МИР ЕН-Антенн


Сайт, посвященный ЕН-Антеннам. Статьи. Описания. Конструкции. Эксперименты. Результаты испытаний.

В этой статье, а можно даже сказать заметке, не будет предоставлен какой-то новый материал по конструрированию антенн, а приведены лишь примеры моделирования ЕН антенн в популярной программе моделировщике - MMANA. Наоборот, хочется заинтересовать радиолюбителей, серьезно занимающихся конструированием ЕН антенн, попробовать промоделировать их в MMANA, что из этого получится?

ЕН АНТЕННА и MMANA

Кононов Владимир ( UA1ACO )
г. Санкт-Петербург

"Что тут моделировать?!" - скажут мне: "...давно уже тысячи людей пытались сделать ЕН антенны и у них ничего не получилось. Моделировали и в MMANA, с таким же отрицательным результатом, что еще раз доказывает, что ЕН антенны не работают..."
Да, действительно моделировали, об этом, как раз, и хотелось бы поразмышлять.

С большим уважением отношусь к моделировщикам антенн: то что раньше приходилось делать неделями, месяцами (и неизвесно еще, получится ли оптимальный результат), теперь можно сделать в тысячу раз быстрее и, притом, по ходу дела "проигрывая" различные варианты. Эти же слова можно отнести и к моделировщикам схем "Electronics Workbench", "MultiSIM" и т.д.
Помню как в "Electronics Workbench" смоделировал половину трансивера, а собрав схему в "металле" пришлось только подобрать конденсатор в цепи АРУ :)
1973 год..., сижу на двухскатной крыше (без ограждений) пятиэтажного дома (мой первый QTH), настраиваю свои 4х16 элементов волновые каналы на 144 МГц (в то время очень увлекался УКВ: Аврора, тропо и т.д.), да еще поднятые над крышей на 5 метров. Сколько это отняло сил и времени!!! Да еще не имя таких приборов как MFJ или подобных. Но силы потрачены были не зря, результат - отработана вся Скандинавия на этих антеннах, всего с 5 ваттами! (многие наверное помнят такую р/станцию - РСИУ-4).
Может даже показаться, что моделирование антенн превратилось в своеобразную игру, увлекательную, захватывающую и самое главное - познавательную. Но это только на первый взгляд, на самом деле, моделировщик, это инструмент, и как всяким инструментом им надо пользоваться грамотно, зная его достоинства, недостатки и ограничения. Огромное уважение вызывают создатели программ моделирования антенн, которые выполняют эту работу бескорыстно, например Makoto Mori (JE3HHT), являющийся автором многих очень популярных радиолюбительских программ для RTTY, PSK и т.д., которому и принадлежат первые версии программы MMANA (на движке MININEC), значительно переработанной, дополненной и локализованной, известным радиолюбителем Игорем Гончаренко (DL2KQ). Без сомнения, эта прекрасная программа помогла очень и очень многим радиолюбителям.

А теперь непосредственно об антеннах. Дипольные антенны просчитываются в программе MMANA прекрасно, важно учесть все сопутствующие факторы. Попробуем теперь смоделировать ЕН антенну на диапазон 14 МГц, конструкция которой описывалась на страницах этого сайта ранее. Антенна много раз повторялась и в России и за рубежом. Реальные характеристики этой антенны приведены на рисунке Рис. 1.

Рис. 1
Характеристики реальной ЕН антенны, описанной ранее, с которыми будут сравниваться дальнейшие модели.
(антенна без кабеля, включена непосредственно в анализатор антенн)

Действительно, в библиотеке MMANA можно найти файл модели ЕН антенны (под названием NO antenna! Error), называется он w0kph.maa . Как для всякой модели, важно учесть все факторы и "конструктив" сопутствующие данной антенне. Посмотрим этот файл (разумеется в программе MMANA). На рисунках Рис. 2 и Рис. 3 можно увидеть как выглядит эта модель и ее расчетные характеристики.

Рис. 2 и Рис. 3
Вид модели и ее характеристики из файла w0kph.maa библиотеки программы MMANA

Похоже на ЕН антенну? Да, похоже, но только не хватает некоторых деталей. Не видно фазирующей катушки под верхним цилиндром, служащей для компенсации паразитной емкости центрального провода. А катушка настройки, принимающая участие в работе антенны, заменена точечной индуктивностью (естественно конструктивная емкость между катушкой и цилиндрами, а также конфигурация поля от этой катушки, не учитываются, так как не дана геометрия катушки). Питание антенны происходит не по "автотрансформаторной" схеме, а непосредственно через "горячий" конец катушки настройки и т.д.
Вполне естественно, если считать, что ЕН антенна не может работать в принципе (файл-то называется "NO antenna!"), то можно пойти и не на такие отступления, зачем это все учитывать, если и так все понятно. Корректны ли такие замены, допущения и неучтенные элементы? Могут ли они повлиять на правильное моделирование ЕН антенны и в какой степени? Оставим пока этот вопрос открытым. Но может быть все же надо учесть хотя бы весь конструктив? Попробуем это сделать и смоделируем ЕН антенну как она есть, см. рисунок Рис. 4 и Рис. 5. Файл этой модели 14mmana02.maa можно посмотреть и скачть (19 Кб).
Все конструктивные размеры: диаметры цилиндров, их длины, количество витков катушек и отводы от них, а также расстояния между цилиндрами и катушками, взяты из РЕАЛЬНО РАБОТАЮЩЕЙ антенны, характеристи которой приведены выше на Рис. 1

Рис. 4 и Рис. 5
Полная модель ЕН антенны на диапазон 14 МГЦ и ее характеристики в программе MMANA.
(катушка из 24 витков, под цилиндрами, на рисунке выглядит как черное большое пятно)

Да, характеристики на рисунке Рис. 5 очень "крутые": трехзначное КСВ и т.д., конечно очень далеко от реальных параметров реальной ЕН антенны, на рисунке Рис. 1 Даже если провести оптимизацию антенны по КСВ, то все равно, КСВ не опускается ниже трехзначного числа. А в реальной ЕН антенне, КСВ = 3-5 получается практически сразу, хотя замечу, что получение минимального КСВ в ЕН антенне является вторичной задачей. Первое - это получение максимального поля от антенны! К сожалению, такой путь для программы-моделировщика не подходит (нет в интерфейсе "галочки" - "оптимизировать по максимуму поля"), да он и не требуется при моделировании дипольных тонких антенн, там основная задача другая: минимум КСВ при необходимом активном входном сопротивлении антенны (остальное получается само собой).
Значит что-то не учтено, какие-то факторы, которые так сильно повлияли на модель. Я специально не буду "разбирать" этот вариант и оставлю такой "разбор полетов" любителям работы с программой MMANA, тем более, что параметры реально работающей антенны и ее конструктивные данные перед глазами и детально описаны, есть с чем реальным сравнить при моделировании.

Но вернувшись к рисунку Рис. 4, можно пойти по пути упрощения модели ЕН антенны (лишь из любопытства) взяв за основу эту полную модель и посмотреть что же получится? Для начала отбросим катушку настройки, как было предложено в "библиотечном" файле и заменим ее точечной. Что получается? Рисунки Рис. 6 и Рис. 7 нам это покажут. Результаты в файле 14mmana03.maa можно посмотреть и скачть (6,4 Кб).

Рис. 6 и Рис. 7
Модель ЕН антенны (без физической катушки настройки) на диапазон 14 МГЦ и ее характеристике в программе MMANA.

Ого! Заменили реальную катушку настройки точечной, с непонятной геометрией и распределением от нее поля и... получили КСВ = 2,9 вместо 600 ! (а если установим добротность точечной катрушки 80-100, так и вообще КСВ будет равен 1) на той же частоте минимума КСВ (что, кстати, очень близко к той модели, которая есть в библиотечном файле MMANA w0kph.maa, упомянутом выше). Раз такое моделирование допустимо, пойдем еще дальше: исключим из модели цилиндры (!), а заодно и фазирующую катушку (зачем она - цилиндров-то все равно нет!), заменив их емкостью между эквивалентными штырями длиной по 16 см. и диаметром 10 мм (это не совсем корректно для MMANA, при соединении проводов с разными диаметрами, но мы видим, что в моделях шли и на большие упрощения) см. рисунки Рис. 8 и Рис. 9. Файл, для примера 14mmana05.maa можно посмотреть и скачть (495 байт).

Рис. 8 и Рис. 9
Модель ЕН антенны без цилиндров и катушки настройки.

Эврика! еще лучше! КСВ = 1,66 (а если уменьшить добротность катушки до 17-18, то получим КСВ=1), а jX всего 3,4 Ома. Согласовать-то активное сопротивление проблем нет, под любое другое. Можно пойти и еще дальше и дойти до элементарного контура с точечными, сосредоточенными параметрами L и С, но какое это будет иметь отношение к ЕН антенне, да и вообще к любой антенне? Важно реально отдавать себе отчет в том, что мы хотим? Если мы хотим смоделировать просто контур - это одно, если же мы хотим смоделировать ЕН антенну со всеми ее нюансами, значит все это надо учитывать (можно соглашаться или не соглашаться с теорией - дело каждого). К чему приводит пренебрежение какими-то факторами или опущение каких-то элементов в модели, мы наглядно только что убедились выше.
Если Вы были внимательны, то наверняка увидели, что усиление моделируемых антенн, по отношению к изотропному излучателю, имело во всех примерах примерно одинаковую величину (31-41 dB). Конечно, антенна с такими параметрами, как правильно шутят, это НЕ антенна. Но мы проводили все эти моделирования, все время сравнивая их с параметрами РЕАЛЬНОЙ ЕН антенны, показанной на рисунке Рис. 1 у которой были сняты, в полевых условиях, сравнительные характеристики усиления , по отношению к Диполю (см. предыдущие статьи на этом сайте и в разделе "ЕН антенны в мире"). Они примерно равны (может быть в разных случаях на 1-3 dB меньше, НО! уж никак не -30-40 dB :)! Так каким же образом соотнести результаты моделирования ЕН антенны и реальные результаты, многократно проверенные в разных условиях и с разными антеннами? В чем причина? Моделировщик не учитывает какие-то параметры, используемые в работе ЕН антенны (например токи смещения)? Может быть я не правильно пользуюсь программой? с благодарностью приму все замечания. Или в практические измерения вкрадывается ошибка, а ведь проведены многие десятки и сотни опытов и не только мной, но и в других странах (но ведь и в работе в реальном эфире ЕН антенна ведет себя "эквивалентно")?
На этот вопрос, со всей определенностью, я не могу сейчас ответить, но пытаюсь...

Поэтому я и оставляю их открытыми, может быть они подтолкнут, заставят задуматься радиолюбителей над этой проблемой "нестыковки"? Истина, ведь она всегда на поверхности!

73!
UA1ACO (Vlad)
г. С-Петербург
05.2009г.