2.2.3.2. Ограничения при стыковке проводов с разным радиусом

Ходит живучий (но ложный) слух, что, дескать, MININEC при определении резонансной частоты антенны всегда даёт заметную погрешность вверх. Возник это слух очень давно, когда на старых компьютерах обсчитать антенну с числом точек более нескольких десятков было очень и очень долго. Поэтому число точек в моделях вынужденно ограничивалось. И весьма часто - ниже разумного минимума. А MININEC при недостаточном числе точек, действительно дает погрешность вверх. А NEC2 позволяет получить заданную точность определения резонансной частоты при меньшем числе точек (это, кстати, и было одной из задач его создания).

В оболочках с малым числом точек на ядре MININECа (ELNEC, NEC4WIN) даже вводили специальную коррекцию по частоте. Но поскольку это была коррекция именно в оболочке, то цена ей была невелика. Скажем на диполях корректировать можно успешно. А на произвольной антенне величина коррекции заранее не известна. Поэтому выходила поправка на заранее неизвестную величину - сначала оболочка ограничивала (малым числом точек) возможности MININECa, а затем эмпирической поправкой пыталась как-то поправить ситуацию.

Остановился я на этом вот почему. Некоторые упрекают MMANA в отсутствии коррекции по частоте. Но эта коррекция ей совершенно не нужна. MMANA полностью используя возможности MININECa и обеспечивает возможность установки достаточного для точного расчёта числа точек. Скажу более – наличие частотной коррекции в программе (любой) моделирования говорит только о том, что оболочка написано плохо и не использует полностью возможности ядра. До такой степени плохо, что приходится корректировать результаты.

При достаточном числе точек сегментации на проводах постоянного радиуса НИКАКОЙ РАЗНИЦЫ И НИКАКОГО СДВИГА ЧАСТОТЫ< между MININECом и NEC2 - НЕТ (в MININECe надо только несколько больше, чем в NEC2 сегментов ставить).

А вот если элемент (диполь, рамка, или что-то еще) составлен из проводов разного диаметра (комбинированный или провод) то разница есть. В это случае MININEC действительно дает систематическую погрешность в определении резонансной частоты сдвигая ее ВВЕРХ от действительного значения. Причина в том, что краевой (торцевой) эффект MININECом учитывается корректно только для самого последнего провода (чей торец видит свободное пространство), и не учитывается - в середине провода, при ступенчатом изменении его диаметра. То есть при стыковке проводов разного радиуса путь тока оказывается чуть-чуть больше, чем простая сумма длин этих проводов. Больше на величину ступени (разности радиусов) при стыковке. Поэтому вибратор< физически оказывается чуть длиннее и ниже по частоте.

Слышу негодующие крики: «А вот NEC2 это учитывает правильно!». Однако дело не вполне так. Вернее вполне не так. В расчетах NEC2 этот эффект (удлинения вибратора на стыках) не рассчитывается. Сделана всего лишь коррекция результатов расчета (но тут коррекция в ядре) – провод состоящий из нескольких кусков разного радиуса заменяется одним, эквивалентным, постоянного радиуса. Эта коррекция даёт очень хорошие результаты, но увы, только в случае резонансных вибраторов (например, элементов Уда--Яги). Но если элемент имеет произвольную форму, или не находится в резонансе, или имеет относительно короткие вставки иного радиуса , то тут беда. Коррекция NEC2 не просто теряет точность, а сводит егос ума.

Пример.

Обыкновенный l/2 диполь на 14,05 МГц в свободном пространстве. Диполь состоит из относительно короткого и толстого (диаметром 10 мм) отрезка в центре длиной L0 и двух длинных проволочных плеч диаметром 1 мм каждое. Общий размер диполя – 10,4 м. Материал без потерь.

Табл. 2.2.1

Что видно из этой таблицы?

NEC2 при коротких проводниках в стыке переменного диаметра считает усиление Ga (реально у l/2 диполя - 2,15 dBi) с быстро прогрессирующей до больших значений ошибкой. При наличии в стыках<проводов длиной менее 5% l верить NEC2 по усилению нельзя – он его сильно завышает. С входным импедансом Za картина сходная, с той лишь разницей, что импеданс про сравнению с реальным (73 ома активной части) занижается.

MININEC в смысле Ga ведет себя очень солидно – везде неизменные и правильные 2,15 dB. Активная часть входного импеданса (Ra) намного ближе к реальным 73 омам (у тонкого-то диполя в свободном пространстве все же 73 Ома, короткая утолщенная вставка в середине реально влияет на Ra очень немного), чем у NEC2. При малых L0 реактивная часть входного импеданса (jXa) у MINIMECа также намного ближе к реальности. А вот при больших L0 (в таблице L0=2м), там где прилично ведет себя NEC2, реактивная часть входного сопротивления, рассчитанного MININECом - отрицательнее, то есть резонансная частота получается выше реальной.

Стоит еще отметить, что упомянутые ошибки NEC2 не исправляются повышением плотности сегментации (хотя полученные значения немного меняются при этом).

Итак, получается, что во многих случаях (короткие стыки и\или нерезонансные элементы) MININEC ведет себя точнее, чем NEC2. Прежде всего, в расчете Ga (тут MININEC тут вне конкуренции) и активной части входного импеданса антенны. Реактивная же часть входного импеданса на комбинированных проводах MININECом сдвигается в отрицательную область (погрешность резонансной частоты вверх).

Так что же, MININECом нельзя пользоваться при комбинированных проводах? Нет, конечно, можно, надо только выяснить величину погрешности и границы в которых она имеет приемлемую величину. Эта погрешность зависит от диаметра провода в l и отношения диаметров соединяемых проводов.

Для резонансного l/2 вибратора, составленного из трех равных по длине труб (диаметр, более толстой средней трубы D_макс, диаметры крайних, более тонких труб d_мин) погрешность (вверх) определения резонасной частоты (в % от реальной) MININECом дана в таблице 2.2.2

Табл. 2.2.2

Из этой таблицы, зная диаметр наиболее толстого провода, можно понять при каких скачках диаметра погрешность будет терпимой, а при каких нет. Для тонких проволочных антенн при диаметре до 0,1% l (это 16 см для 160 м и 1 см для 28 МГц) даже малореальное на практике трехкратное снижение диаметра скачком приводит к погрешности не более 0,2%, что на практике вполне достаточно.

Увеличение же диаметра наиболее толстого провода до 0,3% l (30 мм на 28 МГц и 60 мм на 14 МГц) приводит к более жестким требованиям – приемлемая точность сохраняется только при изменении скачкообразном изменении диаметра только лишь на 20% (например, при стыковке труб 30 и 26 мм). Напротив, при стыковке труб 30 и 15 мм (двукратное изменение диаметра) погрешность определения резонансной частоты достигнет 1%.

Таким образом, если же в элементе есть скачки диаметра проводов (комбинированные провода), то при пользовании MININECом (то есть MMANA) надо смотреть табл. 2.2.2, чтобы не выйти за область корректной работы MININECa. При максимально диаметре проводов менее 0,1% l и отношении диаметров <3 об этом можно не волноваться (эта область на мой взгляд покрывает большинство практических конструкций).

Тут крайне уместно заметить, что использование NEC2 даст выигрыш по точности определения резонансной частоты только в случае элементов резонансных размеров (скажем l>/2 диполей или волновых рамок). Во всех же остальных случаях, например нерезонансная (укороченная) телескопическая мачта как излучатель, толстая мачта с ВЧ Uda-Yagi наверху как НЧ вертикал, или вставки другого диаметра длиной менее 5% l (даже и в резонансный провод) MININEC (даже с учетом погрешностей табл. 2.2.2) заметно выиграет по точности у NEC2.

Завершающий параграф вопрос – ну а если все же надо рассчитать именно Яги с элементами большого диаметра и таперированными настолько, что погрешность MININECa уже неприемлема. Что делать с файлом такой антенны и как просчитать его в NEC2 для точного определения резонансной частоты? А вот об этом – в параграфе 2.2.5.1

На главную - Main page