Antenna simulator vs. reality

http://www.iz2uuf.net/wp/index.php/2016/09/08/antenna-simulator-vs-reality/

Из блога Davide, IZ2UUF

Антенный симулятор против реальности

Из моего опыта работы с компьютерными антенными моделировщиками (в основном я использую 4NEC2), у меня сложилось ощущение, что эти инструменты, если ими правильно пользоваться, могут быть довольно точными. К сожалению, при моделировании коротковолновых антенн влияние окружающей среды делает результаты немного приблизительными: волны такой длины делают невозможным, по крайней мере для нас, любителей, избежать попадания окружающей среды в поле вблизи антенны, что меняет ожидаемые параметры антенны.

 Сегодня я хочу провести простой эксперимент, чтобы ответить на вопрос, который меня давно интересовал: насколько точным может быть компьютерное моделирование, когда антенна может быть реализована без влияния со стороны природной среды и окружающих предметов?

Для этой цели я создал антенну GP на частоту 300 МГц, пытаясь упростить её конструкцию до самых элементарных линейных компонентов, которые можно было бы легко смоделировать.

Я припаял к фланцам панельного разъема SMA в качестве противовесов четыре отрезка проволоки длиной 24 см и диаметром 2 мм и ещё один отрезок длиной 24 см к центральному штырьку. Длина центрального контакта плюс длина вертикального излучателя составили ровно 25 см. Все 4 радиала сделаны ровными, лежащими в одной плоскости перпендикулярно вертикальному излучателю, чтобы упростить компьютерное моделирование и избежать добавления других ошибок.

 Затем я взял кабель с разъемом SMA и откалибровал мой VNA (Векторный анализатор цепей) (VNWA3)  по методу SOL (SOL - аббревиатура от «Short-Open-Load», это обычный метод калибровки для векторных анализаторов цепей (VNA). Применяется для исключения влияния кабелей и соединений на результат измерений. При этом оператор определяет «плоскость калибровки», которая является точкой в ​​цепочке кабелей и т. д., там, где он хочет чтобы измерения были точными. Затем он производит калибровку по трём положениям в этой точке: «обрыв», «короткое замыкание» и «известная нагрузка», например резистор 50 Ом. TNX Davide, IZ2UUF за разъяснения), так, что плоскость калибровки находилась прямо на фланце разъема SMA:

 Я поместил антенну на шест, для того, чтобы она на несколько длин волн была удалена от любого другого объекта, и запустил сканирование VNA с 200 до 400 МГц.

Результаты

Частота резонанса, рассчитанная по 4NEC2, составляла 298.745 МГц, а измеренная - 301.049 МГц, т. е. разница между ними была очень мала и составила 0.77%. В расчётах на 4NEC2 я пробовал устанавливать как свободное пространство, так и поднимал  антенну на 3 м от реальной земли без какой-либо существенной разницы: для  антенны диапазона 1 м (300 МГц), расстояния в 3 м более чем достаточно, чтобы исключить воздействие земли на импеданс.

На рисунке прямое сравнение значений активного R и реактивного X сопротивлений, рассчитанных по 4NEC2 и измеренных VNWA3 в диапазоне 200-400 МГц. Моделируемые и измеренные кривые почти идентичны: 

Следующий график показывает процент несоответствия между измеренным и рассчитанным значением модуля импеданса |Z|: 

 Максимальное несоответствие составляет около 9%, что кажется довольно точным для такого рода сравнений.

Выводы

Если уделяется достаточное внимание к снижению неопределённого влияния между антенной и окружающей её средой, а элементы конструкции антенны поддерживаются техническими средствами симулятора, то моделирование антенны при помощи NEC может быть очень точным.