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无线电电子与电气工程百科全书 计算机模拟中天线效率的计算。 无线电电子电气工程百科全书
本文基于电磁计算机仿真结果，对评估天线和天线系统性能系数 (COP) 的一些方法进行了比较描述，并考虑了损耗。 显示了使用 MMANA 程序计算天线效率的可能性，并给出了基于仿真结果计算效率的程序的描述。 介绍 计算机建模为评估现有天线的效率和预测正在开发的天线的效率提供了有用的机会。 如果天线附近环境的物体（支架、支架、屋顶）参与辐射过程，那么就可以估计这些物体的影响，换句话说，就是整个天线系统的效率。 由于在小波（即以波长的分数表示）尺寸下很难获得高效率，因此效率估计对于小型电天线 (ESA) 特别重要 效率最通用的定义是传输模式下辐射功率PΣ与激励功率PE的比值：
其中 PL 是天线导体和电介质材料的功率损耗。 根据互易原理，在接收模式下天线的效率与发射模式下的天线效率相同。 效率的另一个定义（通过电路等效）是辐射电阻 RΣ（减少到天线连接点）与输入阻抗（阻抗）RA 的有源部分的比率，它是 RΣ 与等效损耗电阻 RL 之和：
计算模拟效率的方法 1.驱动功率和功率损耗数据的使用 根据仿真结果可以轻松计算出激励功率（提供给天线的功率）PE：
其中 lE 是励磁电流的有效（有效）值。 如果知道天线所有单独段的电流 In 和阻抗的有源分量 Rn，则计算功率损耗
然后你可以得到辐射功率作为激励功率和损耗功率之间的差：
根据公式（1）计算效率。 该方法对于评估低效率（百分之几或更低）几乎没有什么用处，特别是当确定损耗功率和励磁功率的误差很大时。 通常会获得 PΣ 的负值，从而获得效率（例如，在 NEC2d 程序中）。 2. 辐射电阻的解析计算或通过分析不考虑损耗的理想天线模型来确定辐射电阻 对于简单的天线，可以使用已知公式计算辐射电阻，或者通过对理想天线进行建模来获得辐射电阻。 这比用大误差获得的非常接近的数字之间的差异要好。 效率按式（2）计算。 应该记住，在某些情况下，电流分布以及因此降低的辐射电阻很大程度上取决于损耗，并且当通过建模理想结构来确定 RΣ 时，公式（2）可能给出具有较大误差的效率（例如，将获得大于 XNUMX 的效率）。 例如，当对长度为一个波长的偶极子进行建模时，就会发生这种情况。 3、真实天线与结构相似的无损天线最大增益值对比 众所周知，最大天线增益通过效率与最大方向性因子 (DFA) Dmax 相关：
从这里，如果有信心在不考虑损耗的情况下辐射方向图 (RP) 的形状与真实天线的 RP 形状相似，则可以直接获得效率。 该值是通过对单位效率 (η = 1) 的理想天线进行建模而获得的。 当根据关系式(6)确定效率时，Gmax和Dmax必须以相对单位表示，而不是以分贝表示。 为了从分贝转换为所考虑的量的比率，使用公式
您还可以直接从分析结果中找到以分贝为单位的效率值：
如果天线系统包含直径显着不同或材料不同的导线，则有损天线和无损天线的辐射方向图的形状可能显着不同，并且该方法也会导致错误。 4. 使用输入功率数据并使用坡印廷矢量方法确定辐射功率 计算任何天线辐射功率的最佳且最通用的方法是坡印廷矢量法 [1]。 考虑天线在自由空间中的操作模式（图 1）。
如您所知，坡印廷矢量 P 是电磁场的电 E 分量和磁 H 分量矢量的矢量积
其在远区各点M处的方向与无线电波的辐射方向重合，其值 在半径为 R 的球体上，在点 M 附近，我们选出一个由小增量 Δθ 和 Δφ 界定的区域（图 1）。 它的面积由表达式确定
通过此垫的辐射功率
通过将整个球体划分为足够多的小区域，并对所有区域的辐射功率求和，可以获得非常接近整个球面的天线辐射功率的值：
这里M是沿坐标φ的步数； N 是沿 θ 坐标的步数。 如果我们在 θ 和 φ 中采取相同的步骤 A（以度为单位），则我们得到 М = 360/Δ 和 N = 180/Δ。 对于自由空间，该表面的半径 R 的值并不重要。 根据公式（3）计算出提供给天线的功率，我们得到效率即（1）。 该方法的缺点是在实际条件下结果取决于传播介质中的损耗。 在建模中，可以通过使用自由空间或理想的地面条件来避免这种情况。 请注意，对于理想地球，不必考虑整个球体，而只需考虑上半球，且 N = 90/Δ。 基于 MMANA 程序结果的效率计算的特殊性 按段落计算。 根据有损天线和无损天线的分析结果，在上述保留的情况下，图2和图3是可能的。 唯一的条件：自由空间或理想之地的模式。 MMANA 不允许您显示各个段的阻抗以进行分析。 这使得具有严重缺陷的第一条路径（第1项）无法访问。 远场强度值也不会显示，可用于使用坡印廷矢量方法计算辐射功率。 结果表给出了给定天线相对于相同输入功率下的理想各向同性辐射器在给定方向上的增益（以分贝 GA(θ, φ) (dBi) 为单位）。 然而，这仍然足以确定效率。 甚至根据比 (12)、(3)、(1) 更简单的算法：
在这里和下面，GA(Θ, φ) 的值必须是相对单位：
根据算法(13)，编写了计算天线效率的程序。 天线效率计算程序 根据 MMANA 程序中的分析结果计算天线效率的程序是用 Turbo Basic 编写的，可在《无线电》杂志的网站上找到。 kpdmm.exe 文件放置在任意目录中，无需任何特殊安装即可在 MS DOS 或 MS Windows 上运行。 该程序使用 name.csv 形式的文件，该文件是由 MMANA 程序通过从“文件”菜单中选择“角度/钢筋表”创建的。 在自由空间模式或理想地面模式下分析后可以计算效率。 方位角和天顶角的步骤设置相同。 该程序仅提供两个可能的步长值：2° 或 10°。 对于估计计算，建议步长为 10°，对于精确计算，建议步长为 2°。 （在MMANA程序的情况下进一步减少步长并不会导致精度的显着提高，但它需要大量内存并显着减慢计算过程。）表1显示了所有四种可能情况下的初始角度、步长和角部步数的强制值。
启动后，程序立即提示您选择对话的工作语言：俄语（DOS 866 编码）或英语。 之后，您需要指定在 MMANA（自由空间或理想地面）中执行天线分析的模式。 错误的模式指示以及表中的错误数据输入可能不会被程序检测到，并导致计算效率时出现重大错误。 然后输入包含“角度/钢筋”表的文件的名称。 文件名不得超过八个字符（不含西里尔字母）。 如果该文件不在工作目录中，则必须指定它的路径。 该程序检测错误指定的文件，以及初始数据输入错误（表1中数据不一致）并发出适当的注释。 如果未找到该文件或其路径，则会显示一条消息。 如果输入成功，则在处理文件后，将显示相对单位和百分比的效率计算结果。 MMANA程序模拟后效率计算方法的比较与评价 表 2 显示了使用上述方法对 MMANA 档案中由无损材料、良导体和铁制成的一些天线模型进行效率计算的结果。
模型 1 具有耐损耗电流分布形状和模式。 因此，各种方法的效率计算结果实际上是一致的。 对于模型 2，根据第一种方法，我们仅对铁有明显的差异。 原因是激励源打开的导线中的电流发生了显着变化。 第三种模型与原始模型相比，被动振动器的厚度减小了 10 倍。 这极大地影响了电流分布和辐射方向图，特别是对于铁而言。 因此，前两种方法的结果与第三种方法的结果存在显着偏差。 在理想地球的影响下，第四个模型的方向图被证明是强烈锯齿状的，因此即使使用不同角度步长获得的程序结果之间也存在差异。 最值得信赖的是该程序以 2° 步长获得的结果。 在其他方法中，第二种方法（通过放大）提供的误差较小。 AGT——模拟收敛测试 如果您使用所提出的程序来计算无损耗的天线效率，那么结果将越接近统一，线结构的几何建模就越成功。 这尤其适用于分割、对紧密间隔的电线、小框架和锐角电线连接进行建模。 该测试称为AGT（平均增益测试）或APG（平均功率增益）测试，通过平均增益进行收敛性分析。 如果结果超出 0,95 ... 1,05 的限制，则应认为建模质量不令人满意。 模拟质量越好，结果越接近统一。 但是，可能存在测试结果恰好为 XNUMX 的情况，并且模型失败。 AGT - 验证是必要的，但还不够。 模型收敛和稳定性的一个好迹象是模型参数对增加分段数量（提高模拟精度）的弱依赖性。 如果程序中可用的 AGT 测试应用于有损天线模型，则结果将是天线效率。 这种可能性在 NEC2d 程序中尤其可用，其中效率因子也是根据方法 (5) 及其所有缺点单独计算的。 考虑地球和环境影响的效率计算 当天线系统非常靠近地面或其他表面（例如导电表面）以至于该表面对通过电线的电流分布和辐射方向图有显着影响时，计算理想地面上天线的效率非常有用。 在“理想地面”模式下，程序可以处理在真实地面条件下获得的文件。 处理的结果将是计算出的效率值，不仅考虑天线本身的损耗，而且还考虑从非理想表面反射时的损耗。 因此，在消息“Perfect (?) Ground”中存在一个问号，警告程序可能无法检测到错误。 仅对于考虑了接地对输入阻抗的影响的程序，实际接地效率的计算才会或多或少地给出正确的结果（这不是由程序 M IN IN EC 及其衍生程序完成的）。 只有在对位于天线近场的物体进行适当的电磁建模（考虑材料的特性）的情况下，才能计算考虑环境的效率。 当无法为不同的线材设置不同的材料参数时（例如在 MMANA 程序中），可能会出现困难。 通过指定更小（或更大）的线径可以部分解决这个问题。 结论 本文讨论的问题不影响馈线和匹配设备的损耗。 天馈装置整体的效率是天线效率和带有匹配装置的馈线效率的乘积。 所描述的方法的应用不限于这些程序。 使用坡印廷矢量方法确定效率的误差与模拟的质量以及远场文件中数据的舍入有关。 不幸的是，MMANA程序模拟后的输出数据不是很准确。 希望在新版本的 MMANA 程序中消除这一缺点，并且新天线建模程序的开发人员不会忘记将效率的确定纳入要解决的任务中，同时考虑到此处表达的愿望。 文学
作者：A. Grechikhin、I. Karetnikova、D. Proskuryakov、下诺夫哥罗德
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(3)
表示给定方向（θ，φ）上给定距离（R）处的辐射能通量密度（W/m2）。 这里Z0 = 120π（欧姆）是自由空间的波阻抗； E(θ, φ, R) - 给定点处电场分量的强度 (V/m)。
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