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無線電子工学および電気工学の百科事典 コンピューターシミュレーションによるアンテナ効率の計算へ。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
この記事では、損失を考慮した電磁コンピュータ モデリングの結果に基づいて、アンテナおよびアンテナ システムの成績係数 (効率) を推定するためのいくつかのアプローチを比較説明します。 MMANA プログラムを使用してアンテナ効率を計算する可能性を示し、シミュレーション結果に基づいて効率を計算するプログラムについて説明します。 導入 コンピュータ モデリングは、既存のアンテナの効率を推定したり、開発中のアンテナの効率を予測したりするための便利な機能を提供します。 アンテナのすぐ近くにある物体 (サポート、支柱、屋根) が放射プロセスに関与している場合、これらの物体の影響、つまりアンテナ システム全体の効率を評価することができます。 電気的に小型のアンテナ (EMA) では、小さな波長 (つまり、波長の分数で表される) サイズで高い効率を得るのが難しいため、効率の推定は特に重要です。 効率の最も一般的な定義は、送信モードにおける放射パワー P∑ と励起パワー PE の比です。
ここで、PL はアンテナの導体と誘電体の材料における電力損失です。 相反性の原理から、受信モードにおけるアンテナの効率は送信モードの場合と同じであることがわかります。 (回路等価による) 効率のもう XNUMX つの定義は、アンテナ接続点に換算した放射抵抗 R∑ と、入力インピーダンス (インピーダンス) RA の有効部分 (R∑ と等価損失の合計) との比です。抵抗RL:
シミュレーションでの効率計算方法 1. ドライブ電力および電力損失データの使用 励起電力 (アンテナに供給される電力) PE は、シミュレーション結果から簡単に計算できます。
ここで、lE は励起電流の実効値です。 すべての個々のアンテナ セグメントのインピーダンスの電流 In と有効成分 Rn がわかっている場合、損失電力を計算します。
放射パワーは励起パワーと損失パワーの差として得られます。
効率は式（1）に従って計算されます。 この方法は、特に損失電力と励起電力を決定する際の誤差が大きい場合、低効率 (数パーセント以下) を推定する場合にはほとんど役に立ちません。 多くの場合、P∑ の負の値が得られ、したがって効率が得られます (たとえば、NEC2d プログラム)。 2. 損失を考慮しない理想的なアンテナのモデルを解析することによる放射抵抗の解析計算またはその決定 単純なアンテナの場合、放射抵抗は既知の公式を使用して計算するか、理想的なアンテナをモデル化することによって取得できます。 これは、大きな誤差で得られた非常に近い数値の差として取得するよりも優れています。 効率は式(2)で計算されます。 場合によっては、電流分布、したがって放射抵抗の減少が損失に大きく依存すること、および理想的な構造をモデル化して R∑ を決定する場合の式 (2) では、大きな誤差を伴う効率が得られる可能性があることに留意する必要があります。たとえば、XNUMX よりも大きな効率が得られます)。 これは、たとえば、XNUMX 波長の長さの双極子をモデル化するときに発生します。 3. 実際のアンテナと同様の構造のロスレスアンテナの最大利得値の比較 知られているように、最大アンテナ ゲインは、効率を通じて最大指向性係数 (DC) Dmax に関係します。
ここから、損失を考慮しない放射パターン (RP) の形状が実際のアンテナのパターンの形状に類似しているという確信がある場合、効率が直接取得されます。 この値は、ユニット効率 (η = 1) で理想的なアンテナをモデル化することによって取得されます。 関係式 (6) から効率を決定する場合、Gmax と Dmax はデシベルではなく相対単位で表す必要があります。 デシベルから考慮中の量の比率に移動するには、公式が使用されます。
解析結果から効率値をデシベル単位で直接見つけることもできます。
アンテナ システムに大幅に異なる直径または異なる材質のワイヤが含まれている場合、損失のあるアンテナと損失のないアンテナの放射パターンの形状が著しく異なる可能性があり、この方法でも誤差が生じます。 4. 入力パワーデータを使用し、ポインティングベクトル法を使用して放射パワーを決定する アンテナの放射電力を計算するための最良かつ最も汎用的な方法は、ポインティング ベクトル法 [1] です。 自由空間でのアンテナの動作モードを検討してください（図1）。
知られているように、ポインティング ベクトル P は、電磁場の電気 E 成分と磁気 H 成分のベクトルのベクトル積です。
ファーゾーンの各点Mにおけるその方向は電波の放射方向と一致し、その大きさは 点 M 付近の半径 R の球上で、小さな増分 ΔΘ と Δφ によって制限される領域を選択してみましょう (図 1)。 その面積は式から決定されます
このパッドを介した放射電力
球全体を十分に大きな数の小さな領域に分割し、すべての領域の放射電力を合計すると、球面全体でのアンテナの放射電力に非常に近い値を取得できます。
ここで、M は φ 座標に沿ったステップ数です。 N は Θ 座標に沿ったステップ数です。 Θ と φ で度単位で同じステップ A を実行すると、M = 360/Δ および N = 180/Δ が得られます。 自由空間の場合、この表面の半径 R は重要ではありません。 式 (3) を使用してアンテナに供給される電力を計算すると、アンテナの効率 (1) が得られます。 この方法の欠点は、実際の状況では結果が配布環境の損失に依存することです。 モデリングでは、自由空間または理想的な地面条件を使用することで、これを回避できます。 理想的な地球の場合、球全体ではなく上半球のみを考慮する必要があり、N = 90/Δであることに注意してください。 MMANAプログラムの結果に基づく効率計算の特徴 段落に従って計算します。 図２および図３は、損失のあるアンテナおよび損失のないアンテナの解析結果から直接上記の予約を使用して可能である。 唯一の条件は、自由空間または理想的な土地のモードです。 MMANA では、個々のセグメントのインピーダンスを分析用に出力することはできません。 これにより、重大な欠点を持つ最初のパス (ポイント 1) にアクセスできなくなります。 また、ポインティング ベクトル法を使用して放射パワーを計算するために使用できる遠方界磁界強度値も表示されません。 結果の表には、同じ電力入力における理想的な等方性ラジエーターに対する、特定のアンテナの特定の方向におけるゲイン値がデシベル単位で GA(Θ, φ) (dBi) で示されています。 ただし、効率を判断するにはこれでも十分です。 また、(12)、(3)、(1) に従うよりも単純なアルゴリズムを使用した場合でも、次のようになります。
ここと以下では、GA（Θ、φ）の値は相対的な単位でなければなりません：
アルゴリズム（１３）に従って、アンテナ効率を計算するためのプログラムがコンパイルされた。 アンテナ効率計算プログラム MMANA プログラムの解析結果に基づいてアンテナ効率を計算するプログラムは Turbo Basic で作成されており、ラジオ マガジンの Web サイトから入手できます。 kpdmm.exe ファイルは任意のディレクトリに配置され、特別なインストールを行わなくても MS DOS または MS Windows で起動されます。 このプログラムは、MMANA プログラムによって「ファイル」メニューの「角度/ゲイン テーブル」を選択して作成される、name.csv 形式のファイルを使用します。 効率は自由空間モードまたは理想地上モードで解析した後に計算できます。 方位角と天頂角に沿ったステップは同じに設定されます。 プログラムでは、2 ° または 10° の 10 つの可能なステップ値のみが提供されます。 推定計算の場合は 2° のステップが推奨され、正確な計算の場合は 1° のステップが推奨されます。 (MMANA プログラムの場合、ステップをさらに削減しても精度の大幅な向上にはつながりませんが、大量のメモリが必要になり、計算プロセスが大幅に遅くなります。) 表 XNUMX に、初期のステップの必要な値を示します。考えられる XNUMX つのすべての状況におけるコーナーの角度、ステップ、およびステップの数。
起動直後、プログラムはダイアログの使用言語を選択するように求めます: ロシア語 (DOS 866 エンコーディング) または英語。 この後、MMANA でアンテナ解析がどのモード (自由空間または理想接地) で実行されたかを示す必要があります。 モードの誤った表示は、テーブルへの誤ったデータ入力とともに、プログラムによって検出されず、効率の計算に重大なエラーを引き起こす可能性があります。 次に、角度/ゲイン テーブルを含むファイルの名前を入力します。 ファイル名には、キリル文字を除く 1 文字以内を含める必要があります。 ファイルが作業ディレクトリにない場合は、そのファイルへのパスを指定する必要があります。 ファイルの指定間違いやソースデータの入力ミス（表XNUMXとのデータの不一致）を検出し、適切なコメントを発行します。 ファイルまたはそのパスが見つからない場合は、メッセージが表示されます。 入力が成功すると、ファイルを処理した後、効率を相対単位およびパーセンテージで計算した結果が表示されます。 MMANAプログラムによるシミュレーション後の効率計算方法の比較と評価 表 2 は、MMANA アーカイブにある、無損失材料、良導体、鉄で作られたいくつかのアンテナ モデルについて、上で説明した方法を使用した効率計算の結果を示しています。
モデル 1 は損失に強い電流分布と放射パターンを備えていました。 したがって、どの方法による効率計算結果もほぼ同じになります。 モデル 2 では、最初の方法を使用したアイアンでのみ顕著な違いが見られます。 その理由は、励磁源がオンになっているワイヤ内の電流が大きく変化するためです。 10 番目のモデルは、オリジナルのものとは異なり、パッシブ バイブレーターの厚さが XNUMX 分の XNUMX でした。 これは、特に鉄の場合、電流分布と放射パターンの両方に大きな影響を与えました。 したがって、最初の XNUMX つの方法の結果と XNUMX 番目の方法の結果には大きな差異があります。 4 番目のモデルの放射パターンは、理想的な接地の影響で非常にギザギザになっていることが判明したため、異なる角度ステップで得られたプログラム結果間にも違いがありました。 2° ステップのプログラムを使用して得られた結果は、最大の信頼に値します。 他の方法のうち、2 番目の方法 (ゲインによる) の方が誤差が小さくなります。 AGT - シミュレーション収束テスト 提案されたプログラムを使用してアンテナの効率を損失なく計算すると、ワイヤ構造の幾何学的モデリングがより適切に実行されるほど、結果は 0,95 に近づきます。 これは、特にセグメンテーション、密集したワイヤ、小さなフレーム、鋭角なワイヤ接続のモデリングに当てはまります。 このテストは、AGT (平均ゲイン テスト) または APG (平均パワー ゲイン) として知られており、平均ゲインに基づく解析収束テストです。 結果が 1,05...XNUMX を超える場合、モデリングの品質は不十分であると見なされます。 シミュレーションの品質が高ければ高いほど、結果は統一に近づきます。 ただし、テスト結果が XNUMX つだけでモデルが失敗する状況が発生する可能性があります。 AGT は必要な検査ですが、十分ではありません。 モデルの収束と安定性の良い兆候は、セグメント数の増加 (モデリング精度の向上) に対するモデル パラメーターの依存性が低いことです。 プログラムで利用可能な AGT テストを損失のあるアンテナ モデルに適用すると、結果はアンテナ効率になります。 この可能性は、特に NEC2d プログラムで利用できます。このプログラムでは、すべての欠点を伴う方法 (5) を使用して効率も個別に計算されます。 地球や環境の影響を考慮した効率計算 理想的な接地におけるアンテナの効率の計算は、アンテナ システムが地表または別の、特に導電性の表面に非常に近く、この表面がワイヤに沿った電流の分布に大きな影響を与える場合に役立ちます。そして放射パターン。 「理想的な地球」モードでは、プログラムは実際の地球条件下で取得されたファイルを処理できます。 処理の結果は、アンテナ自体の損失だけでなく、理想的でない表面からの反射による損失も考慮して計算された効率値となります。 したがって、「理想的な (?) 地球」というメッセージには疑問符が含まれており、プログラムが検出できないエラーの可能性について警告しています。 実際のグランドでの効率の計算は、入力インピーダンスに対するグランドの影響を考慮したプログラムの場合にのみ、多かれ少なかれ正しい結果が得られます (これは、M IN IN EC プログラムとその派生プログラムでは行われません)。 環境を考慮した効率の計算は、アンテナの近接場にある物体の適切な（材料の特性を考慮した）電磁モデリングの条件下でのみ可能です。 異なるワイヤに対して異なる材料パラメータを設定できない場合は、問題が発生する可能性があります (MMANA プログラムなど)。 この問題は、大幅に小さい (または大きい) ワイヤ直径を指定することで部分的に解決できます。 まとめ この記事で説明されている問題は、給電線や整合デバイスの損失には影響しません。 アンテナ給電装置全体の効率は、アンテナの効率と整合器を備えた給電線の効率の積になります。 説明された技術の適用は、特定のプログラムに限定されません。 ポインティング ベクトル法を使用して効率を決定する際のエラーは、モデリングの品質およびファーフィールド ファイル内のデータの丸めに関連しています。 残念ながら、MMANA プログラムでモデリングした後の出力データはあまり正確ではありません。 MMANA プログラムの新しいバージョンでは、この欠点が解消されることが期待されており、新しいアンテナ モデリング プログラムの開発者は、ここで表明された要望を考慮して、解決すべきタスクの数に効率の決定を含めることを忘れないようにするでしょう。 。 文学
著者: A. Grechikhin、I. Karetnikova、D. Proskuryakov、Nizhny Novgorod
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(3)
は、所定の方向 (Θ、φ) における所定の距離 (R) における放射線エネルギー束密度 (W/m2) を表します。 ここで、Z0 = 120π (オーム) は自由空間の特性インピーダンスです。 E(Θ, φ, R) - 特定の点における電場成分の強度 (V/m)。
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