Агрегирующий дизайнер проводных антенн КВ-диапазона в среде MATLAB

Дорогов А.Ю.

Агрегирующий дизайнер проводных антенн КВ-диапазона в среде MATLAB

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Аннотация. В статье представлено описание MATLAB программы "Дизайнер Антенн", предназначенной для агрегирования и унификации средств модельного проектирования проводных антенн КВ-диапазона. Рассмотрены принципы проектирования КВ антенн для ионосферной связи, описан пользовательский интерфейс программы Дизайнера. Рассмотрен контрольный пример комплексного проектирования антенны.

Содержание
1. Принципы моделирования антенн КВ-диапазона
2. Агрегирующий MATLAB Интерфейс
3. Описание пользовательского интерфейса Дизайнера Антенн
3.1. Панель «ToolBox Antenna»
3.2. Панель «Системные параметры»
3.3. Панель «MMANA Антенны»
3.4. Радиокнопки «Оси диаграмм»
3.5. Панель «CST-Антенны»
3.6. Панель «HFANT –Антенны»
3.7. Панель «Экспорт-Антенны»
3.8. Заголовочные меню главного окна
4. Контрольный пример
4.1. Характеристики антенн
4.2. Модель антенны в пакете MATLAB Toolbox Antenna
4.3. Модель антенны в программе MMANA
4.4. Модель антенны в программе HFANT
4.5. Модель антенны в программе CST
4.6. Сравнение программных средств
5. Заключение
Список литературы

1. Принципы моделирования антенн КВ-диапазона

В КВ дальняя в диапазоне связь осуществляется через ионосферу за счёт отражения радиоволн от ионизированных слоёв, расположенных на высоте 100-120 км. Требования к антеннам для КВ-радиосвязи ионосферными волнами в основном определяются дальностью связи и диапазоном рабочих частот [[i]]. Чем больше протяжённость радиолинии, тем под меньшим углом к горизонту должен быть направлен максимум диаграммы направленности (ДН) антенны.

В этом диапазоне наибольшее применение нашли проводные антенны. Элементы антенн выполняются из провода диаметром 2-6 мм. Как правило, используются медные провода, но могут быть использованы также алюминиевые и стальные. К настоящему времени разработано большое количество теоретических моделей для расчёта характеристик проводных антенн различных конструкций. Если в библиотеке антенн можно найти требуемую конструкцию, то проектирование антенны сводится к выбору конструктивных размеров, материала проводов, размещению антенны над уровнем земли и характеристик земной поверхности. Однако при разработке новых антенн (не представленных в библиотеках) используется непосредственное моделирование электромагнитного поля в дальней и ближней зонах антенны. В этом случае моделирующие программные пакеты должны обладать развитыми средствами проектирования конструкций, моделями источников излучения и нагрузок антенных элементов. Оба подхода дополняют друг друга и часто используются для верификации построенных моделей. К моделирующим пакетам предъявляют требования по наглядному отображению результатов расчёта и возможности экспорта данных для последующего использования. При разработке антенных систем проектировщик использует одновременно несколько моделирующих программ поэтому возникает задача унификации расчётных данных полученных от различных средств моделирования как на этапе отображения результатов, так и представления данных для последующего применения. 

2. Агрегирующий MATLAB Интерфейс

В настоящей статье представлен MATLAB интерфейс, позволяющий агрегировать данные различных средств моделирования антенн с целью использования результатов в программном комплексе расчёта радиолиний [[ii]], разработанного Международным Союзом Электросвязи ITU и Моделирующем комплексе КВ-диапазона [[iii]]. Разработанный MATLAB интерфейс получил название "Дизайнер Антенн". Пользовательский интерфейс разработанной программы показан на Рис. 1.

Рис. 1. Пользовательский интерфейс программы "Дизайнер Антенн"

Программа может работать с модельными данными антенн следующих средств проектирования:

1. Antenna Toolbox MATLAB – средства проектирования антенн в составе моделирующей среды MATLAB. Набор типов антенн фиксирован. Метод проектирования – аналитические модели. Элементы антенны должны лежать в одной плоскости. Пользователь может изменять параметры антенн, выполнять расчёт характеристик, электромагнитного поля, диаграмм направленности антенн в 2D и 3D проекциях. Экспорт модельных данных обеспечивается средствами среды MATLAB. Пакет Antenna ориентирован на разработку полосковых антенн СВЧ диапазона, но с некоторыми ограничениями может быть использован для расчёта проводных КВ-антенн. Ограничения касаются типов антенн и конструктивных особенностей (в частности ограничен минимальный диаметр провода антенны, нельзя подключить нагрузочные резисторы, нельзя создать антенну пользователя).
2. Программа MMANA – средство проектирования проводных антенн КВ-диапазона [[iv]]. Содержит конструктор антенн. Метод проектирования – метод моментов при расчёте электромагнитного поля. Пользователь может создавать модели собственной конструкции, выполнять расчёт характеристик, диаграмм направленности антенн в 2D и 3D проекциях. Экспорт модельных данных поддерживается встроенными средствами.
3. CST MICROWAVE STUDIO – программа трехмерного моделирования электромагнитного поля [[v]]. Содержит конструктор антенн. Программа использует различные методы расчёта (расчет переходного процесса во временной области, анализ в частотной области, метод нахождения собственных частот). Основной метод – расчёт переходного процесса – решает задачи возбуждения СВЧ структуры радиоимпульсами, что отличает её от большинства других программных продуктов. Пользователь может создавать модели собственной конструкции и выполнять расчёт диаграмм направленности антенн в 2D и 3D проекциях и других характеристик антенны. Экспорт модельных данных поддерживается встроенными средствами.
4. Программа HFANT входит в состав комплекса расчёта радиолиний Международного института телекоммуникаций ITU [2], но может также использоваться автономно, независимо от комплекса. Набор типов антенн фиксирован. Метод проектирования – аналитические модели. Пользователь может изменять параметры антенн и выполнять расчёт их электромагнитного поля и основных характеристик. Конструкция антенн не отображается. Экспорт данных не поддерживается. Файлы моделей антенн могут непосредственно использоваться в Моделирующем комплексе.

Полный текст работы доступен ниже в разделе файлы.