* Примечание. Программа APAK-EL завершена и более не будет развиваться авторами. Вернее она вошла как окно  Питание и согласование линиями в состав программы  GAL-ANA и там ее дальнейшее развитие безусловно будет продолжено.

APAK-EL

APAK-EL это программа для моделирования систем питания-согласования антенн. Систем, выполненных из отрезков разнообразных линий. Программа создана на 99,9% усилиями Александра Шевелёва, DL1PBD и состоит из двух независимых частей: APAK-ELCH (создание фазирующе-распределительных систем питания активных антенн) и APAK-ELTM (создание многодиапазонных систем согласования из отрезков линий).

APAK-ELCH

При активном питании энергия подводится к каждому элементу непосредственно с нужной амплитудой и фазой. Смысл активного питания в следующем:

 Активное питание  позволяет при любом разумном расположении и размерах элементов (даже нерезонансных) получать хорошие направленные свойства и реализовывать максимум усиления, возможный для данного сочетания расположения   и размеров элементов.

Расчёт самих активных антенн и нужных амплитуд и фаз каждого источника не представляет особой трудности и может быть выполнен в любой программе моделирования антенн.

В результате расчётов антенны мы имеем её размеры, и нужные амплитуды и фазы источников. И остаётся "всего лишь" создать систему питания. То есть устройство, которое распределит энергию передатчика по элементам с требуемыми амплитудами и фазами.

Дело резко осложняется тем, что входные импедансы элементов оказываются комплексными (даже при резонансных размерах) и разными. Что естественно, кроме собственного тока по каждому вибратору течет еще и сумма токов от всех других вибраторов. Если попытаться согласовать их при помощи тюнера, то последний произвольно изменит заданные амплитуду и фазу тока в элементе. Получается собака, гоняющаяся за своим хвостом - при попытке согласования импедансом рассыпается нужное распределение фаз и амплитуд, а при попытке поставить это распределение как надо не выходит ни согласования, ни сложения мощности в общий кабель.

Радиолюбители приложили немало усилий, чтобы как-то упростить решение задачи синтеза системы питания активной антенны. Было придумано множество методов. Почти все они сводились к тому, что к каждому элементу подводится свой кабель, а на дальних от элементов концах кабелей (хотя есть варианты, что и на обоих) устанавливаются весьма сложные LC цепи, обеспечивающие нужное распределение с учётом трансформирующих свойств линий. Беда тут в том, что и расчёт и настройка таких LC цепей чрезвычайно сложны и совершенно недоступны среднему радиолюбителю.

Единственный метод не требовавший громоздких LC-цепей был предложен Al Cristman, KB8I. Суть метода состоит в следующем: пусть к каждому элементу антенны, возбужденному в нужной фазе и амплитуде (мы полагаем, что требуемое амплитудно-фазовое распределение тока по элементам уже существует и как раз такое, какое нам надо) подключена своя питающая линия. Просчитывая комплексное напряжение вдоль всех (по числу элементов) линий можно найти точки, в которой комплексные напряжения на линиях максимально совпадают. В этих точках линии соединяются параллельно (это возможно, так как напряжения одинаковы, причем как реальная, так и мнимая часть напряжений). Получившийся комплексный импеданс преобразуется в 50 Ом простейшей согласующей цепью из пары реактивностей.

Идея весьма привлекательная в практическом исполнении. Но как рассчитать нужные длины кабелей? Для этого надо численно решить уравнения распределения комплексных напряжений вдоль каждой из линий (нагруженной на комплексный импеданс элемента, и имеющей в точке подключения элемента требуемые фазу и амплитуду). Это многоэтажные формулы с комплексными числами явно неподъёмные для радиолюбителя.

Для упрощения решения этой задачи и была создана утилита APAK-ELCH.

Всю сложную и нудную работу по построению графиков напряжения она берет на себя. Достаточно ввести данные по источникам и входным сопротивлениям элементов и требуемые графики будут построены автоматически. на плоскости с координатами реальной и мнимой части напряжения они имеют вид эллипсов. Точка их пересечения и есть искомый ответ. Достаточно движками, изменяющими длину линий подогнать курсоры на обеих графиках в точку пересечения. Впрочем можно не делать даже этого - имеется возможность поиска, делающего то же самое автоматически.

Не останавливаясь на описании программы (всё достаточно ясно описано в файле помощи) перейдем к примерам расчета.

Два вертикала на расстоянии 0,125l

Это широко известная направленная антенна из двух 1\4l GP, с усилением на 4 dB выше чем у одиночного вертикала. Файл самой антенны в программе GAL-ANA можно посмотреть здесь (для просмотра и вычисления этого файла достаточно демо-версии GAL-ANA). Резиторы по 4 Ома в основании каждого вертикала имитируют потери системе заземления (кстати,  отсутствие таких резисторов при моделировании – типичная ошибка, приводящая к заметному расхождению модели и ее практической реализации). Данные по источникам:

Первый: E= 0,5 V, фаза 0 градусов, Z = 15,16 - j17,44 Ом.
Второй: E = 0,54 V, фаза -40 градусов, Z = 15,55 - j21,18 Ом.

Вводим эти данные в APAK-EL и получаем:

Точка пересечения выбрана в левом верхнем квадранте (туда из центра идет прямая радиуса). И сразу получены результаты.

К первому элементу надо подключить кабель RG213A 50 Ом длиной 0,4141l ( смотри цветные надписи над движками).

Ко второму - такой же кабель, но длиной 0,5797l (здесь и далее речь идёт о электрической длине линии, без учёта коэффициента укорочения).

Обратите внимание: разность фаз питающих напряжений 40 градусов, разность фаз питающих токов 135 градусов, а разность электрических длин кабелей (предпоследний столбец в таблице) 59 градусов. Все три цифры разные, так и должно быть на комплексных сопротивлениях, и именно это представляет наибольшую трудность в синтезе системы питания активной антенны.

На противоположных элементам концах кабелей, будут практически одинаковые (отличие менее 0,05%) комплексные напряжения – 0,86 + j0,36 V (выделено красным в таблице). Поэтому можно соединить кабеля параллельно. В этой точке получится сопротивление Zin = 57,6 - j3,05 Ом (окошко над длинами линий). Поэтому никакого СУ не требуется, и можно непосредственно подключать питающий кабель 50 Ом любой длины.

Вид ДН (её очень просто переключать на два направления) показан ниже.

Для коммутации на два направления от каждого элемента до коммутатора должен идти кусок кабеля 0,4141l, а дополнительный отрезок в длиной (0,5302 - 0,4141) = 0,1656l включается в направлении заднего лепестка.

Файл модели с уже с рассчитанными линиями (именно он открыт на предыдущем рисунке). Для  его просмотра и вычисления  достаточно демо-версии GAL-ANA.

Три элемента наклонных GP

Если для предыдущего примера - системы 1\4l GP данные по системе питания еще можно найти в справочной литературе, то для этой, индивидуально спроектированной антенны, можно их там даже не искать. Не будет. Придётся рассчитывать.

Это весьма нестандартная антенна. На любую мачту высотой около 0,3l (11 метров на 7 MHz, мачта используется только как несущая конструкция) с самого верха установлены три растяжки. Нижние концы растяжек расположены по окружности с радиусом 0,17l. Растяжки (изолированные сверху от мачты) являются наклонными 1\4l GP - активными элементами антенны. Очень простая конструктивно антенна (мачта без изолятора и растяжки) с возможностью простой коммутации ДН на три направления. Вид антенны можно подробно посмотреть открыв её файл модели. Понятно, что  для этой антенны в литературе не найти схемы питания.
GAL-ANA указывает следующие данные по источникам:

Первый: E = 0,5V, фаза 0 градусов, Z = 70,49- j13,24 Ом.

Второй: E = 0,5V, фаза 0 градусов, Z = 70,49 - j13,24 Ом.

Третий: E = 0,26V, фаза –38 градусов, Z= -25,67 - j8,10 Ом.

Знак "минус" в активной части входного сопротивления не опечатка и не ошибка программы. Он означает, что третий элемент не потребляет энергию из питающей линии, а наоборот, перехватывая часть энергии, излученной первым элементом в ненужном направлении, второй элемент ВОЗВРАЩАЕТ её в линию питания. То есть работает не как нагрузка, а как генератор. Поэтому и возникает отрицательная часть входного активного сопротивления.

Вводим эти данные в APAK-EL и получаем:

В качестве решения (всего есть 4 точки пересечения) выбираем такую, при которой больше суммарный импеданс, и при которой длина кабелей не слишком мала (их же надо довести до точки установки коммутатора). 

Итого:

Вид этой антенны уже c линиями и рассчитанной ДН показан ниже. Файл модели с уже с рассчитанными линиями.

Для коммутации на три направления от каждого элемента до коммутатора должен идти кусок кабеля 0,3362l, а два дополнительных отрезка длиной по (0,5567 - 0,3362)l включаются в направлении излучения.

APAK-ELTM (Match)

Эта часть программы позволяет рассчитать кабельные системы согласования, причем, работающие в нескольких диапазонах одновременно. Описать эту часть программы лучше, чем это сделал DL1PBD я не смогу, поэтому просто сходите по этому линку - не пожалеете. Ну и конечно читайте хелп - он в программе весьма подробный.


 

Нравится? Тогда скачивайте APAK-EL (0,8 МБ, freeware).

 

* Примечание. Программа APAK-EL завершена и более развиваться не будет. Вернее она вошла как окно  Питание и согласование линиями в состав программы  GAL-ANA и там ее дальнейшее развитие безусловно будет продолжено.



 

<< На главную