В эпоху цифровых технологий большая часть экспериментов с антенными устройствами переместилась с антенных полей и крыш зданий в персональные компьютеры. Для этого создаются профессиональные программы, часто недоступные обычным пользователям из-за стоимости. Особняком стоит программа MMANA GAL, совершенно бесплатная, а по достоверности ее результаты не уступают платным продуктам. Надо лишь научиться с ней работать. Далее будут показаны самые основные приемы работы в программе, позволяющие в дальнейшем развить навыки и использовать все возможности MMANA GAL.
Создание антенны с помощью графического редактора
Первое, с чего начинается расчет выбранной антенны – создание ее модели. Графический редактор MMANA GAL несложен, но несколько непривычен. Многие пользователи бросают освоение программы уже на этом этапе, хотя ничего экстраординарного здесь нет. Программа скачивается и устанавливается стандартным способом, не имеющим особенностей. После запуска в меню надо выбрать русский язык.
Создание диполя
Расчет антенны можно начать с простой ее разновидности – с диполя. В классическом виде это горизонтальная антенна, состоящая из двух половин с питанием в середину. Общая длина двух половин обычно выбирается равной ½ длины принимаемой волны.
Создание модели диполя можно рассмотреть на примере антенны на 30 телевизионный канал – в некоторых регионах на нем вещает первый мультиплекс цифрового ТВ. Центральная частота этого канала – 546 МГц, длина волны – 0,549 м и длина диполя должна быть 0,274 м.
В Правка надо выбрать Правка провода. Откроется графический редактор.
В красном прямоугольнике можно выбрать одно их трех действий:
- правка провода (изображение ластика);
- создание провода (изображение карандаша);
- создание рамки (изображение рамки).
Надо выбрать правку провода.
Зеленым прямоугольником выделены кнопки выбора проекции:
- трехмерное изображение;
- плоскость XY;
- плоскость XZ;
- плоскость YZ.
Так как антенна горизонтальная, надо выбрать плоскость XY (Z – вертикальная ось).
Теперь рисуется полотно диполя. Желательно это делать симметрично относительно начала координат – так потом проще анализировать. В правом верхнем углу тут же появляется табличка с данными провода (он один, поэтому обозначен, как Wire N1). В зеленой рамке – его длина, 20 метров. Это очень много, поэтому надо ее уменьшить. Для этого следует переключиться в меню правка провода и уменьшать длину до нужной, сохраняя симметрию. При этом надо постепенно увеличивать масштаб.
Наибольшая точность, которую дает графический редактор, позволяет создать антенну с длиной 0,28 метра. Этого недостаточно, поэтому надо нажать кнопку Да и переключиться на вкладку Геометрия.
Здесь сразу можно установить рабочую частоту антенны 546 МГц (это надо делать не выбором из выпадающего списка, а вручную). Также надо установить толщину полотна – если оно изготавливается из провода диаметром 2 мм, то надо установить радиус 1 мм.
В таблице проводов видны координаты создаваемого провода. Надо уменьшить их, чтобы получить необходимую длину. Для этого в графы, отмеченные зеленым, надо вбить 0,137 и -0,137, тогда получится полотно антенны длиной 0,137*2=0,275 м. Дальше можно сохранить файл обычным способом под названием, например, Диполь.
Создание рамки
Также можно создать антенну в виде квадратной рамки с периметром, равным длине волны. Длина стороны будет равна ¼ λ (0,137 м), питание подается в середину нижней перекладины. Сделать это можно, нарисовав 4 провода в режиме создания провода, а можно выбрать режим Создание рамки (выделено красным квадратом). Только надо выбрать плоскость XZ – рамка будет вертикальной (зеленый квадрат).
Надо обратить внимание, что нижний провод имеет номер один – в него потом будет установлен источник питания. Открыв трехмерный вид можно полюбоваться видом рамки.
На вкладке Геометрия есть координаты начал и концов всех четырех проводов, из которых состоит рамка. Здесь же надо установить рабочую частоту и радиус провода, из которого будет изготовлено полотно антенны, а также сохранить файл антенны под названием Рамка.
Создание антенны с помощью таблицы
Также можно создать антенну с помощью таблицы, задав координаты начала и конца провода. На первый взгляд, это неудобно. Но можно cделать антенну, кратную длине волны, задав единицу измерения «в лямбдах». Тогда не надо вычислить длину полотна из частоты, а задавать размеры сразу в половинах или четвертях длины волны.
В итоге получается тот же диполь, что видно на вкладке Вид. Эту антенну также можно сохранить, например, под именем Диполь 1.
Установка источника питания
После создания полотна антенны надо установить источник питания (у простых антенн он один). Таким способом указывается точка, куда подключается кабель питания. Для этого на вкладке Геометрия есть поле источников.
В графу PULSE надо вписать w1c, что означает:
- w1 – wire 1 (номер провода), а диполь и состоит из одного провода;
- с – center, расположение источника на проводе по центру.
Остальные графы на данном этапе можно не трогать. На вкладке Вид можно посмотреть расположение источника питания, он отмечен кружком.
Если надо питать антенну не в середину провода, то возможны варианты:
- w1e – источник располагается в конце провода (end);
- w1b – в начале провода (begin).
Если надо подвигать источник по длине провода, надо знать, что программа для вычисления разбивает каждый провод на сегменты (это знание пригодится при дальнейшем освоении программы). Тогда можно двигать точку питания на целое количество сегментов влево или вправо от центра, и запись будет иметь вид w1c5 (или w1c-5), что означает смещение на 5 сегментов влево или вправо.
Это также можно увидеть на вкладке Вид.
Таким же способом устанавливается источник питания для рамочной антенны.
Расчет и анализ результатов
Питаться антенна будет по 75-омному кабелю, поэтому в меню Установки — Setup перед началом расчетов надо выбрать это значение.
Остальные установки меню можно оставить до более полного освоения программы. Теперь можно перейти к расчетам параметров антенны. На вкладке Вычисления надо установить высоту, на которой будет располагаться антенна, а также материал, из которого она изготовлена.
После нажатия кнопки Пуск MMANA рассчитает параметры диполя. Видно, что антенна обладает небольшой реактивностью индуктивного характера (из-за утолщенного полотна), и ее длину надо немного уменьшить, после чего произвести расчет заново – и так до получения параметров, устраивающих пользователя. После этого ожидается вполне приемлемое согласование с кабелем 75 Ом без дополнительных мер. Диаграмму направленности можно посмотреть на соответствующей вкладке.
Если выполнить вычисления для рамки, то здесь не так все красиво. Большая реактивность индуктивного характера и плохое согласование (КСВ>8).
Требуются дополнительные меры. Можно поиграть периметром рамки, чтобы вогнать антенну в резонанс.
Автоматическая оптимизация антенн
Чтобы вогнать в резонанс диполь, можно изменить его длину вручную. Но программа умеет «настраивать» антенны сама. Для этого имеется функция Оптимизация.
На вкладке Вычисления имеется соответствующая кнопка. При ее нажатии откроется вкладка. Так как антенна Диполь состоит из одного провода, то в графе Тип надо выбрать провод и установить номер 1. Изменяемая координата будет X1, то есть, MMANA будет «подрезать» или наращивать провод с одной стороны. Надо выбрать цель настройки – минимум реактивности. Для этого движок jX выставляется на максимум, остальные движки – на минимум. После нажатия на кнопку Пуск произойдет автоматическая оптимизация.
По окончании процесса видно, что программа добилась идеального резонанса. В нем активное сопротивление около 73 Ома, что отлично согласуется с 75-омным коаксиальным кабелем. На вкладке Геометрия видно, что для этого надо уменьшить одну из половин вибратора до 12,6 см.
Установка реактивных элементов
Также программа позволяет устанавливать в антенне реактивные элементы – емкости и индуктивности. Это может понадобиться, например, для электрического удлинения или укорочения полотна антенны, если физическое увеличение невозможно.
Например, надо электрически укоротить периметр рамки, для чего в ее разрыв надо включить емкость.
На вкладке Геометрия для этого предусмотрено правое нижнее поле.
Можно установить нагрузку рядом с точкой питания. Для этого указать в графе PULSE w1c1 (подобно установке точки питания), что означает, что емкость включается в середину первого провода со смещением на 1 сегмент (выделено красным прямоугольником). MMANA тут же проставит тип нагрузки – LC (зеленый прямоугольник). Его можно сменить, щелкнув в этом поле, но в данном случае программа “угадала». Осталось только установить значение емкости – в данном случае 5 пФ (синий прямоугольник) и не забыть активировать бокс Включить нагрузки (фиолетовый). На вкладке Вид можно увидеть емкостную нагрузку в виде крестика на нижней «перекладине» рамки.
Модуль NEC-2 for MMANA
Если антенна расположена невысоко (ниже четверти волны) над проводящей поверхностью (землей, крышей дома), параметры антенны можно рассчитать более точно с помощью утилиты NEC-2. С ее помощью надо открыть созданный в MMANA GAL файл антенны (с расширением *.maa).
Для УКВ-антенн это не нужно, так как длины волн там небольшие, и влияние земли на небольшой высоте невелико. Поэтому для примера создан коротковолновый диполь на диапазон 20 метров, подвешенный на высоте 5 метров (файл Диполь 20 м.maa).
Немного оптимизировав эту антенну, удалось получить резонанс на 14,15 МГц и приемлемое согласование.
Открыв файл антенны, созданный в MMANA, в модуле NEC-2, можно согласиться с предложенными параметрами земли (красный прямоугольник) и изоляции (синий) проводов или ввести свои, если они известны.
На вкладках Table of results иRP plots можно посмотреть уточненные параметры антенны и уточненную диаграмму направленности соответственно.
Ограничения программы
Ограничения MMANA касаются в основном сегментации проводов на отрезки. На начальном этапе освоения лучше использовать автоматическую сегментацию и не задумываться об этом.
Но для точного расчета надо учитывать крупные проводящие поверхности, находящиеся рядом с антенной – чей пространственный размер соизмерим с 0,1 длины волны (а лучше – и те, которые меньше). Это могут быть стены дома, лифтовые шахты, железобетонные опоры и т.д.
Так, для расчета горизонтальной рамки на диапазон 160 м, подвешенной на высоте 30 метров по периметру дома на небольшом расстоянии от стен, пришлось изобразить стены дома в несколько упрощенном виде.
Такая модель была реализована «в железе». Замеры показали очень хорошее совпадение расчета и реальной антенны. При моделировании без учета стен дома результаты разительно отличались.
К сожалению, создатель программы Makoto Mori давно прекратил ее развитие. Но даже на этом уровне программа не первое десятилетие позволяет пользователям средней квалификации производить расчет и моделирование даже сложных антенных систем, и альтернативы MMANA GAL по совокупности достоинств в ближайшем будущем не предвидится.
