novgorod
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(3)
representa a densidade do fluxo de energia de radiação (W/m2) a uma determinada distância (R) em uma determinada direção (Θ, φ). Aqui Z0 = 120π (Ohm) é a impedância característica do espaço livre; E(Θ, φ, R) - intensidade (V/m) da componente do campo elétrico em um determinado ponto.
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