Как спроектировать простую антенну на 868 МГц с помощью MMANA-GAL. Какие преимущества у V-образной антенны. Как настроить частоту и сопротивление антенны. Как смоделировать полуволновую антенну EFHW в MMANA-GAL.
Что такое MMANA-GAL и для чего она используется
MMANA-GAL — это популярная бесплатная программа для моделирования и анализа антенн. Она позволяет симулировать работу спроектированной антенны и оценить ее характеристики. Основные возможности MMANA-GAL:
- Моделирование антенн, состоящих из отрезков прямых проводников
- Расчет диаграммы направленности, входного сопротивления, КСВ и других параметров антенны
- Оптимизация геометрии антенны для достижения нужных характеристик
- Визуализация 3D-диаграммы направленности
- Большая библиотека готовых моделей антенн
MMANA-GAL отлично подходит для проектирования простых проволочных антенн, диполей, вертикальных антенн и других конструкций из прямолинейных проводников.
Проектирование V-образной антенны на 868 МГц
Рассмотрим пример проектирования простой ненаправленной антенны на частоту 868 МГц с помощью MMANA-GAL. Такая антенна может использоваться, например, для трансмиттеров LoRa.
Почему выбрана V-образная конфигурация? У нее есть ряд преимуществ по сравнению с простым четвертьволновым штырем или диполем:
- Не требуется отдельная земляная плоскость
- Входное сопротивление можно настроить на стандартные 50 Ом
- Компактные размеры
- Простота изготовления
Пошаговый процесс проектирования в MMANA-GAL
- Запускаем MMANA-GAL и переходим на вкладку «Геометрия»
- Задаем рабочую частоту 868 МГц
- Переходим на вкладку «Вид» и добавляем два проводника, образующих букву V
- На вкладке «Источники» добавляем точку питания в вершину буквы V
- Запускаем расчет и смотрим результаты на вкладке «Вычисления»
- Корректируем длину плеч и угол между ними для настройки частоты и входного сопротивления
- Повторяем расчет и корректировку, пока не получим нужные характеристики
Настройка частоты и входного сопротивления антенны
Два ключевых параметра, которые нужно настроить при проектировании антенны:
- Резонансная частота — должна соответствовать рабочей частоте 868 МГц
- Входное сопротивление — должно быть близко к 50 Ом для согласования с типовыми приемопередатчиками
Как влияют геометрические параметры антенны на эти характеристики?
- Длина плеч антенны влияет в основном на резонансную частоту. Чем короче плечи, тем выше частота.
- Угол между плечами влияет на входное сопротивление. Чем острее угол, тем ниже сопротивление.
Процесс настройки итерационный — меняем параметры, пересчитываем, анализируем результат и снова корректируем, пока не достигнем целевых значений.
Моделирование диаграммы направленности
Для V-образной антенны в свободном пространстве диаграмма направленности близка к круговой в горизонтальной плоскости. Однако на практике на нее сильно влияет:
- Высота подвеса антенны над землей
- Свойства поверхности земли
- Наличие окружающих объектов
MMANA-GAL позволяет смоделировать эти факторы и оценить реальную диаграмму направленности в конкретных условиях установки антенны.
Практическая реализация спроектированной антенны
После завершения моделирования в MMANA-GAL мы получили следующие оптимальные параметры антенны:
- Длина каждого плеча: 84.2 мм
- Угол между плечами: 95.8°
Для изготовления можно использовать отрезки сварочной проволоки диаметром 0.8 мм. Она имеет хорошие механические свойства и покрыта медью для лучшей проводимости.
После сборки антенны ее характеристики можно проверить с помощью векторного анализатора. Измерения показали:
- КСВ: 1.03
- Входное сопротивление: 51 Ом
- Резонансная частота: 868.5 МГц
Как видим, реальные параметры очень близки к расчетным, что подтверждает точность моделирования в MMANA-GAL.
Моделирование полуволновой антенны с концевым питанием (EFHW)
Рассмотрим еще один пример использования MMANA-GAL — моделирование многодиапазонной полуволновой антенны с концевым питанием (End-Fed Half-Wave, EFHW).
EFHW антенны популярны благодаря ряду преимуществ:
- Работа на нескольких диапазонах без перестройки
- Компактность — требуется всего одна точка крепления
- Хорошее согласование на всех рабочих диапазонах
Для моделирования была выбрана конфигурация антенны EFHW-8010-2K от Myantennas.com со следующими параметрами:
- Длина провода: 39.6 м
- Диапазоны: 80-10 м
- Максимальная мощность: 2 кВт
Создание модели EFHW в MMANA-GAL
- Задаем геометрию антенны в виде перевернутой V
- Размещаем точку питания на одном из концов провода
- Добавляем согласующий трансформатор в точке питания
- Проводим расчет на всех рабочих частотах
- Анализируем полученные диаграммы направленности и графики КСВ
Анализ результатов моделирования EFHW антенны
Моделирование в MMANA-GAL позволило выявить следующие особенности EFHW антенны:
- На основной частоте (80 м) диаграмма направленности близка к классическому диполю
- На высших гармониках (40-10 м) диаграмма похожа на диполь со смещенным питанием
- Основное излучение происходит в первой четверти длины волны от точки питания
- КСВ на всех рабочих диапазонах не превышает 2:1
Интересная особенность — очень высокое напряжение в точке питания, достигающее 1.5 кВ при мощности 1 кВт. Это требует применения специальных высоковольтных компонентов в согласующем устройстве.
В целом, моделирование подтвердило хорошие характеристики EFHW антенны на всех заявленных диапазонах. При этом ее эффективность сопоставима с классическими многодиапазонными антеннами типа Windom или G5RV.
Делаем простейшую антенну
В обзоре векторного анализатора nanoVNA я обещался написать, как спроектировать простейшую антенну. Выполняю обещание — все настолько просто, что даже я с этим справился. А значит, это любому по плечу. Для высокорослых даже еще проще 🙂
Будем делать ненаправленную (до какой-то степени) антенну на 868 МГц — например, для трансмиттера LORA может пригодиться. Когда-то я аналогичную использовал для управления самолетиками и передачи телеметрии с них — как-то я это описывал здесь.
Очень удобно — на пенопластовое крыло просто наклеиваются две полоски медной фольги — вот и вся антенна. Очень легкая, места не занимает и работает очень даже хорошо.
Попробуйте увидеть на фотографии антенну.
— Видишь суслика?..
— Нет…
— И я не вижу… А он есть!
Казалось бы, проще четвертьволнового штыря ничего не бывает.
Но не тут-то было — явной земли у такой антенны нет, в качестве земли выступает корпус вашего аппарата, хорошо еще, если он зеленый и плоский большой и металлический. Но в любом случае, никаким подсчетам такая «земля» не поддается. Но даже при идеальной земле волновое сопротивление такого штыря, если склероз не изменяет, 36 ом, что плохо согласуется с импедансом приемников/передатчиков, обычно равным 50 ом. Надо делать согласующие цепи или противовесы. С противовесами конструкция становится слишком громоздкой.
Слава богу, нам сильно думать над решением не надо — все уже
И это решение — V-образная антенна. Тот же самый диполь, но его лучи идут не под 180 градусов друг от друга, а под более острым углом. Вся фишка в том, что уменьшая угол между лучами, мы уменьшаем и волновое сопротивление. И можем подогнать его под нужные нам 50 Ом. Правда, при этом уползает резонансная частота антенны — поэтому для расчета лучше воспользоваться программой, благо уже много-много лет (по-моему, с 80-х годов) существует бесплатная программа MMANA-GAL. С тех пор появились и более интересные программы, и бесплатных среди них хватает — но воспользуемся классикой.
Эта программа не проектирует антенну сама, она лишь позволяет симулировать спроектированную вами антенну. Ее ограничение — антенна должна состоять из отрезков прямых линий. Т.е. любимый FPV-шниками клевер надо представить прямыми отрезками, вручную нарисовать такую антенну нереально. Патчи, керамические и лихо закрученные антенны — это тоже не для нее. А наша пара проводков — это самое то.
Работает MMANA под Windows, под Wine в Linux запускается без проблем.
Пользовательский интерфейс не совсем очевидный и кривоватый, подробное описание на русском можно найти вот в этой книжке — И. Гончаренко Компьютерное моделирование антенн. Все о программе MMANA.
Если вам надо антенну посложнее, тот же хеликс или клевер — лучше найти другую программу, например, 4nec2 — тоже бесплатная, но я ей не пользовался. Там проектирование выглядит попроще.
Главная вкладка «Геометрия» — по логику вещей вроде как тут и надо определять геометрию антенны — не обольщайтесь, замучаетесь. Здесь нужно задать название антенны и частоту, на которой она должна работать. И определить, в чем будем измерять — в метрах или лямбдах (длина волны). Диаметр провода проще определить в миллиметрах, а все остальное — в лябдах. Еще эта вкладка понадобится для определения источника сигнала — место, куда вы подведете энергию к антенне. У меня это w1b. Это просто подключение к проводу 1 (w1) и следующая буква b — начало. Может быть e — конец или c — середина. Это самые простые случаи, остальные — в книжке описаны.
Следующая вкладка — «Вид». Здесь можно увидеть, что вы нарисовали и где находится источник.
Обратите внимание, у каждого провода определены начало и конец, и на этой вкладке вы можете их поменять.
Но самая удобная вкладка дальше. Во вкладке «Вычисления» есть кнопка «Правка провода» — вот это самое оно и есть. Этим редактором и будем пользоваться.
По сути дела будем играться с длиной сегмента для установки частоты и зенитным углом для установки сопротивления. Острее угол — меньше сопротивление, короче провод — выше резонансная частота. Для начала выбираем значение от балды, но не совсем — длина провода будет четверть длины волны, а угол — строго какой попало. Не забывайте — у нас два провода, менять все нужно симметрично.
Выбрали — выходим из редактора и симулируем, жмем кнопку «Пуск» на вкладке «Вычисления».
Жамкаем «Графики», чтобы увидеть наглядно, что нужно подстраивать.
Если частота с минимумом КСВ отличается от нужной — подгоняем длину провода, укорачивая для увеличения частоты и удлиняя для уменьшения.
Для настройки сопротивления меняем зенитный угол: меньше угол, меньше и сопротивления. Настройки взаимозависимы, идем маленькими шагами к цели. Когда надоело — можно попробовать нажать кнопку «Оптимизация» — с такой простой антенной, которая более-менее близка к цели, оптимизация скорее всего удачно сработает.
Итак, получилось два луча длиной 84.2 мм с углом между ними 47.9х2=95.8º — очень близко к температуре кипения воды 🙂
С направленностью проблема, она связана с землей.
Представим себе сферического коня в вакууме — т.е. наша антенна в абсолютно свободном пространстве. Диаграммы направленности выглядят вот так:
Теперь опустимся ближе к грешной земле — для примера, антенна поднята на 2 метра над идеальной землей:
У MMANA много вариантов выбора типов земель — играться можно, но все-равно на практике будет что-то другое. Помнится, в университете был даже курс — «Распространение радиоволн» — но через несколько десятков лет в памяти, кроме названия курса, ничего не осталось.
Теперь берем проводки — я использовал сварочную проволоку для полуавтомата диаметром 0.8мм — она пружинистая и сверху покрыта медью, для небольших антенн очень неплохой материал, обычная медь слишком мягкая. Вот такая антенна получилась:
Подключаем к векторному анализатору, как им пользоваться, я уже описывал здесь (не забудьте про калибровку перед измерением!)
Напомню, нас интересует красная точка на диаграмме Смита:
Что видим: КСВ 1.34, сопротивление 39 Ом на частоте 869 МГц. Т.е. угол выставлен неправильно, слишком острый.
Чуток разгибаем провода:
Теперь КСВ 1.03, сопротивление 51 Ом на частоте 868.5 МГц. На этом, пожалуй, стоит и остановиться, куда уже лучше?
На сим позвольте откланяться, про антенны и векторные анализаторы торжественно обещаю больше никогда не писать, тем более, что я в них ничего не понимаю.
Уважаемый редактор, может, лучше про реактор?Моделирование полуволновой антенны
Про любимый лунный трактор? Ведь нельзя же, год подряд
То тарелками пугают, дескать, подлые, летают,
То у вас собаки лают, то руины говорят.
End-Fed (EFHW) с помощью MMANA-GAL
Мне нужна была мощная многодиапазонная проволочная антенна , быстро и легко устанавливаемая, для полевых и временных операций, и я много слышал об End -Полуволновые антенны Fed в последнее время.
Итак, я недавно купил EFHW-8010-2K у Myantennas.com , компании, которой я доверяю за ее высококачественные компоненты, качество изготовления и превосходные продукты CMC (подробнее о продуктах в будущий пост ).
EFHW-8010-2K — это версия QRO для тяжелых условий эксплуатации, которая поддерживает до уровней мощности 2 кВт ICAS . Это 39,6м в длину и резонирует на 80 через 10 метров , при этом конструкция действительно первоклассная. Идеально подходит для злоупотреблений, через которые я бы прошел, если потребуется ( EMCOMM, DXpeditions, Contesting и т. д. ).
Однако, прочитав всю «ажиотаж» End-Fed , мне стало любопытно, и я захотел посмотреть, как эта антенна на самом деле выполняет . Ну хотя бы теоретически через программную симуляцию. Я хотел посмотреть, есть ли у него отличия, если они есть, от случайного провода, от диполя Off-Center Fed (OCFD/Windom) и от классической дипольной антенны. Итак, я запустил MMANA-GAL и поискал в библиотеке антенн готовый смоделированный файл EFHW, хотя не было ни одного !… ну не было такого, как у меня.
Полуволновая многодиапазонная антенна с конечным питанием EFHW-8010-2K от Myantennas.comMMANA-GAL Программное обеспечение для проектирования и моделирования антенн MMANA-GAL — популярный программный инструмент для проектирования, анализа и моделирования антенн, относительно простой в освоении и использовании. Возможно, оно проще, а в некоторых случаях и мощнее, чем другие программы для моделирования антенн, такие как EZNEC или 4nec2, и именно поэтому оно стало популярным для относительно простого моделирования антенн. Он поставляется в двух версиях: , базовая версия , бесплатная , и PRO версия , которая платная. Вы можете скачать MMANA-GAL Basic отсюда: http://gal-ana.de/basicmm/en/#18
После поиска в Интернете я не смог найти ни одной надежной модели EFHW в MMANA. Было несколько вариантов, однако ни один из них не соответствовал техническим характеристикам моей антенны. Поэтому я решил спроектировать и построить свою собственную модель с нуля, что довольно просто сделать в MMANA-GAL.
Я решил спроектировать и построить свою модель с нуля, что довольно просто сделать в MMANA-GAL
Мой EFHW урезан на 80 метров, и производитель заявляет, что у него низкий КСВ на каждом любителе диапазон, вплоть до 10M. Используя MMANA-GAL, я смоделировал его в топологии перевернутой V, так как это, вероятно, будет наиболее распространенной топологией, которую можно было бы использовать, и ее очень просто изменить (например, на наклон, горизонтальный провод и т. д.).
Вы можете скачать файл модели MMANA «.maa» , который я создал для антенны EndFed Halfwave 80M-10M ( EFHW-8010.maa ), нажав здесь 900 изображение скачать .
Не стесняйтесь использовать файл модели антенны и настраивать его в соответствии с вашими потребностями в MMANA-GAL. Очень интересно смоделировать характеристики и диаграмму направленности этой антенны в различных топологиях и установках, а также сравнить ее с другими подобными антеннами.
Щелкните, чтобы загрузить файл EFHW .maa для MMANA-GALКроме того, ниже приведены несколько снимков экрана с графиками дальней зоны и расположением антенны моей модели ( щелкните, чтобы увеличить ) :
Inverted V End-Fed Half Wave 80m до 10 м смоделировано в MMANA-GAL80 м (3,55 МГц) График дальнего поля полуволновой антенны с торцевым питанием80 м (3,55 МГц) Трехмерная диаграмма излучения полуволновой антенны с торцевым питанием40 м (7,15 МГц) График дальнего поля полуволновой антенны с торцевым питанием40 м ( 7,15 МГц) 3D-диаграмма излучения полуволновой антенны с торцевым питанием20 м (14,15 МГц) График дальнего поля полуволновой антенны с торцевым питанием20 м (14,15 МГц) 3D-диаграмма излучения полуволновой антенны с торцевым питанием6 м (50,1 МГц) График дальнего поля конца Полуволновая антенна с питанием 6 м (50,1 МГц) 3D-диаграмма излучения полуволновой антенны с питанием на конце Диаграмма направленности очень похожа на стандартный диполь на его основной частоте (т. е. первая полоса резонансных частот), и в равной степени очень похожа на диполь со смещением от центра на полосах резонансных гармоник. Я где-то читал, что по сути не существует такой вещи, как EFHW , и что на самом деле это диполь с крайне нецентральным питанием. Что ж, я могу подтвердить это, посмотрев на диаграмму направленности и ее электрические характеристики. Независимо от того, как вы хотите это назвать , это, по сути, диполь, питаемый от одного конца провода с трансформатором импеданса для согласования импеданса точки питания с импедансом линии передачи, вот и все!.
Вообще говоря, антенны EFHW кажутся хорошим компромиссом антенны из-за их повышенной практичности подключения на конце провода, что является их значительным преимуществом. Однако ожидайте, что производительность будет аналогична (или немного хуже) OCFD/Windom, и не более .
Интересная вещь, которую вы можете заметить, глядя на трехмерную диаграмму направленности на базовой частоте, заключается в том, что только около 1/4λ провода ближайшего к точке питания излучает большую часть излучения, с пиком текущий происходит вокруг центра . В то время как дальняя сторона (оставшаяся 1/4λ) вообще ничего не делает . На гармониках все это явление повторяется каждые 1/4λ частоты гармоники примерно до центра.
График зависимости КСВ от частоты многодиапазонной антенны EFHW-8010-2KВам также может понадобиться быть немного осторожным с аппаратным обеспечением, используемым в точке подачи при работе с QRO высокой мощности. Существует серьезный риск возникновения дуги и пробоя напряжения из-за очень высокого напряжения, разработанного .
Полуволновая многодиапазонная антенна EFHW-8010-2K с конечным питанием 2 кВт с монтажным комплектом от Myantennas. comЭто связано с импедансом конца провода диполя 1/2λ0004 близко к 2450 Ом, , что является импедансом точки питания EFHW (т. е. на вторичной обмотке согласующего трансформатора импеданса).
Итак, используя закон Ома V = √(P x R) , если мы запитаем антенну 1kW RF out и с импедансом точки питания EFHW из 2.45kΩ , тогда мы увидим 1.50003 2.45kΩ кВ выработана на питающей точке ( ой! ).
Модель 8010 от Μyantennas рассчитана на 2 кВт ICAS , так что это не должно быть проблемой при 500 Вт+ CW, но тем не менее, это страшно, когда вы думаете об этом 🤯
Вообще говоря, антенны EFHW кажутся хорошим компромиссом антенны из-за их повышенной практичности подачи питания на конце провода, что является их значительным преимуществом. Однако ожидайте производительности, аналогичной (или немного хуже) OCFD/Windom, и ничего более . На конце этой радуги нет горшочка с золотом! 😀
73 всем! de Andy SV1DKD
Запуск MMANA-GAL в Docker | Домашняя страница Томаса «Тубена» Нильссона
Представлено мастером Drupal в Ср, 26.01.2022 — 15:15
Существует хорошая программа моделирования антенны под названием «MMANA-GAL». Он существует в профессиональной, платной версии и базовой версии, которая имеет некоторые ограничения. Базовая версия великолепна и вполне удобна в использовании.
Базовая версия программы доступна по адресу MMANA-GAL
Ниже приведено описание того, как я запускаю ее на своем компьютере с Linux. Описание требует довольно больших знаний Linux и Docker. В основном, ниже задокументировано только содержимое файлов. Как их использовать и запускать нужно знать.
Я делаю трюк, чтобы иметь возможность установить MMANA-GAL и запустить его из одного и того же экземпляра. Не знаю, может я что-то пропустил, но это работает.
Мой Dockerfile выглядит так:
FROM ubuntu:focal AS winebase
RUN dpkg --add-architecture i386
RUN apt-get update
RUN DEBIAN_FRONTEND=noninteractive TZ="Europe/Stockholm" install tzdata
RUN apt-get install -y apt-utils && apt-get install -y unzip && apt-get install -y wine32
КОПИРОВАТЬ mmanabasic. zip /home/wine/
КОПИРОВАТЬ wine-selector /home/wine/
RUN groupadd -g 1000 wine
RUN useradd -d /home/wine -s /bin/bash -m wine -u 1000 -g 1000
RUN mkdir -p /home/wine/.wine/drive_c/MMANA-GALBasic3/datafiles
RUN unzip /home/wine/mmanabasic.zip -d /home/wine
RUN chown -R wine:wine /home/wine
RUN chmod -R ug+x /home/wine
USER wine
ENV HOME /home/wine
CMD /home/wine/wine-selector
Команда сборки выглядит следующим образом:
docker build -t симуляция антенны .
И когда я запускаю его, используется следующая команда:
docker run -i -v /tmp/.X11-unix:/tmp/.X11-unix -e DISPLAY=$DISPLAY -h $HOSTNAME -v $HOME/.Xauthority:/home/wine/.Xauthority --mount type=bind,source="$(pwd)",target=/home/wine/.wine/drive_c/MMANA-GALBasic3/datafiles --name Antenna -Сим антенна-имитация: последняя
Все должно быть на одной линии иначе работать не будет. Как видно из Dockerfile строка CMD указывает на файл с именем wine-selector .
