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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Au calcul de l'efficacité des antennes en simulation informatique. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Radiocommunications civiles L'article fournit une description comparative de certaines approches d'évaluation du coefficient de performance (COP) des antennes et des systèmes d'antennes sur la base des résultats de la simulation informatique électromagnétique, en tenant compte des pertes. Les possibilités de calcul de l'efficacité de l'antenne à l'aide du programme MMANA sont présentées et une description du programme de calcul de l'efficacité basée sur les résultats de la simulation est donnée. introduction La modélisation informatique offre des opportunités utiles pour évaluer l'efficacité des antennes existantes et prédire l'efficacité des antennes en cours de développement. Si des objets de l'environnement proche de l'antenne (supports, entretoises, toit) participent au processus de rayonnement, alors il est possible d'estimer l'influence de ces objets, en d'autres termes, l'efficacité de l'ensemble du système d'antenne. L'estimation de l'efficacité est particulièrement intéressante pour les antennes électriquement petites (ESA) en raison de la difficulté d'obtenir une efficacité élevée à une petite taille d'onde (c'est-à-dire exprimée en fractions de longueur d'onde) La définition la plus générale du rendement est le rapport de la puissance de rayonnement P∑ à la puissance d'excitation PE en mode transmission :
où PL est la puissance dissipée dans les matériaux des conducteurs et des diélectriques de l'antenne. Il résulte du principe de réciprocité qu'en mode réception le rendement de l'antenne est le même qu'en mode émission. Une autre définition du rendement (par équivalent de circuit) est le rapport de la résistance de rayonnement R∑, ramenée au point de connexion de l'antenne, à la partie active de l'impédance d'entrée (impédance) RA, qui est la somme de R∑ et de la perte équivalente résistance RL :
Méthodes de calcul de l'efficacité en simulation 1. Utilisation de la puissance du disque et des données de perte de puissance La puissance d'excitation (puissance fournie à l'antenne) PE se calcule facilement à partir des résultats de la simulation :
où lE est la valeur effective (efficace) du courant d'excitation. Si, connaissant les courants In et les composantes actives Rn des impédances de tous les segments individuels de l'antenne, calculez la perte de puissance
alors vous pouvez obtenir la puissance de rayonnement comme la différence entre la puissance d'excitation et la puissance de perte :
L'efficacité est calculée selon la formule (1). La méthode est peu utile pour évaluer un faible rendement (quelques pour cent ou moins), en particulier lorsque les erreurs de détermination de la puissance de perte et de la puissance d'excitation sont importantes. Des valeurs souvent négatives de P∑ et donc d'efficacité sont obtenues (par exemple, dans le programme NEC2d). 2. Calcul analytique de la résistance au rayonnement ou sa détermination en analysant le modèle d'une antenne idéale sans tenir compte des pertes Pour les antennes simples, la résistance au rayonnement peut être calculée à l'aide de formules connues ou obtenue en modélisant une antenne idéale. C'est mieux que de l'avoir comme différence entre des nombres très proches obtenus avec de grandes erreurs. L'efficacité est calculée selon la formule (2). Il convient de garder à l'esprit que dans certains cas, la distribution du courant et, par conséquent, la résistance réduite au rayonnement dépendent fortement des pertes, et la formule (2) lors de la détermination de R∑ en modélisant une structure idéale peut donner une efficacité avec une grande erreur (pour exemple, un rendement supérieur à l'unité sera obtenu). Cela se produit, par exemple, lors de la modélisation d'un dipôle d'une longueur d'une longueur d'onde. 3. Comparaison des valeurs de gain maximales d'une antenne réelle et d'une antenne sans perte de structure similaire Le gain d'antenne maximal, comme on le sait, est lié au facteur de directivité maximal (DFA) Dmax par l'efficacité :
A partir de là, l'efficacité est directement obtenue s'il est certain que la forme du diagramme de rayonnement (RP) sans tenir compte des pertes est similaire à la forme du RP d'une antenne réelle. La valeur est obtenue à la suite de la modélisation d'une antenne idéale avec un rendement unitaire (η = 1). Lors de la détermination du rendement à partir de la relation (6), Gmax et Dmax doivent être exprimés en unités relatives et non en décibels. Pour passer des décibels aux rapports des grandeurs considérées, on utilise des formules
Vous pouvez également trouver la valeur d'efficacité à partir des résultats d'analyse en décibels directement :
Si le système d'antenne contient des fils de diamètres très différents ou de matériaux différents, les diagrammes de rayonnement des antennes avec et sans perte peuvent différer considérablement en forme, et cette méthode entraîne également des erreurs. 4. Utilisation des données sur la puissance d'entrée et détermination de la puissance de rayonnement à l'aide de la méthode vectorielle de Poynting La méthode la meilleure et la plus universelle pour calculer la puissance de rayonnement de toute antenne est la méthode vectorielle de Poynting [1]. Considérez le mode de fonctionnement de l'antenne dans l'espace libre (Fig. 1).
Le vecteur de Poynting P, comme vous le savez, est le produit vectoriel des vecteurs des composantes électrique E et magnétique H du champ électromagnétique
Sa direction en chaque point M de la zone lointaine coïncide avec la direction de rayonnement des ondes radio, et sa valeur Sur une sphère de rayon R, au voisinage du point M, on distingue une zone délimitée par de petits incréments ΔΘ et Δφ (Fig. 1). Son aire est déterminée à partir de l'expression
Puissance de rayonnement à travers ce pad
En divisant la sphère entière en un nombre suffisamment grand de petites zones et en additionnant les puissances de rayonnement à travers toutes les zones, on peut obtenir une valeur très proche de la puissance de rayonnement de l'antenne à travers toute la surface sphérique :
Ici M est le nombre de pas le long de la coordonnée φ ; N est le nombre de pas le long de la coordonnée Θ. Si on fait les mêmes pas A en degrés en Θ et φ, alors on obtient М = 360/Δ et N = 180/Δ. Pour l'espace libre, la valeur du rayon R de cette surface n'a pas d'importance. Après avoir calculé la puissance fournie à l'antenne selon la formule (3), on obtient le rendement ie (1). L'inconvénient de cette méthode est qu'en conditions réelles le résultat dépend des pertes dans le milieu de propagation. En modélisation, cela peut être contourné en utilisant un espace libre ou des conditions de sol idéales. A noter que pour une terre idéale, il faut considérer non pas toute la sphère, mais seulement l'hémisphère supérieur, et N = 90/Δ. Particularités du calcul d'efficacité basé sur les résultats du programme MMANA Calcul selon les paragraphes. 2 et 3 est possible sous les réserves ci-dessus directement à partir des résultats de l'analyse d'une antenne avec perte et d'une antenne sans perte. Seule condition : le mode d'espace libre ou de terrain idéal. MMANA ne vous permet pas d'afficher les impédances de segments individuels pour analyse. Ceci rend le premier chemin (item 1), qui présente de sérieux inconvénients, inaccessible. Les valeurs d'intensité de champ lointain ne sont pas non plus affichées, ce qui pourrait être utilisé pour calculer la puissance de rayonnement à l'aide de la méthode vectorielle de Poynting. Les tableaux de résultats donnent le gain en décibels GA(Θ, φ) (dBi) dans une direction donnée pour une antenne donnée par rapport à un radiateur isotrope idéal à la même puissance d'entrée. Cependant, cela reste suffisant pour déterminer l'efficacité. Et même selon un algorithme plus simple que selon (12), (3), (1) :
Ici et ci-dessous, les valeurs de GA(Θ, φ) doivent être en unités relatives :
Conformément à l'algorithme (13), un programme a été compilé pour calculer l'efficacité de l'antenne. Programme de calcul d'efficacité d'antenne Le programme de calcul de l'efficacité de l'antenne sur la base des résultats d'analyse du programme MMANA est écrit en Turbo Basic et est disponible sur le site Web du magazine Radio. Le fichier kpdmm.exe est placé dans n'importe quel répertoire et s'exécute sous MS DOS ou MS Windows sans aucune installation spéciale. Le programme utilise un fichier de la forme name.csv, qui est créé par le programme MMANA en choisissant "Angle/Reinforcement Table" dans le menu "File". L'efficacité peut être calculée après analyse en mode espace libre ou en mode sol idéal. Les étapes pour les angles d'azimut et de zénith sont identiques. Le programme ne propose que deux valeurs de pas possibles : 2° ou 10°. Pour des calculs estimés, un pas de 10° est recommandé, et pour des calculs précis, un pas de 2°. (Une réduction supplémentaire des étapes dans le cas du programme MMANA n'entraîne pas une amélioration significative de la précision, mais elle nécessite une grande quantité de mémoire et ralentit considérablement le processus de calcul.) Le tableau 1 montre les valeurs obligatoires des angles initiaux , le pas et le nombre de pas dans les coins pour les quatre situations possibles.
Immédiatement après le lancement, le programme vous invite à sélectionner la langue de travail du dialogue : russe (codage DOS 866) ou anglais. Après cela, vous devez spécifier dans quel mode l'analyse d'antenne a été effectuée dans MMANA (espace libre ou sol idéal). Une indication incorrecte du mode, ainsi qu'une entrée de données incorrecte dans le tableau, peuvent ne pas être détectées par le programme et entraîner une erreur significative dans le calcul de l'efficacité. Saisissez ensuite le nom du fichier contenant le tableau "Angles/armatures". Le nom du fichier ne doit pas contenir plus de huit caractères sans cyrillique. Si le fichier ne se trouve pas dans le répertoire de travail, vous devez spécifier son chemin d'accès. Le programme détecte les fichiers spécifiés par erreur, ainsi que les erreurs dans la saisie des données initiales (incohérence des données dans le tableau 1) et émet des commentaires appropriés. Si le fichier ou son chemin est introuvable, un message s'affiche. Si la saisie est réussie, après traitement du fichier, le résultat du calcul de l'efficacité en unités relatives et en pourcentage s'affiche. Comparaison et évaluation des méthodes de calcul d'efficacité après simulation par le programme MMANA Le tableau 2 montre les résultats des calculs d'efficacité à l'aide des méthodes décrites ci-dessus pour certains modèles d'antenne de l'archive MMANA en matériau sans perte, bon conducteur et fer.
Le modèle 1 avait des formes et des modèles de distribution de courant tolérants aux pertes. Par conséquent, les résultats des calculs d'efficacité par toutes les méthodes coïncident pratiquement. Pour le modèle 2, nous avons une différence notable uniquement pour le fer selon la première méthode. La raison en est un changement significatif des courants dans le fil où la source d'excitation est activée. Le troisième modèle, contrairement à l'original, avait une épaisseur de vibrateurs passifs 10 fois plus petite. Cela a grandement affecté à la fois la distribution du courant et le diagramme de rayonnement, en particulier dans le cas du fer. Par conséquent, il existe des écarts significatifs entre les résultats des deux premières méthodes et de la troisième. Le modèle directionnel du 4ème modèle s'est avéré être fortement dentelé sous l'influence de la terre idéale, il y avait donc une différence même entre les résultats du programme obtenus avec différents pas d'angle. Les plus fiables sont les résultats obtenus par le programme avec un pas de 2°. Parmi les autres méthodes, la 2ème méthode (par amplification) fournit une plus petite erreur. AGT - essai de convergence de simulation Si vous utilisez le programme proposé pour calculer l'efficacité de l'antenne sans pertes, le résultat sera d'autant plus proche de l'unité que la modélisation géométrique de la structure du fil sera effectuée avec succès. Cela s'applique en particulier à la segmentation, à la modélisation de fils étroitement espacés, de petits cadres et de connexions de fils à angle aigu. Ce test est connu sous le nom de test AGT (Average Gain Test) ou APG (Average Power Gain) test de convergence de l'analyse par le gain moyen. La qualité de la modélisation doit être considérée comme insatisfaisante si le résultat est en dehors des limites de 0,95 ... 1,05. Plus la qualité de la simulation est bonne, plus le résultat est proche de l'unité. Cependant, il peut y avoir des situations où le résultat du test est exactement un et le modèle échoue. AGT - la vérification est nécessaire mais pas suffisante. Un bon signe de la convergence et de la stabilité du modèle est la faible dépendance des paramètres du modèle à l'augmentation du nombre de segments (améliorant la précision de la simulation). Si le test AGT disponible dans le programme est appliqué à un modèle d'antenne avec perte, le résultat sera l'efficacité de l'antenne. Une telle possibilité, en particulier, est disponible dans le programme NEC2d, où le facteur d'efficacité est également calculé séparément selon la méthode (5) avec tous ses inconvénients. Calcul du rendement en tenant compte de l'influence de la terre et de l'environnement Le calcul de l'efficacité d'une antenne sur un sol idéal est utile lorsque le système d'antenne est si proche du sol ou d'une autre surface, telle qu'une surface conductrice, que cette surface a un effet significatif sur la distribution des courants à travers les fils et le diagramme de rayonnement . En mode "Terrain idéal", le programme peut traiter des fichiers obtenus dans des conditions de terrain réelles. Le résultat du traitement sera la valeur d'efficacité calculée en tenant compte des pertes non seulement dans l'antenne elle-même, mais également lorsqu'elle est réfléchie par une surface non idéale. Par conséquent, dans le message "Perfect (?) Ground", il y a un point d'interrogation avertissant d'une éventuelle erreur que le programme ne peut pas détecter. Le calcul du rendement sur terre réelle ne donnera des résultats plus ou moins corrects que pour les programmes prenant en compte l'effet de terre sur l'impédance d'entrée (ce n'est pas fait par les programmes M IN IN EC et ses dérivés). Le calcul du rendement tenant compte de l'environnement n'est possible que sous la condition d'une modélisation électromagnétique appropriée (tenant compte des propriétés du matériau) des objets situés dans le champ proche de l'antenne. Des difficultés peuvent survenir lorsqu'il est impossible de définir différents paramètres de matériau pour différents fils (comme, par exemple, dans le programme MMANA). Ce problème peut être partiellement résolu en spécifiant un diamètre de fil beaucoup plus petit (ou plus grand). Conclusion Les problèmes abordés dans l'article n'affectent pas les pertes dans les lignes d'alimentation et les appareils correspondants. L'efficacité du dispositif antenne-alimentation dans son ensemble est le produit de l'efficacité de l'antenne et de l'efficacité de la ligne d'alimentation avec le dispositif d'adaptation. L'application de la méthodologie décrite ne se limite pas à ces programmes. Les erreurs dans la détermination de l'efficacité à l'aide de la méthode vectorielle de Poynting sont liées à la qualité de la simulation, ainsi qu'à l'arrondi des données dans le fichier pour le champ lointain. Malheureusement, les données de sortie après simulation par le programme MMANA ne sont pas très précises. On espère que dans les nouvelles versions du programme MMANA, cette lacune sera éliminée, et les développeurs de nouveaux programmes de modélisation d'antennes n'oublieront pas d'inclure la détermination de l'efficacité parmi les tâches à résoudre, en tenant compte des souhaits exprimés ici. littérature
Auteurs : A. Grecikhin, I. Karetnikova, D. Proskuryakov, Nizhny Novgorod
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(3)
représente la densité de flux d'énergie de rayonnement (W/m2) à une distance donnée (R) dans une direction donnée (Θ, φ). Ici, Z0 = 120π (Ohm) est l'impédance d'onde de l'espace libre ; E(Θ, φ, R) - intensité (V/m) de la composante du champ électrique en un point donné.
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