Schlussbericht PPS Smart Antenna
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Schlussbericht PPS Smart Antenna Sommersemester 2001 D-ELEK, ETH Zürich Valerio Bürker, Marco Diefenbacher, Lorenz Feldmann, Samuel Fuhrer EINLEITUNG .......................................................................................................................... 3 MININEC .................................................................................................................................. 3 EINGABEPROGRAMM......................................................................................................... 4 AUSGABE IN MATLAB......................................................................................................... 5 DER VERSUCHSAUFBAU .................................................................................................... 7 DIE SIMULATIONSRESULTATE ....................................................................................... 9 UNSERE ERGEBNISSE............................................................................................................... 9 ZUSAMMENFASSUNG DER ERGEBNISSE ................................................................................. 11 ANHANG: DIE ANTENNENANORDNUNGEN UND DIE SIMULATIONS- UND MESSRESULTATE ............................................................................................................... 12 ANORDNUNG MD06 ............................................................................................................... 12 ANORDNUNG SF07 ................................................................................................................. 13 ANORDNUNG SF09 ................................................................................................................. 14 ANORDNUNG LF22 ................................................................................................................ 15 ANORDNUNG TRY2 ................................................................................................................ 16 Einleitung Ziel dieses Praktikums war, eine Antennenanordnung mit besonders guter Richtcharakteristik zu finden. Dazu sollten in einem ersten Teil verschiedene Anordnungen mit dem Computer simuliert werden. Zunächst mussten wir also geeignete Simulationssoftware finden, installieren und bedienen lernen. In einem zweiten Teil sollten dann die Antennenanordnungen, welche in der Simulation gute Richtcharakteristiken aufwiesen, aufgebaut und ausgemessen werden. Dabei ging es weniger um hochpräzise Messresultate, als vielmehr darum, das Radiation pattern aus der Simulation einigermassen durch Messungen zu bestätigen. Mininec Zunächst mussten wir auf dem Internet nach geeigneter Software zur Antennensimulation suchen1. Wie uns gesagt wurde, wird dafür meistens NEC (Numerical Electromagnetic Code) verwendet. Also suchten wir nach Freeware-Versionen dieses Programms und stiessen dabei auf eine ganze Reihe von Variationen von NEC. Sämtliche Versionen basieren auf dem folgenden Prinzip: Man codiert die zu simulierende Antennenanordnung und die durchzuführende Messungen in einer Art Makrosprache, "füttert" den Code dem NECProgramm und erhält eine Ausgabedatei mit den Messresultaten. Nachfolgend ein Beispiel einer Eingabedatei: GW, 1, 7, -0.15, -0.186195, -0.1075, -0.15, 0.186195, 0.1075, 0.005, GW, 2, 7, -0.186195, 0.15, -0.1075, 0.186195, 0.15, 0.1075, 0.005, GW, 3, 7, 0.15, 0.186195, -0.1075, 0.15, -0.186195, 0.1075, 0.005, GW, 4, 7, 0.186195, -0.15, -0.1075, -0.186195, -0.15, 0.1075, 0.005, GE 0 PT, -1, EX, 0, 1, 3, 0, 1.0 , EX, 0, 2, 3, 0, 1.0 , EX, 0, 3, 3, 0, 1.0 , EX, 0, 4, 3, 0, 1.0 , RP, 0, 9, 3, 0110, 360.0, 0.0, -10.0, 22.5, XQ , EN, Die von NEC generierte zugehörige Ausgabedatei ist noch viel komplizierter und umfasst mehrere A4 Seiten. Da die Dokumentation zu den Programmen ziemlich spärlich ist, und wir nicht die Hälfte des Praktikums mit der Dechiffrierung von Ein- und Ausgabeformat von NEC verbringen wollten, suchten wir nach einer einfacheren Variante von NEC und stiessen dabei auf Mininec. Dieses Programm verwendet den selben Ansatz zur Simulation des elektrischen Feldes wie NEC (Unterteilung des Stromes auf dem Antennendraht Ansatz zur Simulation des elektrischen Feldes wie NEC (Unterteilung des Stromes auf dem Antennendraht in Segmente), die Ein- und Ausgabe ist aber wesentlich einfacher aufgebaut. Hier ein Beispiel eines Eingabefiles und der von Mininec generierten Ausgabe: 1 http://www.qsl.net/wb6tpu/swindex.html http://www.funet.fi/pub/ham/antenna/NEC/ Eingabe: GW GW GW GW GW 1, 2, 3, 4, 5, 7, 7, 7, 7, 7, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.1, 0.0015, -0.07, 0.0, 0.0, -0.07, 0.05, 0.0015, 0.07, 0.0, 0.0, 0.07, 0.1, 0.0015, -0.084, 0.0, 0.0, -0.084, 0.05, 0.0015, 0.084, 0.0, 0.0, 0.084, 0.1, 0.0015, In jeder Zeile wird ein Antennendraht beschrieben: In der zweiten Spalte steht die eindeutige Nummer des Drahtes, in der dritten die Anzahl Segmente in die Mininec den Draht zur Simulation unterteilt, dann folgen je drei Koordinaten für Anfangs- und Endpunkt des Drahtes und zum Schluss noch der Radius. Ausgabe: 70 70 70 . . . 70 70 70 , 0 , 3.107802 ,-999 , 3.107802 , 1 , 2.97595 ,-999 , 2.97595 , 2 , 2.842648 ,-999 , 2.842648 , 357 , 3.494146 ,-999 , 3.494146 , 358 , 3.366943 ,-999 , 3.366943 , 359 , 3.238148 Die Ausgabe ist ähnlich einfach aufgebaut: Die ersten zwei Spalten charakterisieren den Messpunkt in Polarkoordinaten (, ), dann folgen die Simulationswerte in vertikaler und horizontaler Richtung in dbi2 und in der letzten Spalte das totale Feld. Für uns wesentlich waren nur die zweite und die dritte Spalte. Was uns jetzt noch fehlte, war ein Programm, das uns die Generierung der Eingabedateien erleichterte und eines, dass die simulierten Daten vernünftig darstellt. Auf dem Internet konnten wir nichts entsprechendes finden, also mussten wir selber eine Lösung programmieren. Das Resultat davon wird in den nächsten beiden Abschnitten beschrieben. Eingabeprogramm Um die Eingabe für das mininec zu vereinfachen, haben wir uns entschlossen, ein Programm mit einer graphischen Oberfläche zu schreiben. Da es relativ schwierig ist, graphische Oberflächen für Windows in C zu programmieren, haben wir uns entschieden, ein Programm in Java zu schreiben. Mit Java liess sich relativ leicht eine Oberfläche gestalten, die unsere Antenne mit den entsprechend freien Plätzen für die Reflektoren auf der Metallplatte nachbildet. Man kann nun durch einfaches Anklicken der gewünschten Plätze mit der Maus die Reflektoren auswählen. Bei jedem Anklicken eines Buttons zeigt das Programm ein zusätzlichen Menu, in dem die Höhe des entsprechenden Stäbchen angegeben wird. Ist man 2 Leistung dbi: 10 log Leistung isotroper Strahler mit dem Erstellen der Anordnung fertig, wir durch Drücken der Done Taste ein File mit einem frei wählbaren Namen erzeugt, in das die Daten der Antennenanordnung geschrieben werden. Graphische Oberfläche des Eingabeprogramms in Linux Ausgabe in Matlab Um die von Mininec ausgegebenen Daten sowie die im Labor gemessenen Daten grafisch darstellen zu können, programmierten wir in Matlab ein Programm, das diese Arbeit für uns übernahm. Als Grundlage dazu dienten drei Dateien. Mit der NEC-Datei, vom Javaprogramm geschrieben, konnte die Antennenanordnung grafisch dargestellt werden, so wie sie auf dem Messplatz vorgefunden wurde. Die Ausgabe-Datei von Mininec benutzten wir, um die theoretisch errechneten Werte des Feldes aufzuzeichnen und als drittes Eingabefile verwendeten wir eine Datei, in der unsere Messwerte mit dem zugehörigen Winkel gespeichert waren. Das Programm an sich liest die Werte aus den Dateien ein und rechnet diese teilweise um, damit sie entsprechend dargestellt werden können. Als erstes wird die Antennenanordnung ausgegeben, damit klar wird, um welche Anordnung es sich beim geplotteten Feld handelt. In Grün ist die Anordnung der Linien auf der Messplatte dargestellt. In Rot sind der Aktive Dipol und in Blau die passive Stäbe gezeichnet. Ausgabe der Antennenanordnung im Matlab Programm Da die theoretischen Werte, die von Mininec berechnet wurden, in dbi sind, dachten wir uns zuerst, dass wir die Richtcharakteristik am einfachsten plotten könnten, wenn wir diese Werte exponentiell rechnen, sprich exp(Wert) aufzeichnen würden. Da sich jedoch für praktisch jede Anordnung ein sehr ähnliches Bild ergab und dieses somit nicht sehr aussagekräftig war, suchten wir nach einer besseren Lösung. Wir haben dann zu den dbi-Werten soviel dazuaddiert, dass der kleinste Wert NULL entspricht. Mit dieser Darstellung waren die Unterschiede zwischen den theoretisch berechneten und praktisch gemessenen Werten besser ersichtlich. Mit den gemessenen Werten wurden praktisch die selben Plots wie mit den simulierten Werten gezeichnet. Die gemessenen Werte waren jedoch etwas ungenauer, da wir im Labor nur alle 10° gemessen haben, mit Mininec hingegen wählten wir 1° Schritte. Der Versuchsaufbau Empfänger Testantenne Sender (Natel Antenne) Leistungsmessgerät Frequenzgenerator 823 MHz Dämpfungselemente aktiver Dipol Passive Elemente 70cm 2m Leistungsmessgerät Frequenzgenerator Boonton 4210 RF Microwattmeter Hewlett-Packard 8656B Signal Generator 0.1 – 990 MHz Die Versuchsanordnung im Labor K68 der ETHZ besteht einerseits aus einem Frequenzgenerator mit zugehörigem Sender und andererseits aus einem Microwattmeter mit der Versuchsantenne davor. Die Versuchsantenne, besteht aus einer runden Metallplatte, in deren Mitte sich ein isolierter Dipol befindet. Dieser Dipol dient als eigentliche Antenne, die Platte gehört zur Umgebung. Auf der Platte ist es möglich auf fünf verschiedenen Kreisen mit Durchmesser von 7cm bis 9.8cm verschiedene Metallstäbe im Abstand von mindestens 5° zueinander zu platzieren, um so die Umgebung der Antenne zu verändern und dadurch einen Einfluss auf die Empfangscharakteristik des zentralen Dipols auszuüben. Die Metallscheibe steht auf einem Tisch und ist auf zwei Seiten von Dämpfungselementen umgeben, um externe Störeinflüsse zu verhindern. Das von der Sendeantenne, einer gewöhnlichen Natelantenne, abgestrahlte Feld bei einer Frequenz von 823 MHz erzeugt in den zusätzlichen umliegenden Metallstiften einen Strom, der seinerseits wieder abgestrahlt wird und das Feld um den Empfängerdipol beeinflusst. Je nach Standort und Grösse der Metallstifte, wird das Feld in die eine Richtung verstärkt und in die andere gedämpft. Die Simulationsresultate Um rationell möglicht viel Anordnungen prüfen zu können, und die Empfangscharakteristik zu verbessern, wurden alle Anordnungen zuerst auf dem PC mit den oben beschriebenen Programmen simuliert. Erst die Anordnungen der „guten“ Simulationsresultate wurden dann im Labor nachgebaut und ausgemessen., um die Messresultate anschliessend mit den Ergebnissen aus der Simulation mit MININEC3 zu vergleichen. Auf ein strategisches Vorgehen beim ausprobieren von verschiedenen Antennen haben wir verzichtet. Das heisst wir haben die Anordnungen nicht in Gruppen aufgeteilt, die dann je von einem vom Team hätten untersucht werden müssen, sondern jeder probierte selbst alle seine Ideen und deren Varianten durch. Damit wollten wir verhindern, dass einzelne mögliche Ideen und Einfälle auf Grund von vorgegebenen Einschränkungen nicht ausprobiert wurden. Wir nahmen dadurch auch in Kauf, dass einzelne Anordnungen auch mehrmals simuliert wurden. Mit der Vorarbeit, die durch die beiden Programme zur erleichterten Eingabe und zur grafischen Darstellung der Ergebnisse, hielt sich der Mehraufwand allerdings in Grenzen. Es zeigte sich zudem, dass sich jeder der Gruppe automatisch auf einen bestimmten Anordnungstyp „spezialisierte“. Unsere Ergebnisse Bahnbrechende Resultate haben sich keine eingestellt. Wie erwartet, stellten sich Anordnungentypen bei denen die Metallstifte in einem Halbkreis um den zentralen Dipol angeordnet waren und solche, bei denen sich die Metallstifte in einer Linie befanden als gut heraus. Beispiel für eine Anordnung als Halbkreis. Die fünf Metallstifte auf der linken Seite dienten als Reflektor und verstärkten das Feld der Sendeantenne, wenn sich diese auf der gegenüberliegenden Seite befand, und liessen andererseits nur ein sehr kleines Feld passieren, wenn sie zwischen Sender und Empfängerdipol standen. Es zeigte sich, dass ein einzelner etwas kleinerer Metallstift auf der gegenüberliegenden Seite das Feld zusätzlich noch verstärkte. Beispiel für eine Antenne mit linearer Anordnung. Auch hier zeigte sich, dass die Addition der einzelnen Felder eine besonders gute Empfangscharakteristik für die rechte Seite ergab, während die andere Seite gedämpft wurde. Nebst den erwarteten Antennentypen zeigten sich aber auch bei etwas ausgefalleneren Anordnungen gute Resultate. So wurden bei den folgenden zwei Anordnungen Spitzenresultate für die Verstärkung gemessen, bei der Dämpfung stellte sich die Halbkreisanordnung allerdings als unschlagbar heraus. Die Asymmetrie in der Empfangscharakteristik für diese Anordnung wurde durch die verschiedene Grösse der Stäbe erreicht. Durch 7cm lange Stäbe auf der rechten Seite und 9cm lange auf der rechten Seite, zeigte sich ein ausgeprägt verstärktes Feld für die rechte Seite. Das Minimum wurde aber nicht auf der gegenüberliegenden Seite erreicht, sondern zeigte sich bei einem Winkel von etwa +/- 135 Grad zum Maximum. Der Ursprung Anordnung liegt in der Idee eines Trichters. Es stellte sich heraus, dass ein Öffnungswinkel von 40° das Optimum war. Und wie jeder Trichter brauchte auch dieser einen Abfluss, der durch einen einzelnen Stift auf der anderen Seite erreicht wurde. Das Resultat war eine fischförmige Empfangscharakteristik mit einem grossen Bauch in die Richtung des Trichters und einer Flosse zur anderen Seite hin. Zusammenfassung der Ergebnisse Symmetrische Anordnung Gegen den Sender hin kleinere Stäbe als Verstärker, auf der Senderabgewandten Seite grössere Stäbe als Reflektoren Anordnungen vom Typ Reflektor, Linie, Trichter Für die im Anhang gezeigten Mess- und Simulationsresultate wurden folgende Formeln verwendet. Einige Parameter wurden zur Verbesserung der Aussagekraft der Grafiken abgeändert. Das heisst, dass die Grafiken vom Massstab her nicht unbedingt mit der Realität übereinstimmen. Ein Verglich der Grafiken untereinander ist aber möglich, wenn man sich den verschiedenen Skalierungen bewusst ist. Messresultate: (Wert 16) x cos(Winkel ) 112 . 16 ist der Messwert der Dipolantenne ohne umliegende Metallstäbe (Wert 16) y sin(Winkel ) 112 . Simulationsresultat 1 Wert x cos(Winkel ) 112 . 1.12 ist ein Wert der gewählt wurde, damit ale Werte positiv werden, im Unterschied zur e-Funktion das Bild aber immer noch aussagekräftig bleibt. Wert y sin(Winkel ) 112 . Simulationsresultat 2 x cos(Winkel ) (Wert 12) y sin(Winkel ) (Wert 12) 12 ist der kleinste Wert, der von der Simulation berechnet wurde. Dadurch wird auch hier erreicht, dass man nur noch mit positiven Werten zu rechnen hat, die man als Radius grafisch weiterverarbeiten kann Anhang: Die Antennenanordnungen und die Simulations- und Messresultate Anordnung md06 Antennenanordnung Messresultat Simulationsresultate 1 Anordnung sf07 Anordnung sf07 Simulationsresultate 2 Anordnung sf07 Antennenanordnung Messresultat Simulationsresultat 1 Simulationsresultat 2 Anordnung sf09 Antennenanordnung Messresultat Simulationsresultat 1 Simulationsresultat 2 Anordnung lf22 Antennenanordnung Messresultat Simulationsresultat 1 Simulationsresultat 2 Anordnung try2 Antennenanordnung Messresultat Simulationsresultat 1 Simulationsresultat 2
