Άσκηση 1η Λειτουργία του προγράμματος NEC4WIN95VM

Transcript

1 Άσκηση 1η Λειτουργία του προγράμματος NEC4WIN95VM Σκοπός της παρούσας άσκησης είναι η εξοικείωση με τις βασικές λειτουργίες του προγράμματος NEC4WIN 95VM. Για τον λόγο αυτό θεωρείται κρίσιμης σημασίας για όλες τις ασκήσεις που ακολουθούν στις οποίες ο τρόπος χρήσης του προγράμματος (εκτός ορισμένων εξαιρέσεων) θα θεωρείται γνωστός. 1. Δημιουργήστε ένα καινούργιο αρχείο και επιλέξτε συχνότητα λειτουργίας της κεραίας f = 15MHz. Ανοίγουμε το πρόγραμμα NEC4WIN95VM και επιλέγουμε File/New Project. Στο παράθυρο διαλόγου Operating Frequency που εμφανίζεται εισάγουμε την επιθυμητή τιμή συχνότητας και πατούμε το Ok οπότε εμφανίζεται το παράθυρο διαλόγου Geometry που εικονίζεται παρακάτω: 2. α) Τοποθετήστε την κεραία σε ύψος 10m. β) Εισάγετε ένα σύρμα μήκους L = 10m έτσι ώστε να είναι τοποθετημένο πάνω στον άξονα YY και το κέντρο του να βρίσκεται στην αρχή των αξόνων, η διάμετρος του να είναι d = 10-3 m και ο αριθμός των segments από τα οποία θα αποτελείται το σύρμα να είναι 10. γ) Εισάγετε μια πηγή της μορφής V(t) = Α e jθ = 100 e j0 στον παλμό 5 (Α είναι το πλάτος και θ είναι η φάση της πηγής). Σελίδα 1 από 6

2 Στο παράθυρο διαλόγου Geometry πατούμε το Height και εισάγουμε το επιθυμητό ύψος της κεραίας. Στην συνέχεια πατούμε το Add Wire και εισάγουμε τις συντεταγμένες αρχής (Χ1, Υ1, Ζ1) και τέλους (Χ2, Υ2, Ζ2) του σύρματος. Η επιλογή ενός κελιού του πίνακα γίνεται με κλικ σε αυτό οπότε ένα γκρι περίγραμμα περιβάλλει το κελί. Η τιμή της συντεταγμένης που πληκτρολογούμε εμφανίζεται στο λευκό πλαίσιο πάνω από την συντεταγμένη Χ2. Όταν πληκτρολογηθεί η τιμή της επιθυμητής συντεταγμένης πατούμε το Enter οπότε η τιμή αυτή μεταφέρεται στο κελί που είχε προηγουμένως επιλεγεί και το λευκό πλαίσιο πάνω από την συντεταγμένη Χ2 αδειάζει. Προσοχή: Το μήκος του σύρματος εικονίζεται αυτόματα στο λευκό πλαίσιο δίπλα στο Wire Length του παραθύρου διαλόγου Geometry και αριστερά από αυτό εικονίζονται οι μονάδες μέτρησης του που μπορεί να είναι μέτρα, εκατοστά, χιλιοστά, μήκη κύματος (wlngth), πόδια (Feet) ή ίντσες (Inches). Η αλλαγή του είδους της μονάδας μέτρησης γίνεται με απλό πάτημα του αντίστοιχου μπουτόν, γι αυτό αν θέλετε το μήκος της κεραίας να είναι σε μέτρα, φροντίστε προτού εισάγετε τις συντεταγμένες αρχής και τέλους του σύρματος το αντίστοιχο μπουτόν να δείχνει Meters. Η διάμετρος του σύρματος πληκτρολογείται απευθείας στο αντίστοιχο κελί της στήλης Diam, ή μπορεί να γίνει επιλογή της μέσω του παραθύρου διαλόγου Wire Size που εμφανίζεται με δεξί κλικ στο αντίστοιχο κελί της στήλης Diam. Ο αριθμός των segments του σύρματος πληκτρολογείται στο αντίστοιχο κελί της στήλης Seg.. Η πηγή (ή τα φορτία) εισάγονται με την μέθοδο Drag and Drop μέσω του παραθύρου διαλόγου Sources & Loads που εμφανίζεται με διπλό κλικ στο αντίστοιχο κελί της στήλης Src/Ld του παραθύρου διαλόγου Geometry. Αφού τοποθετηθεί κάποια πηγή στον επιθυμητό παλμό του σύρματος με διπλό κλικ πάνω της γίνεται η ρύθμιση των παραμέτρων της. Αν θέλουμε να απομακρύνουμε κάποια πηγή την οδηγούμε με την μέθοδο Drag and Drop στον κάδο που υπάρχει μεταξύ των μπουτόν Ok και Cancel του παραθύρου διαλόγου Sources & Loads.. 3. α) Δείτε την διδιάστατη διάταξη της κεραίας στο χώρο σε διάφορα επίπεδα. β) Εμφανίστε τους παλμούς και τους αντίστοιχους αριθμούς. γ) Αλλάξτε χρωματισμό στο υπόβαθρο (Β), στα γράμματα και στους άξονες (F), στο σύρμα (W) και στην πηγή (S). δ) Αποθηκεύστε το αρχείο με το όνομα askisi_1 στο directory Lab_Domes στην επιφάνεια εργασίας σας. α) Πατούμε το εικονίδιο που βρίσκεται στην γραμμή εργαλείων του προγράμματος, ή πατούμε το Show του παραθύρου διαλόγου Geometry (Σημειώνεται ότι το παράθυρο διαλόγου Geometry μπορεί να εμφανιστεί ανά πάσα στιγμή επιλέγοντας Antenna Setup/Geometry από τα μενού του προγράμματος), οπότε εμφανίζεται το παράθυρο Antenna View. Plane όπου. το επίπεδο προβολής της κεραίας. Για την προβολή της κεραίας σε άλλα επίπεδα πατούμε το του παραθύρου Antenna View. Plane. β) Πατούμε αντίστοιχα τα εικονίδια και του παραθύρου Antenna View. Plane και εμφανίζονται οι παλμοί και η αρίθμηση τους. Σελίδα 2 από 6

3 γ) Πατούμε απλά τα αντίστοιχα γράμματα. Συνίσταται το χρώμα του υποβάθρου να είναι λευκό, το χρώμα του σύρματος να είναι μαύρο και το χρώμα των πηγών να είναι κόκκινο. δ) Το πρόγραμμα NEC4WIN95VM για κάθε καινούργιο έργο δημιουργεί αυτόματα δύο αρχεία: ένα με επέκταση.ν4w στο οποίο γίνονται όλοι οι υπολογισμοί και τα γραφικά και περιέχονται όλες οι παράμετροι της κεραίας, και ένα με επέκταση.log στο οποίο καταγράφονται όλα τα αποτελέσματα των υπολογισμών. Το πρόγραμμα ονομάζει αυτόματα κάθε αρχείο τύπου.n4w με την ονομασία ΜΜΜΥΥΧΧ.Ν4W, όπου ΜΜΜ ο μήνας του έτους ΥΥ το έτος και ΧΧ ο αριθμός των έργων που έχουν γίνει τον ΜΜΜ μήνα, έως ότου γίνει αποθήκευση του έργου με την επιλογή του File/Save Project από τα μενού του προγράμματος. Προσοχή: η αποθήκευση των έργων σας, εκτός του ότι πρέπει να γίνεται συχνά γιατί δεν υπάρχει η δυνατότητα αναίρεσης (Undo) μιας συγκεκριμένης ενέργειας μέσω του προγράμματος, καλό είναι να γίνεται με την επιλογή του File/Save Project as αντί του File/Save Project οπότε θα δίνετε την αντίστοιχη διαδρομή και το επιθυμητό όνομα στο έργο. Συνίσταται να δημιουργήσετε ένα κατάλογο στην επιφάνεια εργασία σας με το όνομα Lab_Domes όπου εκεί να αποθηκεύετε τα έργα που θα δημιουργείτε με κατάλληλο κάθε φορά όνομα για να μπορείτε να τα βρείτε εύκολα σε άλλη χρονική στιγμή. 4. α) Βρείτε την εμπέδηση της κεραίας για ύψος 10m και τέλεια γη. β)αλλάξτε το ύψος της κεραίας (κάντε το 20m) για τέλεια γη και υπολογίστε ξανά την εμπέδηση γ) Μεταβάλλετε το είδος της γης (κάντε την κακή γη) και υπολογίστε ξανά την εμπέδηση για ύψος 20m. δ) Μηδενίστε το ύψος της κεραίας και υπολογίστε την εμπέδηση για ελεύθερο χώρο. Ανοίγοντας το μενού Antenna Setup στην πρώτη γραμμή έχουμε τρεις δυνατότητες επιλογής του είδους γης κάτω από την κεραία. Οι δυνατότητες αυτές είναι: i) In Free Space η κεραία βρίσκεται στον ελεύθερο χώρο, ii) Ground Plane η κεραία είναι γειωμένη, και iii) Use Ground η κεραία βρίσκεται πάνω από συγκεκριμένο έδαφος. Στην τελευταία περίπτωση ρυθμίζουμε τις παραμέτρους του εδάφους από το παράθυρο διαλόγου Environment Settings που εμφανίζεται επιλέγοντας Antenna Setup/Ground εφόσον είναι επιλεγμένο το Use Ground. Η εμπέδηση της κεραίας υπολογίζεται επιλέγοντας Compute/Impedance από τα μενού του προγράμματος. 5. α) Για ύψος 10m πάνω από τέλεια γη δείτε την κατανομή μακρινού πεδίου. β) Για αζιμουθιακή γωνία 0 ο δείτε την υψομετρική κατανομή. γ) Βρείτε την γωνία πού έχει μέγιστο η υψομετρική κατανομή. δ) Δείτε την εμπέδηση, την απολαβή τις θέσεις των λοβών και το εύρος δέσμης μισής ισχύος. ε) Αλλάξτε το ύψος σε 20m και επαναλάβατε τα παραπάνω. Η υψομετρική (ζενιθειακή) κατανομή δηλαδή η κατανομή του πεδίου σε επίπεδο κάθετο στο επίπεδο ΧΥ, και η αζιμουθιακή κατανομή δηλαδή η κατανομή του πεδίου σε επίπεδο παράλληλο με το επίπεδο ΧΥ υπολογίζονται και σχεδιάζονται επιλέγοντας Plot/Far Field από τα μενού του προγράμματος οπότε εμφανίζεται το παράθυρο διαλόγου Far Field plot. Στο Σελίδα 3 από 6

4 παράθυρο αυτό πατώντας το Zen εμφανίζεται η υψομετρική κατανομή για δεδομένη αζιμουθιακή γωνία η τιμή της οποίας φαίνεται στο λευκό πλαίσιο δίπλα στο Angle, ενώ πατώντας το Az εμφανίζεται η αζιμουθιακή κατανομή για δεδομένη υψομετρική γωνία της οποίας η τιμή φαίνεται και πάλι στο λευκό πλαίσιο δίπλα στο Angle. Η διαδικασία εύρεσης των γωνιών που αντιστοιχούν στο μέγιστο της απολαβής είναι η παρακάτω: i) Αρχικά σχεδιάζουμε μια υψομετρική κατανομή για αζιμουθιακή γωνία 0 ο, ii) Πατούμε το αριστερό πλήκτρο του ποντικιού στο Angle οπότε εμφανίζεται (και αποθηκεύεται στις τιμές) στο λευκό πλαίσιο δίπλα στο Angle η υψομετρική γωνία μεγίστης απολαβής για αζιμουθιακή γωνία 0 ο, iii) Σχεδιάζουμε μια αζιμουθιακή κατανομή για την παραπάνω υψομετρική γωνία, iv) Πατούμε το δεξιό πλήκτρο του ποντικιού στο Angle οπότε εμφανίζεται (και αποθηκεύεται στις τιμές) στο λευκό πλαίσιο δίπλα στο Angle η αζιμουθιακή γωνία μεγίστης απολαβής, και τέλος v) Σχεδιάζουμε την υψομετρική κατανομή για την προηγούμενη αζιμουθιακή γωνία. Η υψομετρική γωνία μεγίστης απολαβής εμφανίζεται με αριστερό κλικ στο Angle. Η απολαβή, οι θέσεις των λοβών, το εύρος δέσμης μισής ισχύος, η εμπέδηση και διάφορες άλλες πληροφορίες εμφανίζονται στο παράθυρο διαλόγου Far Field plot.. 6. α) Για ύψος 10m πάνω από τέλεια γη δείτε την τρισδιάστατη κατανομή. β) Μεγεθύνετε και μικρύνετε την κατανομή αυτή. γ) Δείτε το ρεύμα και μεγεθύνετε το. Η τρισδιάστατη κατανομή και τα ρεύματα εμφανίζονται και γίνεται η επεξεργασία τους από τα εργαλεία του παραθύρου 3D View & Currents που εμφανίζεται επιλέγοντας Plot/3D View and Currents από τα μενού του προγράμματος η πατώντας το εργαλείο από την γραμμή των μενού. που βρίσκεται κάτω 7. Φτιάξτε το διάγραμμα μεταβολής της εμπέδησης για την περιοχή συχνοτήτων 10-20MHz με βήμα 0.1MΗz και βρείτε που γίνεται συντονισμός. Το διάγραμμα μεταβολής της εμπέδησης εμφανίζεται στο παράθυρο Antenna Resonance το οποίο εμφανίζεται αφού επιλέξουμε Plot/Impedance από τα μενού του προγράμματος και δώσουμε τα όρια της περιοχής συχνοτήτων που μας ενδιαφέρει και το κατάλληλο βήμα στο παράθυρο διαλόγου Frequency Range. Συντονισμός συμβαίνει εκεί που το φανταστικό μέρος της σύνθετης αντίστασης μηδενίζεται. Με αριστερό κλικ στο διάγραμμα μεταβολής της εμπέδησης μπορούμε να αλλάξουμε τα όρια των τιμών των αξόνων στο παράθυρο διαλόγου Impedance Plot R, X Limits, ώστε η γραφική παράσταση να είναι ευκρινής. 8. Φτιάξτε το διάγραμμα μεταβολής του SWR για την περιοχή συχνοτήτων 10-20MHz με βήμα 0.1MΗz και μέγιστη τιμή του SWR 30. Σελίδα 4 από 6

5 Το διάγραμμα μεταβολής του SWR εμφανίζεται στο παράθυρο Antenna SWR το οποίο εμφανίζεται αφού επιλέξουμε Plot/SWR από τα μενού του προγράμματος και δώσουμε τα όρια της περιοχής συχνοτήτων που μας ενδιαφέρει και το κατάλληλο βήμα και την μέγιστη τιμή του SWR στο παράθυρο διαλόγου SWR Plot F, Step, SWR Limits. Συντονισμός συμβαίνει εκεί που το SWR έχει την μικρότερη τιμή.. Με αριστερό κλικ στο διάγραμμα μεταβολής του SWR μπορούμε να αλλάξουμε τα όρια των τιμών του παραθύρου SWR Plot F, Step, SWR Limits, ώστε η γραφική παράσταση να είναι ευκρινής. 9. Φτιάξτε το διάγραμμα μεταβολής της απολαβής για την περιοχή συχνοτήτων 12-18MHz με βήμα 0.1MHz και μέγιστη τιμή απολαβής 10. Βρείτε που γίνεται μέγιστη η απολαβή. Το διάγραμμα μεταβολής της απολαβής εμφανίζεται στο παράθυρο Antenna Gain το οποίο εμφανίζεται αφού επιλέξουμε Plot/Gain από τα μενού του προγράμματος και δώσουμε τα όρια της περιοχής συχνοτήτων που μας ενδιαφέρει, το κατάλληλο βήμα και την μέγιστη και την ελάχιστη τιμή της απολαβής στο παράθυρο διαλόγου Gain Plot F, Step, Limits. Με αριστερό κλικ στο διάγραμμα μεταβολής της απολαβής μπορούμε να αλλάξουμε τα όρια των τιμών του παραθύρου Gain Plot F, Step, Limits, ώστε η γραφική παράσταση να είναι ευκρινής. 10. Για δική σας εξάσκηση σχεδιάστε στον ελεύθερο χώρο τις παρακάτω κεραίες: α) Τετραγωνική κεραία πλευράς 20m πάνω στο επίπεδο ΧΥ με το σημείο τομής των διαγωνίων του τετραγώνου να συμπίπτει με την αρχή των αξόνων, β) Κεραία τύπου Γ πάνω στο επίπεδο ΧΥ που το ένα σύρμα της έχει μήκος 20m, ξεκινάει από το σημείο (0,0,0) και βρίσκεται πάνω στον ΥΥ άξονα προς τα θετικά του, και το άλλο της σύρμα έχει μήκος 30m και είναι κάθετο προς το πρώτο στο τέλος του, γ) Κεραία τύπου Τ που βρίσκεται πάνω στο επίπεδο ΥΖ. Το ένα της σύρμα έχει μήκος L = 10m ξεκινάει από την αρχή των αξόνων και κατευθύνεται προς τα θετικά του άξονα ΖΖ και τα άλλα δύο της σύρματα είναι κάθετα προς αυτό στο σημείο του τέλους του, ξεκινούν από το παραπάνω σημείο, έχουν μήκος 5m και είναι παράλληλα με τον θετικό και τον αρνητικό ημιάξονα ΥΥ αντίστοιχα. Η σύνδεση των συρμάτων που απαρτίζουν μια κεραία γίνεται μόνο στα άκρα τους.. Επομένως προκειμένου να συνδεθούν δύο σύρματα θα πρέπει οι συντεταγμένες τέλους του ενός σύρματος να συμπίπτουν με τις συντεταγμένες αρχής του άλλου σύρματος. Αυτό είναι εύκολο να γίνει κατά την εισαγωγή των συρμάτων στο παράθυρο διαλόγου Geometry, εφόσον προτού πατηθεί το Add Wire είναι πατημένο το (Connect new wires) που βρίσκεται δίπλα στο Add Wire. Στην περίπτωση αυτή δημιουργείται νέο σύρμα με συντεταγμένες αρχής τις συντεταγμένες τέλους του προηγούμενου σύρματος. Προσοχή στα εξής σημεία: i) Καλό θα ήταν να υπολογίζονατι οι συντεταγμένες αρχής και τέλους των συρμάτων και να σχεδιάζεται η κεραία στο χαρτί πριν από την εισαγωγή των συντεταγμένων των συρμάτων στο παράθυρο Geometry. Σελίδα 5 από 6

6 ii) Σε κάθε σύρμα που αποτελείται από k στοιχειώδη δίπολα (segments) αντιστοιχούν k-1 σημεία σύνδεσης των στοιχειωδών διπόλων (pulses). Πηγές και φορτία τοποθετούνται μόνο σε παλμούς. Συνδέσεις συρμάτων γίνονται μόνο σε ακριανούς παλμούς. Στα άκρα των συρμάτων δεν υπάρχουν παλμοί εκτός και εάν τα σύρματα είναι συνδεδεμένα, οπότε ο τελευταίος παλμός του πρώτου αντιστοιχεί στον πρώτο παλμό του δευτέρου. iii) iv) Αν η κεραία είναι σε επαφή με την γη, τότε στο σημείο επαφής δημιουργείται παλμός. Το μήκος των segments θα πρέπει να είναι μικρότερο από λ/10 και μεγαλύτερο από 4d (όπου d η διάμετρος του σύρματος και λ το μήκος κύματος της ακτινοβολίας σε μέτρα που σχετίζεται με την συχνότητα με την σχέση f=300/λ όταν η συχνότητα f δίνεται σε MHz), ώστε αυτά να λειτουργούν σαν ιδανικά στοιχειώδη δίπολα. Σελίδα 6 από 6