הבנה של Yagi Antennas

האנטנה Yagi-Uda, המכונה בדרך כלל אנטנה Yagi, היא מערך parasitic כיוון שהשיג רווח גבוה באמצעות סידור ליניארי של אלמנטים מקבילים. A מונע, בדרך כלל חצי גל dipole או מתקפל dipole, ממוקם בין משקף ארוך יותר מאחורי זה לבין אחד או יותר מנהלים לפני תצורה זו יוצרת מבנה גלי-גל: רפלקציה בפועל, לדחוף את האנרגיה היישר קדימה, תוך כדי הפעלת נקודה מעולה עם הקדמית מעולה, עם אדפט.

הפרמטרים העיצוביים המרכזיים כוללים אורך אלמנט, קוטר, ספיגה, ואורך הפריחה הכולל.הוספת יותר מנהלים מגבירים את הרווח, אבל כל מנהל נוסף מניב תשואה מעבר לשש עד שמונה אלמנטים עבור עיצובים משותפים VHF ו- UHF.האורך הפיזי של הפריחה משפיע ישירות על ישירות ישירות ישירות ישירות ישירות ישירות - פריחה ארוכה יותר מאפשר אדני ביצועים טובים ובכך להשיג יותר התאמה גבוהה יותר, אבל גם עלייה עומס רוח ומורכבות מכנית.

אנטנה יאגי בנויה לתדרים מ-HF (כאשר אורך האלמנט יכול לעלות על 10 מטרים) באמצעות להקות UHF ומיקרוגל, שבו דיוק ממדי הופך קריטי.הבנת Yagi כמבנה גלי איטי - שבו מהירות שלב לאורך הפריחה משתנה על ידי עומסי אלמנטים תגובתיים - מספק את הבסיס התיאורטי הדרוש לסימולציה יעילה.

הצורך בחיזוי קרינה

בהתקנות בעולם האמיתי, דפוס הקרינה של Yagi לעתים רחוקות מתאים תחזיות תיאורטיות פשוטות ללא ניתוח זהיר.מוליכים סמוכים, מטוסים קרקעיים, מבנים עולים, ואפילו הגוף של המפעיל יכול לעוות את התבנית באופן משמעותי.הגישה האינטואיטיבית של התאמת אורכי יסוד לכוונון נכשלת כי שינויים הדדיים מתפתלים ואימפולסיביאום בדרכים לא לינאריות.

תוכנת סימום מתייחסת לאתגרים אלה על ידי מודל של הסביבה האלקטרומגנטית המלאה לפני כל מתכת נחתכת.מהנדסים יכולים להתרוצץ באמצעות עשרות גרסאות עיצוב בשעות, להתבונן בשינויים בדפוס בשלושה ממדים, ואופטימיזציה של מטרות ספציפיות כגון רווח מקסימלי קדימה בזווית מסוימת בגובה מסוים או רמת אובה מינימלית.היכולת לדמיין זרמי פני השטח, התפלגות ליד שדה, ו-3D מקטבים משנים אנטנה מעיצוב מניסיוניקה ועד למשמעת למשמעת מדויקת.

עבור מפעילי חובבים, סימולציה עוזרת להימנע מטעויות נפוצות כמו אלמנטים מונעים לא מתאימים שגורמים גבוה SWR. עבור מעצבים מקצועיים, זה מאפשר אופטימיזציה רב-אובייקטיביים על פני להקות תדר ומגבלות מכניות. בשני המקרים, התוכנה מגנה את הפער בין פורקציה של הכלל-של קידוד לבין המציאות האלקטרומגנטית המורכבת של מערך רב-תכליתי.

תוכנת סימולציות של Antenna Simulation Software

סימולציות אנטנה נופלות לשתי קטגוריות רחבות: שיטת הרגעים (MoM) פותרים אופטימיזציה למבנים חוטים, ובאופן כללי 3D אלקטרומגנטיים באמצעות שיטת פיניטמנט (FEM) או פיניט-Difion Time-Domain (FDTD) טכניקות מוטציות כגון FLT:0EZNECF3LT ו-LTF:2mandler:

⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

קרקע בינונית קיימת עם מנועי NEC-2/4 המבוססים על NEC:0.4NEC2FOVAER1ERHERERMV מגנטיים קוד (NEC) היה הטור של ניתוח אנטנה חוט במשך עשרות שנים ונשאר אמין מאוד.הזמינות הקוד הפתוחת והקהילת המשתמשים הנרחבת שלה הופכת אותו לאופציה בעלת עוצמה, אפסית עבור עיצוב Yagi.

כלים פופולריים עבור Yagi Antenna Design

EZNEC

EZNEC, שפותחה על ידי רוי לוולן, היא אולי התוכנית המו-M מבוססת Windows בקהילה הרדיו חובבנית.ממשק האינטואיטיבי שלה מאפשר למשתמשים לבנות מודלים של Yagi בתוך דקות על ידי ציון קואורדינטים חוטים, ספירות פלח, ומיקום מקור.התוכנה כוללת מגבלות בנויות עבור קידוד אורך וספאקים, באופן אוטומטי יצירת תבניות זהב, ורווחה ומניעה של נתונים סטנדרטיים.

MMANA-GAL

MMANA-GAL הוא סימולטור MoM חינם עם ממשק משתמש גרפי הנגזר מתוכנית MMANA היפנית. המפרקים שלה בזמן אמת מאפשר למעצב מיד לראות את ההשפעה של שינוי אורך או המיקום של אלמנט על רווח ועקום מעוקלות HF. משוב אינטראקטיבי זה מאיץ את שלב העיצוב המוקדם.התוכנית תומכת אופטימיזציה אוטומטית באמצעות אלגוריתמים גנטיים וניתן לייצא קבצים לפורמטים משותפים עבור בנייה ומדפסת דיוק מלא של 3D.

4NEC2

4NEC2 הוא ממשק חינמי, מלא של Windows למנוע NEC-2.הוא תומך ברשתות חוט, אלמנטים מרוקנים, אפקטים קרבה הקרקע, ומודל השידור של מעצבי יכול למנף את האופטימיזציה המובנה שלו כדי לטאטא על פני מספר משתנים בו זמנית.הגאומטריה כוללת מתווך ייעודי של Yagi באופן אוטומטי יוצר את האלמנט מ קומץ של מטרות עיצוב. בסיס משתמש גדול ורחבה עושה קושי עבור ניתוח גל 2 קדמיון פתוח עבור כל אחד עם סימולציה חינם.

אפשרויות קוד פתוח: PyNEC ו-OpenEMS

עבור אלה נוח עם תסריט, FLT:0 (PyNECIRFLT) 1 מספק עטופה Python עבור מנוע NEC-2, המאפשר אוטומציה של גורפים מטריים ואינטגרציה עם ספריות למידת מכונה עבור אופטימיזציה.FLT:2 OpenEMSFLT 3: הוא פתרון FD חינם שיכול מודל Yagis עם גיאוגרפיה מורכבת, אם כי זה דורש יותר מאמץ חישובי עבור כלי גמישים אלה הם גמישים עבור כלי רכב פתוח.

CST Studio Suite

CST Studio Suite הוא חבילת סימולציה 3D אלקטרומגנטית בשימוש נרחב בתעופה וטלקומוניקציה.זה מציע טכנולוגיות מרובות פותרים כולל זמן-דומיין, תדירות-דומיין, ו- אינטגראלי-השוויון פותרים.עבור אנטנות יאגי, התדירות-domain-domain או ניתוח מצב אופייני מספק תובנה עמוקה למעצבי הפיכה ופיזור פני השטח.

Ansys HFSS

Ansys HFSS (High Frequency Structure Simulator) הוא תקן דה Facto 3D FEM עבור אלקטרומגנטים גלי גבוה ⁇ .זה יכול להתמודד מבנים תלת-ממדיים שרירותיים כולל פרופילים של הבמאים, אלמנטים מתואמים רשתות, ונכסים חומריים מדויקים. HFSS מאפשר גם אופטימיזציה גלימה מלאה של אלגוריתמים גמישים בתוך אזורים של מעצבים גבוהים, ומבטיחה התכנסות עם התערבות מינימלית של משתמשים.

שלב-בי-שלב תהליך סימציה לתבניות קרינת יאגי

סימולציה מוצלחת של יאגי עוקבת אחר זרימת עבודה מובנת שהופכת עיצוב מושגי לתחזיות אמינות, בעוד השלבים המדויקים משתנים על ידי תוכנה, העקרונות הבסיסיים נשארים עקביים בכל הכלים.

1. מטרות עיצוב Define ו- Constraints

לפני פתיחת כל כלי, לקבוע את תדירות היעד (או להקה), רווח רצוי, יחס חזיתי מקובל, חוסר עכב (בדרך כלל 50 אוקס), ואת גבולות גודל פיזיקלי (או להקה), להחליט על קיטוב או אנכי - ולסמן את הסביבה הגדלה: מרחב חופשי, על פני הקרקע האמיתית, או על רכיב כונן זה, יחסי ספאק, ואת מודל הקרקע המשמש גם רוחב פס אחד: 48 דרישות רוחב פס רחב של תאים קצרים (מתח) כמו רוחב פס רחב יותר) יכול לסבול 2 מטווח קצר על פני שטח רחב יותר (מתח) עם תדרים) עם 2 מטווח קצר על פני שטח רחב יותר (מתח) עם מנועים (מתח) כמו 2 מטווח קצר יותר (מתח) עם מנועים) עם מנועים (מסלולארי) עם מנוע נמוך יותר) עם מנוע נמוך יותר רחב על פני שטח רחב על פני שטח רחב יותר) עם מנועים (מסלולארי) עם טווח תאים קצרים (מסלולארי) עם מנועים (מסלול 2.

2. בנה את המודל הגיאומטרי

מודל כל אלמנט יאגי כאחד או יותר פלחי חוט ישר. השתמש במערכת קואורד שבו הפריחה שוכנת לאורך x-axis (שפיית קרינה) ואלמנטים שוכבים לאורך z-axis עבור קיטוב אופקי. assign רדיקל קרינת גלימה (כמטר) עם רכיבי גל נפרדים, כלומר את האלמנטים המונעים כמקור, להציב במרכז של האלמנטים להזנת מפוצלת ב-47 כלים פשוטים.

3.S. Setulation Parameters

Define theתדירות ספקטרום טאטא.עבור צר פס Yagi, 5% עד 10% רוחב פס סביב תדירות המרכז בדרך כלל מספיק.בחר מודל הקרקע המתאים: חלל חופשי עבור אנטנות HF הרבה מעל פני האדמה, קרקע אמיתית עם מוליכות והרשאה מפורטת עבור VHF / U HF כדור הארץ משקעים, או קרקע מושלמת עבור מחקרים אידיאליים. להגדיר את דפוס רחוק שדה, בדרך כלל azimuth (מטוסים) ומאובטחים מספיק זמן קצר יותר גבוה יותר) יש פחות גבוה יותר מדי זמן מוגבל.

4.להריץ את הפתרון ואימות

הוצא להורג את הסימולציה ואת לבדוק לראשונה שגיאות ברורות: זיהומים קיצוניים (כמו פחות מ 5 הוממים או יותר מ -500 הוממים ב resonance), ערכים ללא פיזיקליים (למשל, יותר מ -20 dBi עבור ספירה טיפוסית Yagi), או דפוס Aסימטריה סותרת את הגאומטריה הסימטרית או סימטרית.בדוק כי הקלט קרוב לערכים עבור מספר משוער של 3 גרם מוקדם יותר של אדנימוספרה הנוכחית).

5.הזרקות והקרינה הבין-pret

לאחר שאומת, לבחון את דפוס הקרינה 3D. A היטב תוכנן Yagi צריך להציג כיכר אחת קדימה עם כמות מינימלית של בחזרה. Note את חצי כוח beamwidth, אשר צר עם יותר מנהלים, ואת הרווח המקסימלי קדימה ב dBi או dBd (dBd=DBi- 2.15).

תוצאות קרינה

תבניות קרינה מספקות שפע של מידע מעבר למספר רווח יחיד.בתבנית מלבנית או מלבנית, התבנית חושפת את ההפצה הזוויתית של אנרגיה. 3DB beamwidth של lobe מתייחס ישירות לבימוי - יאגי עם מדרגה 30 מעלות beamwidth יש הרבה יותר ישיר מאשר אחד עם 60 מעלות.

דפוס הגובה של Yagis מקוטב אופקי מראה את ההשפעה של גובה מעל הקרקע.על פני הקרקע האמיתי, זווית הקרינה של lobe הראשי נוטה כלפי מעלה, כמו גובה האנטנה יורדת.זה חיוני עבור פיזור ארוך טווח ארוך טווח ionospheric propagation שבו זווית ירידה נמוכה ממקסימה את פוטנציאל DX.סימולציה מאפשר גובה מעל הקרקע כדי למצוא את הפשרה הטובה ביותר בין יכולת מכנית ולעתים קרובות לייצר קרינת ירידה נמוכה.

אל תתעלם מהטוהר של תבנית תלת-ממדית של תבנית ה- 3D. תגובה חוצה-קוטבית יכולה להפיג את ביצועי המערכת בהגדרות של קוטביות-קוטבציה. Simulation יכול לכמת את יחס הדחיסה בזווית שונות, להבטיח שהאנטנה תפגוש את מפרט הקיטוב שלה.עבור ביצועים גבוהים EME (כדור הארץ-Moon-Earth) עבודה, רמות פולו קוטביות מתחת ל-30DB נדרשים לעתים קרובות.

עיצוב Yagi Antenna

אופטימיזציה הופכת את Yagi פונקציונלי לתוך אנטנה ביצועים גבוהה. כלים רבים לספק אופטימיזציה מובנה כי להתאים את האלמנט אורך ו ספאcings להכות מטרות ספציפיות, כגון למקסם את רווח קדימה תוך שמירה על יחס מינימלי לפני-back. אסטרטגיה נפוצה כרוך הגדרת תפקוד העלות כי משקולות, התאמה אלגוריתמים תקועים, התאמה מונעת (נמוך VSWR), ויחס הקדמי-ל-ל-לחזור.

עבור אופטימיזציה ידנית, מעצבים לעתים קרובות להתחיל על ידי התאמת אורך הבמאי וספאטינג כדי לזרז את עקומת הרווח על פני הלהקה. Slightly יותר דירקטורים לשפר רווח נמוך, בעוד דירקטורים קצרים יותר להרים תגובה גבוהה ספאם גבוה, ספיגה בין מנהלים להשפיע על אורך האמפודה ואת שלב של הגל המטיילים, taking את רוחב הנפח הראשי של רפלקציה בעיקר את אורך קו החזית של אלמנטים ממוקדים על פני מרכז יעיל.

Multi-band Yagis, כגון אלה המכסים 2 מטרים ו 70 ס"מ בו זמנית, מציג מלכודות, גמגמים או אלמנטים מדבקים.סימולציה הוא חיוני כאן כי האינטראקציה בין להקות יוצרת הפצה מורכבת הנוכחית אשר מרתיעה חיזוי פשוט.למצת כל להקה בנפרד ולאחר מכן יחד מגלה אפקטים דה-כוונון שניתן לפצות על ידי מלכודות זהירה או התאמות ממדיות מתקדמות יכול לייעל בו זמנית עבור להקות לעתים קרובות פחות.

בחירה חומרית והשפעה על הביצועים

הבחירה של חומר אלמנט משפיעה על אובדן הוממי ובמידה פחותה, אורך חשמלי יעיל עקב מגוחות פני השטח. סימולציה אלומיניום צ'קוזי הוא סטנדרטי עבור יחס התנהגות חיובי למשקל, אבל בתדרים גבוהים יותר (מעל 1 GHz), נחושת או כסף בשפע עשוי להפחית את ההשפעות של חומר ההפיכה, כלומר, כלים למניעת סימולציה הדדית, המאפשרים לציין התנהגות, ואת היעילות המתקבלת ניתן לסווגן של עד 20%, אם כיפתיקים, אם כיפת שומן יכול בדרך כלל, אם כי הם יכולים להפחית את ההשפעות שלהם, אם כי הם בדרך כלל, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, אם כי הם יכולים להפחית את הפחתת כמות של 0.

יישומים אמיתיים ומקריות

(FLT:0) תחנת רדיו תחרות רדיו EZ.FLT:1 [A VHF] צוות תחרות שואפת לביצועים גבוהים 2-meter Yagi השתמש EZNEC כדי לעצב עיצוב 12-element מותאם לרווח ותבנית נקייה עם כמות מינימלית של lobes.Rסימולציה סימולציה מצופה 14.2 dBi רווח ו -30 dB-to-back. לאחר בנייה, על טווח חד-נטלית ניתן ל-ידי 14.0i ניסיון של 3, 000 חומרים פגומים כדי למנוע את הסימולציה קלה כדי למנוע את הסימולציות, ו-Bpre, כדי למנוע את הסימולציה, 000 יעיל כדי למנוע את ה-אפקט סימולציה של 2.2 dBpvpvpvpv.

(FLT:0) קבלת שידור טלוויזיה בשידור חי.FLT:1 אגודה קהילתית דרשה UHF Yagi המכסה ערוצים 14-36 (470-608 MHz) MMANA-GAL שימשה כדי מודל של גרסה יאגי עם רוחב פס רחב יותר.ה-VR הסימולציה המדומה נשארה מתחת 2:1 בכל הלהקה כאשר רשת משולבת מתואם מקודמת היה משולב.

(FLT:0) נקודת-נקודת-נקודת-עין קישור נתונים.FreaLT:1 ; קישור תעשייתי דרש קומפקטי 5.8 GHz Yagi עם כיסוי hemispherical גובה אך חד סימטרית ישירה (CST Studio Suite) שימש כדי להוסיף אלמנט פסיבי משני שעצב את תבנית הגבהים.הסימולציה זיהתה את התצורה האופטימלית, והמוצר הסופי השיג רווח מוסמך 19Bi ומדוייק מדויק אשר היה מסוגל לדגום את האפקט של דיוק CST של דיוק של CDOST של דיוק סטנדרטי של דיוק CDOST.

אתגרים ופתרונות

(FLT:0) טעונות של אזהרות.FLT:1 אם מודל Yagi מייצר רווח גבוה באופן בלתי סביר (למשל, <20 dBi עבור עיצוב 6-element) או אימפולס לא יציב, חוט חוט חוט חוטי הוא לעתים קרובות מדי רזה או לא אחיד כלי MoM, להבטיח כי קטעים במקטעים בצומת תואמים ודיווחים קצרי דיוק לא ניתן להחליף את סעיף 10:1 לפחות.

(FLT:0Boom and Insulator Effects.Build.veFLT:1) מודלים מוקדמים של Yagi להתעלם נוכחותו של בום. a מתכת מקבילים לאלמנטים הפיכה ולהגדיל את האלמנטים האפקטיביים אורך מבחינה חשמלית.

(FLT:0Ground Interaction.BuildFLT:1 , קרקע אמיתית, במיוחד עני או לא אחיד אדמה, יכול לשנות את הדחף של האנטנה ולשנות את שיא דפוס הגובה.תמיד לרוץ סימולציה עם מודל קרקע תואם את מוליכות הקרקע של האתר ההתקנה ואת הנימוסיות אם האנטנה תהיה בתוך גל של הקרקע.

(FLT:0)ניהול סובלנות.אנדרנס.IRLT:1 כאשר סימולציות מניחות ממדים מושלמים אבל חומרה אמיתית משתנה על ידי 0.5 ± מ"מ, דפוס עשוי לפענוח ניתוח רגישות S בתוך סימולטור - לעתים קרובות להרגיז את אורך האלמנטים בתוך להקות סובלנות - אלה פרמטרים המשפיעים ביותר על ביצועים אלה איכות ייצור להתמקד דיוק על אלמנטים קריטיים כמו 24 גרם איטי של GHz, כמו גם על ידי מספר רב יותר של GHz של GHz של פונקציות מאוחר יותר, אשר יכול להיות גם על ידי GHz של GHz של GHz של GHz של GHz של קיבולת.

מגמות עתידיות באנטנה סימלציה

סימולציה של Antenna ממשיכה להתפתח עם כוח מחשוב גדל ואינטגרציה עם בינה מלאכותית.פלטפורמות סימולציה מבוססת ענן מאפשרות כעת לנהל מאות פרמטרים פרמטרים במקביל, באופן דרמטי להפחית מחזורי תכנון.מודלים למידה מכונה שהוכשרו על אלפי סימולציות Yagi יכולים לחזות ביצועים מפרמטרים גאומטריים במילימטרים, המאפשרים כלי עיצוב אינטראקטיבי בזמן אמת, אשר הולכים הרבה מעבר להתאמות שקופיות מסורתיות.

אלקטרומגנטי-הרסל קו-סימציה מקשרת בין אנטנות לבין תוכניות FEA מכניות כדי ללמוד כיצד טעינה רוח או הרחבה תרמית משפיעה על אלמנט sag וכתוצאה מכך, דפוס הקרינה.זה חיוני עבור HF גדול ומתקנים גלי מילימטר עם סובלנות.התעורר טכניקות ייצור תוספת עבור אנטנה דורש סימולציה כי חשבונות עבור גסות פני השטח ותכונות חומר חכם, שבו אזורים בדרך כלל-תכליתיים עם יכולות ייצור בנויות.

כלים בקוד פתוח כמו OpenEMS ו- Python מבוסס NEC עוטפים מורידים את המחסום לכניסה, המאפשרים לתחביבים ולסטודנטים לאלגוריתמים אופטימיזציה מותאמים אישית ולשלב תוצאות סימולציה למודלים גדולים יותר של מערכות אינטרנט של דברים, הצורך באנטנות כיוון מותאם אישית לסביבות ספציפיות יגדל, מה שהופך סימולציה מדויקת יותר מאשר אי פעם.

מסקנה

חיזוי דפוסי הקרינה של אנטנות יאגי במדויק עם תוכנת סימולציה אינה עוד יכולת נישה השמורה למעבדות ממומנות היטב; עכשיו זה צעד סטנדרטי בכל פרויקט אנטנה רציני, בין אם באמצעות תוכניות מוM חופשיות כמו 4NEC2 או כלי FEM מקצועיים כגון HFSS, מעצבים מקבלים את היכולת לדמיין, אופטימיזציה, ופתרון בעיות ביצועים לפני חיתוך מתכת.