Загрузить математический пакет Mathcad 2001;

1.  Загрузить математический пакет Mathcad 2001;

2.  Открыть файл с именем ФАР_полоса, имеющий расширение mcd;

3.  В разделе Исходные данные для расчета в таблице Frequency необходимо ввести числовые значения не менее трех частот. В директории, где расположена программа ФАР_полоса, должны находиться файлы данных с именами, соответствующими введенным значениям частот (например, если в таблице были введены числа 1670,1680,1690, то должны быть файлы DataZ_2.6_1670_MHz.prn, DataZ_2.6_1680_MHz.prn, DataZ_2.6_1690_MHz.prn). Если таких файлов данных не существует, то необходимо перейти в программу ФАР_вз_связь и провести последовательно расчет на каждой из интересующих частот. Кроме того, следует ввести значение относительной диэлектрической проницаемости второго слоя подложки в поле ε_diel. Это сделано для того, чтобы можно было проводить анализ характеристик ФАР при различных материалах подложки.

4.  Для начала вычислений нужно нажать клавишу F9, если в установках не указано автоматическое вычисление. Ошибки, которые могут возникнуть на этом этапе – это отсутствие одного или нескольких подключаемых файлов данных. Проверьте в директории, где расположена программа ФАР_полоса, наличие всех файлов данных. Признаком начала вычислений служит мигающая лампочка курсора. Время вычислений незначительно (до 1 мин.)

5.  По окончании расчетов (признаком окончания является возвращение обычной стрелки курсора) должны быть построены графики, выведены числовые значения, которые могут быть скопированы и через буфер обмена экспортированы в другие пакеты (например Word). Поскольку для построения графиков используется интерполяция расчетных точек, может возникнуть ситуация, когда интерполированный график выходит за границы физической реализуемости параметров (например, КСВ<1, Re(Z_вх)<0). Для устранения этого явления рекомендуется дополнить количество расчетных точек, выполнив вычисления в программе ФАР_вз_связь на частоте, где происходит искажение величины.

3.3.4 Описание программы

Программа ФАР_полоса.mcd является дополнением к центральной программе пакета ФАР_вз_связь и создана для удобства обработки результатов. Расчет в полосе частот можно было бы производить и в рамках одной программы ФАР_вз_связь, но это потребовало бы значительных одновременных затрат ресурсов вычислительной техники (до 1 часа). При расчете характеристик ФАР последовательно на каждой из частот существует возможность прервать вычисления на одной из них при получении некорректного результата или при выходе результата за границы интересующего диапазона.

Алгоритм расчета, используемый в данной программы, совпадает с алгоритмом программы ФАР_вз_связь (рис.3.2). Подробное его описание можно найти в разделе 3.2.4. Отличие заключается в том, что в программе не проводится расчет массива входных сопротивлений излучателя в составе бесконечной периодической решетки Za. Этот массив считывается с файлов данных. Кроме того, пользователем не вводятся исходные данные для расчета, они также считывается с файлов данных.

Главной особенностью программы является построение характеристик ФАР (КСВ, Z_вх) в полосе частот. Количество расчетных точек должно быть не менее трех, верхний предел не ограничен, но исходя из значительных затрат машинного времени не может быть несколько десятков, которое требуется для построения гладких графиков. Для решения этой проблемы в программе предусмотрена интерполяция расчетных точек полиномом второй степени, которая осуществляется с помощью встроенной функции математического пакета.

3.4 Программа для расчета входного сопротивления изолированного излучателя 3.4.1 Описание применения

Программа, имеющая название рез_размер.mcd, проводит расчет входного сопротивления изолированного одиночного излучателя, выполненного на многослойном диэлектрической подложке, при различной геометрии излучателя (размера a и b). Программа применяется для того, чтобы выбрать резонансный размер излучателя, при котором X_вх=0. Выбранный размер используется в дальнейшем в программе ФАР_вз_связь.mcd. Выходными данными программы являются:

·  график активной части входного сопротивления излучателя в зависимости от его длины b;

·  график реактивной части входного сопротивления излучателя в зависимости от его длины b;

Входные данные задаются пользователем вручную в тексте программы, состав входных данных представлен в разделе 3.4.4.

3.4.2 Методика испытаний

Объектом испытаний является файл с именем рез_размер.mcd, который является программой, позволяющей определить резонансный размер излучателя. Во время испытаний следует проверить прохождение контрольного примера при решении задачи с различными входными параметрами. Испытания следует проводить на той же вычислительной установке, на которой планируется эксплуатация программы.

Для проведения испытаний нужно иметь:

·  установленный математический пакет Mathcad 2001 или его более поздние версии;

·  файл с именем рез_размер.mcd;

·  значения входных данных, приводимых ниже;

·  таблицу тестовых результатов.

В качестве тестовой задачи выступает определение резонансного размера квадратного излучателями при разных материалах подложки. Общие исходные данные следующие:

·  f₀=1680 МГц;

·  d₁=3 мм, d₂=1 мм;

·  ε₁=1, ε₃=1, μ₁=1, μ₂=1, μ₃=1;

·  b_0λmin=0,4;

·  b_0λmax=0,6;

·  N_b0=3.

Для открытой структуры в зависимости от материала подлжки должны быть получены следующие резонансные размеры:

1)  ε₂=1, a_0λ=b_0λ =0,463;

2)  ε₂=2,6, a_0λ=b_0λ =0,424;

3)  ε₂=5, a_0λ=b_0λ =0,405.

3.4.3 Руководство пользователя

Программа рез_размер.mcd является дополнением к центральной программе пакета и позволяет определить резонансный размер одиночного излучателя, который используется в исходных данных для расчета программы ФАР_вз_связь.

Программа разработана в рамках математического пакета для инженерных расчетов Mathcad 2001 Professional. Требования к ресурсам вычислительной техники представлены в разделе 3.2.3 данной дипломной работы.

Для выполнения программы необходимо:

1.  Загрузить математический пакет Mathcad 2001;

2.  Открыть файл с именем рез_размер, имеющий расширение mcd;

3.  В разделе Исходные данные для расчета ввести числовые значения нижеуказанных параметров, указывая размерность для абсолютных величин.

·  f₀ – частота для расчетов;

·  a, b – ширина и длина одиночного излучателя;

·  d₁, d₂ – толщина слоев диэлектрической подложки;

·  ε₁, ε₂, μ₁, μ₂ – диэлектрическая и магнитная проницаемость слоев;

В программе предусмотрены два варианта изменения размера излучателя:

a)  b=varia, a=const. В этом случае ширина излучателя a остается постоянной, а его длина b изменяется в задаваемых пределах с фиксированным шагом;

b)  b=varia, a=kb. В этом случае изменяется и длина b излучателя в задаваемых пределах с фиксированным шагом, и пропорционально длине ширина a (k – коэффициент пропорциональности);

4.  Для начала вычислений нужно нажать клавишу F9, если в установках не указано автоматическое вычисление. Ошибки, которые могут возникнуть на этом этапе – это пустое поле одной из входных величин или же неверно указанная (или вовсе неуказанная) размерность величины. Признаком начала вычислений служит мигающая лампочка курсора. Время вычислений незначительно (до 2–3 мин.);

5.  По окончании расчетов (признаком окончания является возвращение обычной стрелки курсора) должны быть построены графики, выведены числовые значения, которые могут быть скопированы и через буфер обмена экспортированы в другие пакеты (например Word). Поскольку для построения графиков используется интерполяция расчетных точек, может возникнуть ситуация, когда интерполированный график выходит за границы физической реализуемости параметров (например, Re(Z_вх)<0). Для устранения этого явления рекомендуется увеличить количество расчетных точек в заданном интервале. Резонансный размер излучателя определяется по графику X(b), из условия X(b_рез)=0.

3.4.4 Описание программы

Программа рез_размер.mcd явлется дополнением к центральной программе пакета ФАР_вз_связь и выполняет расчет входного сопротивления изолированного одиночного излучателя.

Алгоритм расчета входного сопротивления, используемый в данной программы, основан на алгоритме входного сопротивления излучателя в составе бесконечной периодической решетки. Для этого выбирается период решетки равный 5λ, при таком расстоянии взаимное сопротивление пренебрежимо мало по сравнения с собственным сопротивлением. Подобный алгоритм используется в программе ФАР_вз_связь.mcd, рассмотренный в разделе 3.2.4. Особенность заключается в том, что массив входных сопротивлений вычисляется при варьируемой геометрии излучателя. Блок – схема функции расчета входного сопртивления одиночного излучателя представлена на рис. 3.4.

Для увеличения быстродействия в программе проводится интерполяция расчетных точек полиномом второй степени, которая осуществляется с помощью встроенной функции математического пакета.

Рис. 3.4 Блок – схема функции расчета входного сопртивления одиночного излучателя

3.5 Программа для расчета взаимного сопротивления между излучателями 3.5.1 Описание применения

Программа, имеющая название вз_сопрот.mcd, проводит расчет взаимного сопротивления между двумя излучателями при различном угловом положении и расстоянии между ними. Программа применяется для того, чтобы исследовать как взаимная связь изменяется с расстоянием. Выходными данными программы являются:

·  график активной части взаимного сопротивления между излучателям в зависимости от расстояния d между ними;

·  график реактивной части взаимного сопротивления между излучателям в зависимости от расстояния d между ними;

Входные данные задаются пользователем вручную в тексте программы, состав входных данных представлен в разделе 3.5.4.

3.5.2 Методика испытаний

Объектом испытаний является файл с именем вз_сопрот.mcd. Во время испытаний следует проверить прохождение контрольного примера при решении задачи с различными входными параметрами. Испытания следует проводить на той же вычислительной установке, на которой планируется эксплуатация программы.

Для проведения испытаний нужно иметь:

·  установленный математический пакет Mathcad 2001 или его более поздние версии;

·  файл с именем вз_сопрот.mcd;

·  значения входных данных, приводимых ниже;

·  таблицу тестовых результатов.

В качестве тестовой задачи выступает расчет зависимости взаимного сопротивления между квадратными параллельными излучателями от расстояния между ними при разных материалах подложки. Общие исходные данные следующие:

·  f₀=1680 МГц;

·  d₁=3 мм, d₂=1 мм;

·  ε₁=1, ε₃=1, μ₁=1, μ₂=1, μ₃=1;

·  α=90˚ (параллельные излучатели);

·  d_0λmin=0,2,

·  d_0λmax=1,2,

·  N_d0=6.

В качестве подлжки используются материалы с ε₂=1; ε₂=2,6; ε₂=5. Для каждого из них был выбран резонансный размер посредством программы рез_размер.mcd:

4)  ε₂=1, a_0λ=b_0λ =0,463

5)  ε₂=2,6, a_0λ=b_0λ =0,424

6)  ε₂=5, a_0λ=b_0λ =0,405

Результаты расчета для каждого диэлектрика представлены на рис.4.1 и в табл. 4.1.

3.5.3 Руководство пользователя

Программа вз_сопрот.mcd является автономной программой пакета и может быть использована независимо от других программ пакета. Программа позволяет исследовать взаимную связь между излучателям при различном расстоянии и угловом положении.

Программа разработана в рамках математического пакета для инженерных расчетов Mathcad 2001 Professional. Требования к ресурсам вычислительной техники представлены в разделе 3.2.3 данной дипломной работы.

Для выполнения программы необходимо:

1.  Загрузить математический пакет Mathcad 2001;

2.  Открыть файл с именем вз_сопрот, имеющий расширение mcd;

3.  В разделе Исходные данные для расчета ввести числовые значения нижеуказанных параметров, указывая размерность для абсолютных величин:

· f₀ – частота для расчетов;

· a_0λ, b_0λ – ширина и длина одиночного излучателя;

· d₁, d₂ – толщина слоев диэлектрической подложки;

· ε₁, ε₂, ε₃, μ₁, μ₂, μ₃ – диэлектрическая и магнитная проницаемость слоев;

· α – параллельные излучатели;

· d_0λmin – минимальное относительное расстояние между излучателями,

· d_0λmax – максимальное относительное расстояние между излучателями,

· N_d0 – количество точек для расчета.

4.  Для начала вычислений нужно нажать клавишу F9, если в установках не указано автоматическое вычисление. Ошибки, которые могут возникнуть на этом этапе – это пустое поле одной из входных величин или же неверно указанная (или вовсе неуказанная) размерность величины. Признаком начала вычислений служит мигающая лампочка курсора. Время вычислений незначительно (до 2–3 мин.);

5.  По окончании расчетов (признаком окончания является возвращение обычной стрелки курсора) должны быть построены графики, выведены числовые значения, которые могут быть скопированы и через буфер обмена экспортированы в другие пакеты (например Word). Поскольку для построения графиков используется интерполяция расчетных точек, может возникнуть ситуация, когда интерполированный график выходит за границы физической реализуемости параметров. Для устранения этого явления рекомендуется увеличить количество расчетных точек в заданном интервале.

3.5.4 Описание программы

Программа вз_сопрот.mcd явлется автономной программой пакета и может быть использована независимо от других программ пакета. Программа позволяет исследовать взаимную связь между излучателям при различном расстоянии и угловом положении.

Алгоритм расчета взаимного сопротивления основан на процедуре (2.8) и совпадает с алгоритмом, который используется в программе ФАР_вз_связь.mcd и подробно рассмотрен в разделе 3.2.4 данной дипломной работы.

Для увеличения быстродействия в программе проводится интерполяция расчетных точек полиномом второй степени, которая осуществляется с помощью встроенной функции математического пакета.

4. Результаты расчетов 4.1 Взаимное сопротивление

Разработанный пакет программ позволяет исследовать различные зависимости характеристик ФАР от параметров решетки и излучателя. Рассмотрим некоторые из них.

С помощью программы вз_сопрот.mcd, был проведен расчет взаимного сопротивления между двумя излучателями, имеющими структуру как на рис. 2.1 и 2.2, при различных материалах подложки (ε=1; ε= 2,6; ε=5). Результаты расчета модуля взаимного сопротивления для открытой структуры (рис. 2.1) представлены в табл.4.1 и на рис.4.1.

Таблица 4.1

d/λ	Zвз, Ом (ε2=1)	Zвз, Ом (ε2=2,6)	Zвз, Ом (ε2=5)
0,2	0,771‑j3,212	0,794‑j0,841	0,816+j0,11
0,4	0,387‑j0,107	0,42+j0,071	0,444+j0,065
0,6	0,12‑j0,104	0,139‑j0,092	0,148‑j0,092
0,8	-0,025‑j0,077	-0,018‑j0,078	-0,016‑j0,08
1,0	-0,046‑j2,563·10-3	-0,048+j2,884·10-4	-0,049+j4,628·10-4
1,2	-7,419·10-3+j0,028	-0,014+j0,033	-0,015+j0,036

Рис. 4.1 Зависимость модуля взаимного сопртивления от относительного расстояния между параллельными излучателями (открытая структура)

Рис. 4.2 Зависимость модуля взаимного сопртивления от относительного расстояния между параллельными излучателями (закрытая структура)

Как видно из графиков, взаимное сопротивление с увеличением расстояния убывает и в пределе стремится к нулю, это полностью подтверждает все теоретические положения. Анализируя влияние диэлектрика, для открытой структуры можно сделать вывод, что с ростом величины ε взаимная связь проявляется меньше на малых расстояниях при d/λ<0,4. При d/λ>0,4 различие в величинах диэлектрической проницаемости подложки проявляется меньше. Для закрытой структуры различие в величинах диэлектрической проницаемости подложки практически не проявляется даже при малых расстояниях.

Рис. 4.3 Зависимость активной части взаимного сопротивления от расстояния

Рис. 4.3 Зависимость реактивной части взаимного сопротивления от расстояния

4.2 Диаграмма направленности ФАР

Интересным является исследование взаимной связи на такую характеристику антенны как диаграмма направленности. С помощью программы ФАР_вз_связь.mcd можно исследовать зависимость ДН ФАР от шага излучателей, диэлектрической проницаемости подложки ε и других параметров. В данной дипломной работе была исследована зависимость степени влияния взаимной связи на ДН от размера решетки. С этой целью были рассмотрены три антенные решетки: 2х2, 4х4 и 8х4. При этом все решетки имели следующие общие параметры:

1.  f₀=1680 МГц;

2.  ε₂=5;