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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Zur Berechnung der Effizienz von Antennen in der Computersimulation. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Zivile Funkkommunikation Der Artikel bietet eine vergleichende Beschreibung einiger Ansätze zur Bewertung des Leistungskoeffizienten (COP) von Antennen und Antennensystemen basierend auf den Ergebnissen der elektromagnetischen Computersimulation unter Berücksichtigung von Verlusten. Es werden die Möglichkeiten zur Berechnung der Antenneneffizienz mit dem MMANA-Programm aufgezeigt und eine Beschreibung des Programms zur Berechnung der Effizienz auf Basis der Simulationsergebnisse gegeben. Einführung Computermodellierung bietet nützliche Möglichkeiten zur Bewertung der Effizienz bestehender Antennen und zur Vorhersage der Effizienz von Antennen in der Entwicklung. Wenn am Strahlungsprozess Objekte aus der näheren Umgebung der Antenne (Stützen, Streben, Dach) beteiligt sind, kann der Einfluss dieser Objekte, also die Effizienz des gesamten Antennensystems, abgeschätzt werden. Die Effizienzschätzung ist von besonderem Interesse für elektrisch kleine Antennen (ESA), da es schwierig ist, bei kleinen Wellen (d. h. ausgedrückt in Bruchteilen einer Wellenlänge) eine hohe Effizienz zu erzielen Die allgemeinste Definition des Wirkungsgrades ist das Verhältnis der Strahlungsleistung P∑ zur Anregungsleistung PE im Transmissionsmodus:
Dabei ist PL der Leistungsverlust in den Materialien der Leiter und Dielektrika der Antenne. Aus dem Reziprozitätsprinzip folgt, dass im Empfangsmodus der Wirkungsgrad der Antenne derselbe ist wie im Sendemodus. Eine weitere Definition der Effizienz (durch Schaltungsäquivalent) ist das Verhältnis des auf den Antennenanschlusspunkt reduzierten Strahlungswiderstands R∑ zum aktiven Teil der Eingangsimpedanz (Impedanz) RA, der sich aus der Summe von R∑ und dem äquivalenten Verlust ergibt Widerstand RL:
Methoden zur Berechnung der Effizienz in der Simulation 1. Nutzung von Antriebsleistungs- und Verlustleistungsdaten Die Anregungsleistung (der Antenne zugeführte Leistung) PE lässt sich leicht aus den Simulationsergebnissen berechnen:
wobei lE der effektive (effektive) Wert des Erregerstroms ist. Wenn Sie die Ströme In und die aktiven Komponenten Rn der Impedanzen aller einzelnen Segmente der Antenne kennen, berechnen Sie den Leistungsverlust
dann erhält man die Strahlungsleistung als Differenz zwischen Erregerleistung und Verlustleistung:
Der Wirkungsgrad wird nach Formel (1) berechnet. Für die Beurteilung niedriger Wirkungsgrade (wenige Prozent oder weniger) ist die Methode wenig sinnvoll, insbesondere wenn die Fehler bei der Bestimmung der Verlustleistung und der Erregerleistung groß sind. Oft werden negative Werte von P∑ und damit der Effizienz erhalten (zum Beispiel im NEC2d-Programm). 2. Analytische Berechnung des Strahlungswiderstandes bzw. dessen Bestimmung durch Analyse des Modells einer idealen Antenne ohne Berücksichtigung von Verlusten Für einfache Antennen kann der Strahlungswiderstand mit bekannten Formeln berechnet oder durch Modellierung einer idealen Antenne ermittelt werden. Dies ist besser als die Differenz zwischen sehr nahe beieinander liegenden Zahlen mit großen Fehlern. Der Wirkungsgrad wird nach Formel (2) berechnet. Es ist zu beachten, dass in einigen Fällen die Stromverteilung und damit der verringerte Strahlungswiderstand stark von Verlusten abhängen und Formel (2) bei der Bestimmung von R∑ durch Modellierung einer idealen Struktur einen Wirkungsgrad mit einem großen Fehler ergeben kann (z. B Beispiel: Es wird ein Wirkungsgrad größer als eins erreicht. Dies geschieht beispielsweise bei der Modellierung eines Dipols mit der Länge einer Wellenlänge. 3. Vergleich der maximalen Gewinnwerte einer realen Antenne und einer verlustfreien Antenne mit ähnlichem Aufbau Der maximale Antennengewinn hängt bekanntermaßen mit dem maximalen Richtfaktor (DFA) Dmax über den Wirkungsgrad zusammen:
Von hier aus wird die Effizienz direkt ermittelt, wenn man sicher sein kann, dass die Form des Strahlungsmusters (RP) ohne Berücksichtigung von Verlusten der Form des RP einer realen Antenne ähnelt. Der Wert wird als Ergebnis der Modellierung einer idealen Antenne mit einem Einheitswirkungsgrad (η = 1) erhalten. Bei der Bestimmung des Wirkungsgrades aus Beziehung (6) müssen Gmax und Dmax in relativen Einheiten und nicht in Dezibel ausgedrückt werden. Um von Dezibel zu Verhältnissen der betrachteten Größen zu gelangen, werden Formeln verwendet
Sie können den Effizienzwert auch direkt aus den Analyseergebnissen in Dezibel ermitteln:
Wenn das Antennensystem Drähte mit deutlich unterschiedlichen Durchmessern oder aus unterschiedlichen Materialien enthält, können sich die Strahlungsdiagramme von verlustbehafteten und verlustfreien Antennen in ihrer Form deutlich unterscheiden, und auch diese Methode führt zu Fehlern. 4. Verwendung von Daten zur Eingangsleistung und Bestimmung der Strahlungsleistung mithilfe der Poynting-Vektormethode Die beste und universellste Methode zur Berechnung der Strahlungsleistung einer beliebigen Antenne ist die Poynting-Vektormethode [1]. Betrachten Sie die Funktionsweise der Antenne im freien Raum (Abb. 1).
Der Poynting-Vektor P ist, wie Sie wissen, das Vektorprodukt der Vektoren der elektrischen E- und magnetischen H-Komponenten des elektromagnetischen Feldes
Seine Richtung an jedem Punkt M der Fernzone stimmt mit der Strahlungsrichtung der Radiowellen und ihrem Wert überein Auf einer Kugel mit dem Radius R in der Nähe des Punktes M markieren wir eine Fläche, die durch kleine Inkremente ΔΘ und Δφ begrenzt wird (Abb. 1). Seine Fläche wird aus dem Ausdruck bestimmt
Strahlungsleistung durch dieses Pad
Wenn man die gesamte Kugel in ausreichend viele kleine Bereiche aufteilt und die Strahlungsleistungen aller Bereiche aufsummiert, kann man einen Wert erhalten, der der Strahlungsleistung der Antenne durch die gesamte Kugeloberfläche sehr nahe kommt:
Hier ist M die Anzahl der Schritte entlang der Koordinate φ; N ist die Anzahl der Schritte entlang der Θ-Koordinate. Wenn wir in Θ und φ die gleichen Schritte A in Grad machen, erhalten wir М = 360/Δ und N = 180/Δ. Für den freien Raum spielt der Wert des Radius R dieser Fläche keine Rolle. Nachdem wir die der Antenne zugeführte Leistung gemäß der Formel (3) berechnet haben, erhalten wir den Wirkungsgrad (1). Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass das Ergebnis unter realen Bedingungen von den Verlusten im Ausbreitungsmedium abhängt. Bei der Modellierung kann dies durch die Nutzung von Freiraum oder idealen Bodenverhältnissen umgangen werden. Beachten Sie, dass für eine ideale Erde nicht die gesamte Kugel, sondern nur die obere Hemisphäre berücksichtigt werden muss und N = 90/Δ. Besonderheiten der Effizienzberechnung basierend auf den Ergebnissen des MMANA-Programms Berechnung nach Absätzen. 2 und 3 ist mit den oben genannten Einschränkungen direkt aus den Ergebnissen der Analyse einer verlustbehafteten Antenne und einer verlustfreien Antenne möglich. Einzige Bedingung: der Modus des Freiraums oder des idealen Landes. MMANA ermöglicht es nicht, die Impedanzen einzelner Segmente zur Analyse anzuzeigen. Dadurch wird der erste Weg (Punkt 1), der gravierende Nachteile mit sich bringt, unzugänglich. Es werden auch keine Fernfeldstärkewerte angezeigt, die zur Berechnung der Strahlungsleistung mit der Poynting-Vektormethode herangezogen werden könnten. Die Ergebnistabellen geben den Gewinn in Dezibel GA(Θ, φ) (dBi) in einer bestimmten Richtung für eine bestimmte Antenne relativ zu einem idealen isotropen Strahler bei gleicher Eingangsleistung an. Dies reicht jedoch immer noch aus, um den Wirkungsgrad zu ermitteln. Und sogar nach einem einfacheren Algorithmus als gemäß (12), (3), (1):
Hier und im Folgenden müssen die Werte von GA(Θ, φ) in relativen Einheiten angegeben werden:
Gemäß Algorithmus (13) wurde ein Programm zur Berechnung des Antennenwirkungsgrads erstellt. Programm zur Berechnung des Antennenwirkungsgrades Das Programm zur Berechnung der Antenneneffizienz basierend auf den Analyseergebnissen im MMANA-Programm ist in Turbo Basic geschrieben und auf der Website des Radio-Magazins verfügbar. Die Datei kpdmm.exe wird in einem beliebigen Verzeichnis abgelegt und kann ohne besondere Installation unter MS DOS oder MS Windows ausgeführt werden. Das Programm verwendet eine Datei der Form name.csv, die vom MMANA-Programm durch Auswahl von „Winkel/Bewehrungstabelle“ aus dem Menü „Datei“ erstellt wird. Der Wirkungsgrad kann nach der Analyse im Freiraummodus oder im idealen Bodenmodus berechnet werden. Die Schritte für den Azimut- und Zenitwinkel sind gleich eingestellt. Das Programm bietet nur zwei mögliche Schrittwerte: 2° oder 10°. Für Schätzberechnungen empfiehlt sich eine Schrittweite von 10°, für genaue Berechnungen eine Schrittweite von 2°. (Eine weitere Schrittreduzierung im Fall des MMANA-Programms führt nicht zu einer wesentlichen Verbesserung der Genauigkeit, erfordert jedoch viel Speicher und verlangsamt den Berechnungsprozess erheblich.) Tabelle 1 zeigt die obligatorischen Werte der Anfangswinkel , die Stufe und die Anzahl der Stufen in den Ecken für alle vier möglichen Situationen.
Unmittelbar nach dem Start fordert Sie das Programm auf, die Arbeitssprache des Dialogs auszuwählen: Russisch (DOS 866-Kodierung) oder Englisch. Danach müssen Sie angeben, in welchem Modus die Antennenanalyse in MMANA durchgeführt wurde (Freiraum oder idealer Boden). Eine falsche Angabe des Modus zusammen mit einer falschen Dateneingabe in die Tabelle kann vom Programm möglicherweise nicht erkannt werden und zu einem erheblichen Fehler bei der Berechnung der Effizienz führen. Geben Sie dann den Namen der Datei ein, die die Tabelle „Winkel/Bewehrung“ enthält. Der Dateiname darf nicht mehr als acht Zeichen ohne Kyrillisch enthalten. Befindet sich die Datei nicht im Arbeitsverzeichnis, müssen Sie den Pfad dazu angeben. Das Programm erkennt fehlerhaft angegebene Dateien sowie Fehler bei der Eingabe der Ausgangsdaten (Inkonsistenz der Daten in Tabelle 1) und gibt entsprechende Kommentare aus. Wenn die Datei oder ihr Pfad nicht gefunden wird, wird eine Meldung angezeigt. Bei erfolgreicher Eingabe wird nach der Verarbeitung der Datei das Ergebnis der Berechnung der Effizienz in relativen Einheiten und in Prozent angezeigt. Vergleich und Bewertung von Methoden zur Berechnung der Effizienz nach Simulation durch das Programm MMANA Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse von Effizienzberechnungen mit den oben diskutierten Methoden für einige Antennenmodelle aus dem MMANA-Archiv aus verlustfreiem Material, gutem Leiter und Eisen.
Modell 1 hatte verlusttolerante Stromverteilungsformen und -muster. Daher stimmen die Ergebnisse der Effizienzberechnungen aller Methoden praktisch überein. Bei Modell 2 haben wir nach der ersten Methode nur für Eisen einen spürbaren Unterschied. Der Grund ist eine erhebliche Änderung der Ströme im Draht, an dem die Erregerquelle eingeschaltet ist. Das dritte Modell hatte im Gegensatz zum Original eine zehnmal geringere Dicke der passiven Vibratoren. Dies beeinflusste sowohl die Stromverteilung als auch das Strahlungsmuster stark, insbesondere im Fall von Eisen. Daher gibt es erhebliche Abweichungen der Ergebnisse der ersten beiden Methoden von der dritten. Das Richtungsmuster des 4. Modells erwies sich unter dem Einfluss der idealen Erde als stark gezackt, so dass es auch zwischen den Ergebnissen des Programms, die mit unterschiedlichen Winkelschritten erzielt wurden, einen Unterschied gab. Am zuverlässigsten sind die Ergebnisse, die das Programm mit einer Schrittweite von 2° erhält. Von den anderen Methoden liefert die 2. Methode (durch Verstärkung) einen kleineren Fehler. AGT - Simulationskonvergenztest Wenn Sie das vorgeschlagene Programm verwenden, um den Antennenwirkungsgrad ohne Verluste zu berechnen, ist das Ergebnis umso näher an Eins, je erfolgreicher die geometrische Modellierung der Drahtstruktur durchgeführt wird. Dies gilt insbesondere für die Segmentierung, die Modellierung eng beieinander liegender Drähte, kleiner Rahmen und scharfwinkliger Drahtverbindungen. Dieser Test ist als AGT- (Average Gain Test) oder APG- (Average Power Gain) Test der Konvergenz der Analyse mit der durchschnittlichen Verstärkung bekannt. Liegt das Ergebnis außerhalb der Grenzen von 0,95 ... 1,05, ist die Qualität der Modellierung als ungenügend zu betrachten. Je besser die Simulationsqualität, desto näher liegt das Ergebnis an der Einheit. Es kann jedoch Situationen geben, in denen das Testergebnis genau eins ist und das Modell fehlschlägt. AGT – Verifizierung ist notwendig, aber nicht ausreichend. Ein gutes Zeichen für die Konvergenz und Stabilität des Modells ist die schwache Abhängigkeit der Modellparameter von der Erhöhung der Anzahl der Segmente (Verbesserung der Genauigkeit der Simulation). Wenn der im Programm verfügbare AGT-Test auf ein verlustbehaftetes Antennenmodell angewendet wird, ist das Ergebnis die Antenneneffizienz. Eine solche Möglichkeit besteht insbesondere im NEC2d-Programm, wo der Effizienzfaktor ebenfalls separat nach der Methode (5) mit allen Minuspunkten berechnet wird. Wirkungsgradberechnung unter Berücksichtigung des Erd- und Umwelteinflusses Die Berechnung der Effizienz einer Antenne über idealem Boden ist nützlich, wenn sich das Antennensystem so nahe am Boden oder einer anderen Oberfläche, beispielsweise einer leitenden Oberfläche, befindet, dass diese Oberfläche einen erheblichen Einfluss auf die Verteilung der Ströme durch die Drähte und das Strahlungsmuster hat . Im Modus „Idealer Boden“ kann das Programm unter realen Bodenbedingungen gewonnene Dateien verarbeiten. Das Ergebnis der Verarbeitung ist der berechnete Effizienzwert, der unter Berücksichtigung der Verluste nicht nur in der Antenne selbst, sondern auch bei der Reflexion von einer nicht idealen Oberfläche berechnet wird. Daher steht in der Meldung „Perfekter (?) Boden“ ein Fragezeichen, das auf einen möglichen Fehler hinweist, den das Programm nicht erkennen kann. Die Berechnung der Effizienz über realer Erde liefert nur für Programme, die den Einfluss der Erde auf die Eingangsimpedanz berücksichtigen, mehr oder weniger korrekte Ergebnisse (dies wird von den Programmen M IN IN EC und ihren Derivaten nicht durchgeführt). Eine Berechnung des Wirkungsgrades unter Berücksichtigung der Umgebung ist nur unter der Voraussetzung einer geeigneten (unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften) elektromagnetischen Modellierung von Objekten möglich, die sich im Nahfeld der Antenne befinden. Schwierigkeiten können auftreten, wenn es nicht möglich ist, unterschiedliche Materialparameter für verschiedene Drähte einzustellen (wie zum Beispiel im MMANA-Programm). Dieses Problem kann teilweise durch die Angabe eines viel kleineren (oder größeren) Drahtdurchmessers gelöst werden. Abschluss Die im Artikel behandelten Probleme wirken sich nicht auf Verluste in Zuleitungen und Anpassungsgeräten aus. Der Wirkungsgrad des Antennen-Speisegeräts als Ganzes ist das Produkt aus dem Antennenwirkungsgrad und dem Wirkungsgrad der Speiseleitung mit dem Anpassgerät. Die Anwendung der beschriebenen Methodik ist nicht auf diese Programme beschränkt. Die Fehler bei der Bestimmung der Effizienz mit der Poynting-Vektormethode hängen mit der Qualität der Simulation sowie mit der Rundung der Daten in der Datei für das Fernfeld zusammen. Leider sind die Ausgabedaten nach der Simulation durch das MMANA-Programm nicht sehr genau. Es besteht die Hoffnung, dass dieser Mangel in neuen Versionen des MMANA-Programms behoben wird und die Entwickler neuer Antennenmodellierungsprogramme nicht vergessen, die Bestimmung der Effizienz unter Berücksichtigung der hier geäußerten Wünsche in die zu lösenden Aufgaben aufzunehmen. Literatur
Autoren: A. Grechikhin, I. Karetnikova, D. Proskuryakov, Nischni Nowgorod
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(3)
stellt die Strahlungsenergieflussdichte (W/m2) in einem gegebenen Abstand (R) in einer gegebenen Richtung (Θ, φ) dar. Hier ist Z0 = 120π (Ohm) die Wellenimpedanz des freien Raums; E(Θ, φ, R) – Intensität (V/m) der elektrischen Feldkomponente an einem bestimmten Punkt.
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