Vylepšená přesnost modelování silných drátů v MMANA-GAL

Je studována přesnost modelování antén s tlustými dráty na VHF v programu MMANA-GAL, kdy automatická segmentace v programu MMANA-GAL vede k příliš řídké segmentaci. Jsou navrženy přístupy ke zvýšení přesnosti vynuceným zvýšením počtu segmentů a modelováním tlustých drátů ve formě mřížky. Různé možnosti modelování jsou vizuálně porovnány. Je studována problematika modelování zaoblení smyčkových vibrátorů.

Důležitou otázkou je, jak adekvátní je modelování antény v programu MMANA-GAL realitě. Na to je poměrně těžké odpovědět: obecně řečeno je nutné porovnat výsledky modelování s měřeními parametrů skutečné antény, které není tak snadné získat. A samotná otázka se redukuje na dvě: do jaké míry model odpovídá skutečné anténě a do jaké míry se modelář při výpočtu modelu mýlí. I první otázka může být poměrně netriviální, pokud mluvíme o skutečné anténě s tlustými dráty.

Vlastnosti modelování zaoblení smyčkových vibrátorů

Pravděpodobně optimálním způsobem, jak modelovat anténu s relativně složitou geometrií, je co nejpřesněji zadat všechny vlastnosti této geometrie do modelovacího programu. Například zaoblení smyčkového vibrátoru lze modelovat přerušovanou čarou z dostatečně velkého počtu prvků.

Níže uvedená tabulka ukazuje jako příklad, jak se vypočítané parametry MMANA-GAL tříprvkové antény Uda-Yagi s tlustým zaobleným PV mění v závislosti na vlastnostech modelování zaoblení.

Vlastnosti fotovoltaického modelu v MMANA-GAL	Z při 434.484 MHz, Ohm	Frekvence (jX=0), MHz	Z na Fres, Ohm	Ga na frekvenci, dBi	F/B na frekvenci, dB
Zaokrouhlení 10 bodů, zaokrouhlení souřadnic na 1 mm	49.41–0.04j (KSV 1.01)	434.492	49.42	9.32	7.33
Zaokrouhlení 10 bodů, zaokrouhlení souřadnic na 0.1 mm	48.88–3.386j (KSV 1.07)	435.103	49.41	9.32	7.20
Zaokrouhlení 11 bodů, zaokrouhlení souřadnic na 0.1 mm	49.02–2.783j (KSV 1.06)	434.994	49.45	9.33	7.23

Jak vidíte, pouhá změna zaokrouhlení souřadnic konce drátu z 1 na 0.1 mm vedla k poměrně znatelné změně rezonanční frekvence. Ale striktně vzato se nejedná o chybu modelování, ale spíše o citlivost řešení na změny geometrie antény. To znamená, že při zaokrouhlování souřadnic je třeba být opatrnější. Teoreticky platí, že čím více segmentů přerušované čáry modeluje zaoblení, tím lépe, ale protože MMANA-GAL vytváří alespoň 2 segmenty pro každý drát, může tento přístup vést k nadměrně časté segmentaci (více o tom níže).

Studie vlivu parametrů automatické segmentace v MMANA-GAL na výpočty VHF

Do určité míry lze chyby modeláře posoudit analýzou toho, jak se výsledky modelování mění v závislosti na jeho parametrech, například parametrech autosegmentace DM2, DM1, SC, EC v MMANA-GAL. Výčet možností autosegmentace je vhodné provést spuštěním MMANA-GAL pomocí speciálního externího programu.

V ideálním případě, pokud se počet segmentů postupně zvyšuje, pak by se po stanovení jejich „dostatečného“ počtu mělo řešení stabilizovat. Pak by se dalo očekávat, že v důsledku nadměrného počtu segmentů začnou narůstat výpočetní chyby spojené s konečnou přesností reprezentace čísel v počítači.

Obrázek ukazuje výsledky výpočtu v MMANA pro stejnou geometrii antény (zaokrouhlení PV o 11 bodů, zaokrouhlení souřadnic na 0.1 mm, mezera 10 mm) pro různé parametry autosegmentace DM2, DM1, SC, EC. V tomto případě byla maximální hustota nastavena jako DM1 = DM2 * EC. Počet segmentů (TOTAL PULSE) je vynesen podél osy x. Je zobrazen radiační odpor antény R(430)+jX(430) při pevné frekvenci 430 MHz, rezonanční frekvence Fres (ve smyslu jX=0) a odpor při rezonanční frekvenci R(Fres).

Zdálo by se, že grafy ukazují stabilizaci výsledku modelování s dostatečně velkým počtem segmentů. Ve skutečnosti je to však výsledek „ochrany proti omylu“ – počet segmentů jednoduše přestane růst a všechny možnosti segmentace se ukážou v podstatě stejné.

Nabízí se otázka – jak modelovat silné antény relevantní pro VHFPopis MMANA-GAL (s odkazem na minnec) zdůrazňuje, že velikost segmentu by neměla být příliš malá (více než 2 poloměry drátu), ačkoli není vysvětleno proč. Zdálo by se – co brání rozdělení lineárního drátu na kratší segmenty, pokud je to skutečně nutné pro adekvátní popis změny simulované hodnoty podél drátu? Je zřejmé, že požadavek není striktní, i když by neměl být považován za nepřiměřený. Pro engine NEC2 musí být segment 8krát větší než poloměr, takže je absolutně nejasné, jak na něm simulovat relativně silné VHF antény.

Vynucené zvýšení hustoty segmentace na VHF pomocí externího programu

Existuje způsob, jak přimět program MMANA-GAL, aby vypočítal anténu i z tlustého drátu s vyšší hustotou segmentace. Je založen na tom, že v MMANA-GAL je každý drát antény rozdělen alespoň na 2 segmenty. To umožňuje provádět segmentaci pomocí externího programu, který uměle rozdělí každý drát na požadovaný počet částí a přenese je do MMANA-GAL jako samostatné dráty. Tento přístup je dobrý, protože se zvýšením počtu segmentů se automaticky zvyšuje i přesnost modelování zaoblení FV. Externí segmentace také může zajistit správné zvýšení hustoty segmentace na okrajích FV, protože kvůli modelování zaoblení přerušovanou čarou to samotný MMANA nedokáže správně provést.

Na druhou stranu z toho vyplývá, že modelováním zaoblení PV přerušovanou čarou lze „zkazit“ mechanismus autosegmentace MMANA-GAL, pokud je počet přerušovaných úseček příliš velký.

Je třeba také poznamenat, že MMANA-GAL nečte ze souboru *.maa více než 511 vodičů, což neumožňuje zvýšit počet segmentů nad 1022. Také u „externí“ segmentace by se měla použít co nejpřesnější reprezentace souřadnic, aby chyby zaokrouhlování neovlivnily geometrii segmentů.

Obrázek ukazuje výsledky modelování antény v MMANA s využitím externí segmentace vytvořením vodičů (čary bez značek). Zobrazeny jsou také výsledky s využitím autosegmentace (čary s markerovými body, viz předchozí obrázek).

Je vidět, že za prvé, zvýšení hustoty segmentace nevedlo k fatálním následkům: výsledky modelování s externí segmentací jsou podobné výpočtům s autosegmentací v MMANA. Oscilace výsledků výpočtu pro externí segmentaci je pravděpodobně způsobena tím, že zpočátku (s malým počtem segmentů) se geometrie zaoblení PV znatelně mění. Počet segmentů v každém anténním prvku navíc musí být celé číslo, takže plynulá změna hustoty segmentace někdy vede k náhlé změně konfigurace segmentů.

Podívejme se nyní na to, jak další zvýšení hustoty segmentace ovlivní model, který je téměř 10krát podrobnější, než umožňuje „spolehlivost“ pro daný průměr drátu.

Z obrázku je patrné, že rezonanční frekvence modelu antény klesá s rostoucím počtem segmentů. To může dokonce odpovídat realitě, protože naměřená rezonanční frekvence pro tuto anténu byla ~430 MHz (to lze však snadno vysvětlit jinými důvody, například poměrně značnými výrobními chybami a nekalibrovaným analyzátorem antény). Je také vidět, že řešení s různými koeficienty zhutnění segmentace na koncích drátu EC=1, 2, 4, 8 se od sebe vždy liší a s rostoucím počtem segmentů nekonvergují k jedinému řešení. To je poměrně smutné a jasně ukazuje chybu (nejistotu) modelování (samostatná kontrola ukázala, že tento efekt je patrný i u antény vyrobené z tenkého drátu, u které nejsou porušeny požadavky minnec na segmentaci).

Modelování silných drátů sítí tenkých drátů

Snad nejvhodnějším způsobem modelování silných drátů je nahradit je sítěmi z tenčího drátu (jako je „Nadenenkov dipól“). Je také vhodné svěřit vytvoření takových modelů externímu programu.

Použití tenkého drátu umožňuje legálně zvýšit hustotu autosegmentace. Obrázek ukazuje výsledky simulace v MMANA-GAL pro tento případ: grafy vlevo (CELKEM IMPULZŮ < 1024) jsou výsledky výpočtu pro „tlustý“ (12 mm) drát (viz grafy výše), grafy vpravo jsou výsledky výpočtu pro síťovou anténu (autosegmentace v MMANA).

V principu jsou výsledky výpočtů pro „pevnou“ a „síťovou“ verzi antény docela podobné, a to i přes výrazně větší počet segmentů! To je známkou dobré kvality modelování. Rezonanční frekvence síťové antény se opět ukázala být o něco nižší, než předpovídala autosegmentace v MMANA, i když to také není důkaz pravdy: ve skutečnosti je možné změnit parametry „síťové“ antény změnou průměru síťového drátu a jeho buněk.

Také bohužel omezení MMANA-GAL na 511 vodičů v anténě neumožňuje dostatečně hustou mřížku a dostatečně detailní zaoblení PV.

Je možné, že použití mřížky by bylo užitečné k modelování vlivu vodivého ramene na Yagiho anténu…

Shrnutí segmentace v MMANA-GAL

• U VHF antén vyrobených z tlustých drátů se autosegmentace MMANA ukazuje být méně detailní než u tenkých, což může potenciálně snížit přesnost modelování. Obrovskou výhodou je, že MMANA sama snižuje hustotu segmentace na přijatelnou hodnotu a alespoň úspěšně provádí výpočty a produkuje výsledky blízké praxi. Jiné programy jednoduše odmítají uvažovat o „tlustých“ anténách s příliš vysokou hustotou segmentace.
• Existují způsoby, jak zvýšit detail segmentace pro tlusté antény v MMAN: buď umělým rozdělením drátu na kusy, nebo aproximací tlustého drátu sítí z tenkého drátu. Na jedné straně jsou výsledky podobné výsledkům výpočtu s autosegmentací (což je povzbudivé), na druhé straně se poněkud liší, především v rezonanční frekvenci a radiačním odporu. Zatím není jasné, který výpočet je blíže pravdě: vzorek je malý (počet antén, které jsem prakticky vyrobil) a přesnost výroby skutečných antén je malá.

Přidat komentář

Instalace satelitní antény je jednou z nejobtížnějších fází při vytváření satelitního televizního systému v počítači. Obvykle to provádějí specialisté, kteří si za svou práci účtují odpovídající poplatek. Čtenáři této knihy si však pravděpodobně chtějí vše udělat sami. Důvodem pravděpodobně není touha ušetřit 20–30 dolarů, ale věčná touha ruského člověka přiložit ruku k dílu a fantazii ke všemu. Protože univerzální recept na instalaci antény prostě neexistuje, budete potřebovat jak „rovné ruce“, tak kreativní přístup k věci.

Hned na začátku si ujasněme, že v některých případech je lepší neriskovat a nechat práci na profesionálech. Například instalace antény na zeď v devátém patře je poměrně nebezpečná, proto se nedoporučuje dělat to svépomocí. Navíc je někdy prostě nemožné anténu nainstalovat sami tam, kam chcete (obr. 4.15).

Obr. 4.15. Anténa instalovaná v šestém patře, kterou není možné svépomocí zajistit

Zvažme základní body instalace systému, protože před prací je nutné mít alespoň trochu teoretického výcviku.

Obvykle první věc, na kterou uživatel myslí, je, kam by jeho anténa měla být skutečně natočena. Mnoho internetových fór uvádí, že parabola by měla směřovat na jih. Toto je velmi vágní vysvětlení, které moc nepomůže, a směry satelitních antén se budou pro obyvatele Moskvy a Omsku lišit. Mnoho uživatelů také najde webové stránky, které uvádějí souřadnice všech satelitů, což by mělo pomoci s přesným nastavením antény. Teoreticky je to pravda, ale běžný obyvatel malé vesnice, který se podíval na oblohu a hledal 5 stupňů východní délky, začne přemýšlet o dalších orientačních bodech. Níže uvádíme několik praktických doporučení pro určení směru satelitní antény.

Předpokládejme, že požadovaný satelit nebo skupina satelitů již byla vybrána. Navíc volba nově vzniklého majitele antény se s největší pravděpodobností bude shodovat s volbou většiny uživatelů v jeho regionu. Antény drtivé většiny uživatelů jsou zpravidla nasměrovány na satelity, přes které je vysílána většina kanálů (obvykle si vybírají satelity s větším počtem ruských kanálů) a dostatečnou úrovní signálu pro pohodlné sledování.

Pro začátek by bylo dobré určit alespoň horizontální úhel natočení antény. Vertikální úhly lze vyřešit empiricky. Pro obyvatele města je nejjednodušší způsob, jak určit natočení antény, jít ven a podívat se, kam směřují antény ostatních uživatelů satelitní televize. Antény jsou s největší pravděpodobností již na domě instalovány, takže nebudete muset chodit daleko.

Druhým způsobem je výpočet směru pomocí speciálních programů. V tomto případě se získají přesné úhly sklonu, další otázkou je, jak anténu přesně nasměrovat v těchto úhlech. Pokud však máte kompas, budete moci anténu stále přibližně nainstalovat a poté ji můžete ručně nastavit.

Zvažme práci s jedním z programů pro výpočet úhlu náklonu antény – Satellite Antenna Alignment (obr. 4.16), který lze stáhnout z www.al-soft.com/saa/satinfo.shtml.

Tento program je navržen pro výpočet úhlů natočení satelitní antény pro příjem signálu z daného satelitu. S jeho pomocí můžete vypočítat azimut a elevační úhel pro každý vybraný satelit. Můžete také vypočítat úhly pro několik satelitů najednou. Tím se určí, které satelity lze přijímat z geografické polohy uživatele. Program přesně nezohledňuje vlastnosti konkrétní oblasti, jako je nadmořská výška, reliéf a další, ale jeho výsledky budou více než dostatečné pro instalaci antény.

Na levé straně okna aplikace se nachází seznam satelitů s jejich souřadnicemi a dalšími doplňujícími informacemi. Pravá strana okna obsahuje prvky rozhraní pro zadávání výpočtových informací. Nejprve je třeba určit zeměpisné souřadnice polohy uživatele. To je poměrně jednoduché: pokud člověk žije v jednom z ruských měst, stačí kliknout tlačítkem myši na položku nabídky Města Ruska – program se připojí k serveru (pokud je k dispozici připojení k internetu) a zobrazí seznam měst se souřadnicemi. Pokud se lokalita uživatele nenachází, je třeba použít jinou službu nacházející se na adrese http://www.goroskop.org/horoscope/location/form.shtml. Ta obsahuje pole, do kterého jste vyzváni k zadání názvu lokality (obr. 4.17).

Obr. 4.16. Okno programu pro zarovnání satelitní antény

Obr. 4.17. Hledat zeměpisné souřadnice

Zadáním názvu lokality, ve které se nacházíte, do pole Vyhledávání, musíte stisknout tlačítko Vyhledávání – po několika sekundách program zobrazí výsledek hledání. Jako příklad je uveden výsledek hledání pro běloruské město Novopolotsk, které se nenacházelo ve standardním seznamu měst (obr. 4.18).

Takto byla získána zeměpisná šířka a délka umístění osady – to stačí k pokračování v práci s programem pro zarovnání satelitní antény.

Obr. 4.18. Výsledky vyhledávání

Pokud se vám z nějakého důvodu nepodařilo najít souřadnice obce uživatele pomocí předchozí služby, můžete použít světovou databázi souřadnic. Chcete-li to provést, klikněte na odkaz www.earth-info.nga.mil/gns/html/cntry_files.html, vyberte požadovanou zemi a stáhněte si databázi se všemi obcemi do počítače.

Předpokládejme, že souřadnice jsou známé, a pokračujme ve výpočtech. V okně Zarovnání satelitní antény je třeba zadat přijatá data do polí Zeměpisná šířka místa и Zeměpisná délka místaDo těchto polí (obr. 4.19) zadejme hodnoty pro město Novopolotsk, jehož souřadnice byly získány v důsledku vyhledávání.

Věnujte pozornost seznamu satelitů v levé části okna – vedle každého z nich se objevily úhly pro zadané souřadnice. Chcete-li zobrazit informace o satelitu v pravé části okna, musíte kliknout tlačítkem myši na název satelitu v seznamu. Obrázek ukazuje, že azimut pro satelity Sirius 2 a Sirius 3 je 208 stupňů 187 minut a elevační úhel je 23 stupňů 199 minut. Ve skutečnosti taková přesnost moc nepomůže, pokud uživatel nemá speciální vybavení, takže pro naše účely postačí pouze stupně.

U některých satelitů parametr Elevační úhel bude v seznamu zvýrazněn červeně. To znamená, že signál z tohoto satelitu nelze přijímat, protože se nachází pod linií obzoru pro polohu uživatele.

Pro příjem satelitů s malým úhlem sklonu budete potřebovat velmi velkou parabolu, takže se musíte zaměřit na satelity umístěné alespoň 20 stupňů.

Obr. 4.19. Výpočet úhlů náklonu antény

Získaná data jsou vhodná pro anténu s přímým zaostřením, protože se dívá přímo na satelit. U antény s ofsetovým zaostřením bude nutné mírně upravit elevační úhel, k čemuž je třeba přejít na kartu Offset Antenna (obr. 4.20).

Tato záložka obsahuje výpočty pro ofsetovou anténu. V poli Šířka antény (mm) je třeba zadat šířku antény v milimetrech a v poli Výška antény (mm) je třeba zadat výšku antény v milimetrech. Výsledkem bude úhel náklonu antény vzhledem k vodorovné rovině. V našem příkladu je úhel 87 stupňů 36 minut při použití antény 90 x 100 cm. Z těchto čísel je patrné, že anténa bude umístěna téměř svisle s mírným sklonem dolů. Je samozřejmě nepravděpodobné, že byste anténu nainstalovali v takovém úhlu od oka napoprvé, takže budete muset experimentovat.

Po získání všech potřebných úhlů pomocí programu pro zarovnání satelitní antény můžete přejít přímo k praktickým akcím.

Před námi je však ještě jedna velmi důležitá fáze – výběr místa instalace. Je téměř nemožné zde poskytnout konkrétní pokyny, protože vše závisí na poloze uživatele a okolním terénu. Přesto se pokusíme pochopit některé body, které je třeba při instalaci antény vzít v úvahu, a uvedeme hlavní místa, kde se takové zařízení obvykle instaluje.

Obr. 4.20. Výpočty pro ofsetovou anténu

Pro začátek zvažme nejběžnější možnost bydlení ve městě ve vícepatrové budově. Zde je v první řadě nutné zjistit, zda okna uživatele směřují správným směrem. K tomu stačí asi patnáct minut jít po ulici a podívat se, kam směřují antény ostatních obyvatel. Pokud v blízkosti nejsou instalovány žádné satelitní antény, budete se muset obrátit na mapu, kompas nebo geografické znalosti. Ideální možností by bylo, kdyby okna (a ještě lépe – balkon) směřovala na stranu se satelity. V tomto případě nebudete muset nic vymýšlet.

Představme si, že uživatel má štěstí, bydlí ve třetím patře a výše a jeho okna nejsou blokována stromy a okolními budovami – v tomto případě se můžete blíže podívat na okna a balkon, abyste si vybrali místo pro montáž antény. Existuje několik možností pro další postup. Anténu můžete namontovat za okno – budete muset do zdi vyvrtat čtyři nebo pět otvorů a pak je proces instalace jednoduchý a vše zvládnete sami (obr. 4.21).

Obr. 4.21. Příklad montáže na zeď

Nejlepší je samozřejmě instalovat anténu vedle balkonu. V tomto případě bude práce pohodlnější, protože je pohodlnější instalovat zařízení stojící na balkoně, než se vyklánět z okna. Pokud se vám podaří nainstalovat anténu tak, aby konvertory byly na délku paže, pak později můžete snadno upravit jejich polohu a dosáhnout tak nejlepšího příjmu (obr. 4.22).

Jak vidíte, není těžké nainstalovat anténu na balkon nebo ji vynést z okna, hlavní je, aby okna uživatele směřovala na požadovanou stranu. Měli byste také vzít v úvahu jednu věc – směr větru antény. Čím větší je průměr paraboly, tím více je vystavena větru a tím více ji je třeba upevňovat. Bude docela nepříjemné, pokud po každém větším poryvu větru budete muset anténu upravovat a znovu ji upevňovat.

Nyní si představme, že uživatel takové štěstí nemá a jeho okna nesměřují požadovaným směrem. Navíc bydlí v prvním patře domu nebo je výhled blokován stromy či blízkými budovami. V tomto případě budete muset projevit fantazii a schopnost vyjednávat se sousedy. Sebejistý příjem signálu pro obyvatele prvního nebo druhého patra bude s největší pravděpodobností rušen blízkými stromy. Tento problém lze poměrně snadno vyřešit dohodou se sousedy, kteří jsou o dvě nebo tři patra výše. Bude tedy možné nainstalovat anténu o několik pater výše a sledovat televizi doma. Pokud se použije dobrý kabel, ztráta kvality nebude znatelná, ale budete muset vše nastavit jednou a na dlouhou dobu. Koneckonců, neběháte k sousedům pokaždé, když se něco pokazí. Pokud není možné nainstalovat anténu na svůj nebo sousedův balkon, budete muset vymyslet něco jiného, například opravit systém na konci domu.

Obr. 4.22. Montáž antény poblíž balkonu

Samozřejmě není možné zařízení na takovém místě nainstalovat svépomocí, takže budete muset zavolat odborníky.

Dalším běžným řešením obtížných situací je instalace antény na střechu domu. Pokud není nijak zvlášť problematické natáhnout kabel na střechu, pak je tato metoda velmi dobrá. Za prvé, na střeše vysoké budovy získáte 360stupňový výhled, takže anténu lze bez problémů nasměrovat libovolným směrem. Za druhé, je mnohem snazší nainstalovat anténu na plochou střechu než na vnější stěnu domu. Za třetí, úprava polohy převodníku nezpůsobí žádné problémy. Tato metoda je navíc jediná možná, pokud používáte anténu velkého průměru. Je nepravděpodobné, že byste byli schopni nainstalovat přímo zaostřovací anténu o průměru dvou metrů za okno.

Pro instalaci antén na střechu se používají stabilní konstrukce, které odolávají větru a vetřelcům (obr. 4.23).

Obr. 4.23. Příklady držáků antén pro instalaci na rovném povrchu

Jeden z prezentovaných návrhů využívá kovový kruh a několik železných os. Ve druhém je anténa držena na pevné kovové ose, ke které jsou přivařeny tři menší bezpečnostní osy. Existují také provedení, kde je nosná část připevněna k kovové desce a samotná deska je upevněna ke střeše.

Kromě toho můžete anténu přišroubovat ke střeše z vnější strany zdi domu. Provádění takových prací svépomocí se však důrazně nedoporučuje, zejména v zimě nebo na jaře, aby se předešlo nehodám.

Pokud uživatel žije ve venkovské oblasti, bude instalace antény o něco jednodušší. Nebudete se muset zabývat sousedy, správou bydlení ani jinými úřady. Anténu můžete snadno připevnit pod střechu soukromého domu nebo ji nainstalovat o něco výše pomocí kovového sloupu.

Jak již bylo zmíněno, je poměrně obtížné dát konkrétní doporučení k montáži antény; uživatel se bude muset v terénu orientovat sám. Základní znalosti o instalaci satelitních antén však byly v knize zahrnuty, takže si uživatel bude moci sám vybrat vhodné místo. Jediné, na co byste nikdy neměli zapomínat, je bezpečnost. Nepokoušejte se instalovat anténu ve velké výšce sami, je lepší to svěřit odborníkům.

Více než 800 000 knih a audioknih!

Dostat 2 měsíce předplatného Litres jako dárek a užívejte si neomezené čtení

Tento text je informační list.