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BG1TRP 2019-02-09 21:05

用MMANA-GAL设计天线 (一) —— UHF波段八木天线

过年没事,把以前的制作整理出来,与大家共同探讨MMANA-GAL软件。下面以UHF波段五单元八木天线为例,逐一说明软件的使用。天线的中心频率为438MHz,意图覆盖常用的435-440MHz频段。

一. 结构选项卡
MMANA-GAL的结构选项卡用于建造天线模型,界面如下图。
[attachment=743289]
名称一栏是天线的名字。
频率一栏写入想要的天线频率。
自动分段后面那几个数据与计算精度有关,一般算算就不去改了。
X1、Y1、Z1X2、Y2、Z2是振子端点的三维坐标,默认单位是米。至于哪个是起点哪个是终点无所谓的。
R是振子的半径单位是毫米。
SEG.是有关导线的参数,-1表示振子是渐缩锥形的,每段的长度也是变化的,这是推荐选项,此外还有0、-2、-3等选项。在这里不用管它,使用默认值。

这里说明一下,在MMNAN-GAL里模型是由导线(Wries)构成,由一根或几根导线构成一个振子,这个八木天线每个振子由一条导线构成,所以就统称振子了。

计算时用的坐标系在视图选项卡里可以看到,方向可调,八木天线的指向是X还是Y都可以,最多影响到远场图的方向,但是要指向Z轴就不对了。
[attachment=743290]

BG1TRP 2019-02-09 21:14
波长复选框钩选后,振子坐标的数据就按照波长计算了,输入的坐标数据是波长的倍数。
[attachment=743293]
连接点联动复选框在计算端点相连的振子时有用,钩选后,一个端点的参数发生变化,另一个相连端点自动跟过来,就不用自己再输入了。

左下角那几行是设定馈电点用的。
[attachment=743292]
PULSE设定的是激励振子的编号和馈电点的位置。w1c的意思是在编号为1的导线中部馈电。也可以是w2c,看你用哪个振子作激励振子了,在这里还是用w1c,因为1号导线是我所构造的天线模型的激励振子。如果是在振子的端点处馈电,那就是w1b(起点)和w1e(终点),这时就看出前面起点坐标和端点坐标的作用了。PULSE要用小写,大写无效。
Volt. V是馈电电压,Phase dg是馈电相位角度,先不去管它,使用默认值。
右下角那几行是给天线加载用的,由于没有实际设计加载天线,所以没有深入研究,放到以后想起来搞加载时再说。
介绍完基本操作界面,下回再开始做计算。

pg007 2019-02-09 22:04
准备学习这个软件。


BG3UBC 2019-02-09 23:55
哪有中文版软件?给我一个

BG3UBC 2019-02-09 23:56
电键进度咋样了?

BG1TRP 2019-02-10 00:12
BG3UBC:
哪有中文版软件?给我一个

中文版就是把压缩包内的文件拷贝在 C:\MMANA-GAL\Language\ 目录下,然后点击下拉菜单 Setup —— Language,选择简体中文即可。
[attachment=743295]

BG3UBC 2019-02-10 11:14
BG1TRP:中文版就是把压缩包内的文件拷贝在 C:\MMANA-GAL\Language\ 目录下,然后点击下拉菜单 Setup —— Language,选择简体中文即可。
[图片] (2019-02-10 00:12) 

搞定了!

BG1TRP 2019-02-10 14:02
二. 初步计算
在构造天线模型之前要做一些准备工作,首先要根据八木天线的原理做一下计算。简单地说八木天线就是在天线的激励振子两边间隔一定距离放置一些振子,长度大于1/2波长的是反射振子,长度小于1/2波长的是引向振子,这些振子的摆放位置决定了八木天线的方向。
1.计算长度:
438MHz的波长 λ = 300 / 438 = 0.6849米
制作振子时也就能精确到毫米,所以坐标参数四舍五入保留3位小数。
这个天线的激励振子为1/2波长的偶极振子,缩短系数 k = 0.95。
激励振子长度 L1 = λ / 2 × k = 0.6849 / 2 × 0.95 = 0.325米
反射振子长度 L2 = 1.05 × L1 = 0.341米
引向振子长度 L3 = 0.98 × L1 = 0.319米
引向振子长度 L4 = 0.95 × L1 = 0.309米
引向振子长度 L5 = 0.90 × L1 = 0.293米
振子间隔 S = λ / 4 = 0.6849 / 4 = 0.171米
以上这些计算公式与常见的公式不同,这是因为MMANA-GAL有个优化功能,经过优化后这些参数都会有所变化,这只是为了建立天线模型而作的初步计算。
2.设置坐标系:
为了方便输入数据,天线模型以坐标原点为馈电点,即激励振子的中点为坐标原点。引向振子和反射振子沿X轴布置。
由于UHF波段是垂直极化,天线振子要垂直放置,所以振子沿Z轴方向。
根据手头现有的材料确定振子半径,激励振子R = 5.5mm;其他振子 R = 2.5mm。
3.计算坐标
按照上述设计,需要把振子的长度值转换为振子端点的坐标,即:Z坐标= ±长度 / 2,
激励振子端点 Z1 = L1 / 2 = ±0.163
反射振子端点 Z2 = L2 / 2 = ±0.171
引向振子端点 Z3 = L3 / 2 = ±0.160
引向振子端点 Z4 = L4 / 2 = ±0.155
引向振子端点 Z5 = L5 / 2 = ±0.147
引向振子间隔 X = S = 0.171米
反射振子间隔 X = -S = -0.171米

做完这些准备工作就可以输入数据了。
[attachment=743302]

在输入数据的时候,MMANA-GAL也可以对数据作计算,例如,振子间距是个常数,可以不计算每个振子的X坐标,而是利用公式计算输入数据。就像下图红圈中那样输入,按回车后,结果就出来了。不过MMANA-GAL不能存储计算公式,只能存储数据。
[attachment=743303]
到此为止,天线模型建造完毕,可以到视图选项卡去看看天线模型是什么样。

BG1TRP 2019-02-10 14:41
三.视图选项卡
视图选项卡用来观察天线模型和计算结果,界面如下图。图中就是刚建造完成的五单元八木天线。
[attachment=743304]
旋转中心是设定视图旋转的中心,在屏幕上任意点按住左键拖动鼠标,坐标系会以设定的中心为轴旋转。
电流振幅滑块是为了看振子上分布的电流大小,拉动滑块可以使电流波形放大或缩小,这个要等计算结果出来以后才用得上。
左上角的馈电负载图标分别表示了在振子上哪些点是馈电点,加载是加到了哪些点上。
粗细x2复选框钩选后,振子图形加粗,就跟字体中普通字和黑体字那种差别一样。
选择导线数据框表示当前那个导线被选中,选导线也可以用鼠标点击。选中导线后,就会在屏幕右下角显示该导线的参数。
显示电流复选框钩选后,可以显示电流在振子上分布的图形。当然,这要等有计算结果后才能显示。
显示分段复选框钩选后,可以显示振子的分段情况,分段是MMANA-GAL为了计算采取的一种方法,不搞深入研究的,看不看两可。
缩放滑块就不说了。
先歇会儿,下回再说计算。

bg3upa 2019-02-10 14:58
继续讲吧

BG1TRP 2019-02-10 16:33
四.计算选项卡
计算选项卡用来对天线模型进行计算和优化,界面如下图。
[attachment=743310]
计算条件是设定依哪种条件去计算,不同的条件下形成不同的波瓣图。
  • 自由空间选项是没有外界影响的空间,相当于在真空环境;
  • 理想选项考虑了天线架设高度的影响,而地面则是理想的地面;
  • 实际选项除了架设高度外还考虑到实际地面情况的影响,在这个选项下,还可以对地面的参数进行设定。

开始按钮是启动计算按钮,点击后如果天线模型建造有错误,会有所提示。
最优化按钮是启动参数优化计算的按钮,在优化计算的时候,可以对优化的对象、优化的目标进行设定。
导线编辑单元编辑是对天线模型进行编辑、调整的按钮。导线编辑有图形界面,可以直观地修改天线模型。
地面高度是将所有的Z坐标值加上这个数值,也可以理解为天线的架设高度,英文标题是Add height,译作叠加高度可能更确切一些。
材质是制作振子的材料。

BD0AAI 2019-02-10 16:57
学习了,感谢楼主

BG1TRP 2019-02-10 17:00
第一次计算得出的结果很不好,说明天线模型的参数需要调整。
[attachment=743312]

看振子上的电流分布也不好,在馈电点电流没有达到最大值。
[attachment=743313]

下面就该进行优化了,优化操作有点繁琐,先去迷瞪一觉养养精神再接着说。

pg007 2019-02-10 18:47
每日一课哦!好

BG1TRP 2019-02-11 10:22
五. 参数优化
先说明一下计算结果表中参数的代号。
频率是计算频率,用于区分不同频率下的计算结果,同时标志这一组数据都是在这个频率下得出的。
R(Ohm)是电阻值,jX(Ohm)是电抗值。
SWR 50是在50欧姆阻抗时的驻波比值。
Gh是绝对增益单位是dBd;Ga = Gh + 2.15dB,单位是dBi,当有地面选项的时候,不显示Gh。
F/B是前后比,单位是dB。
仰角是主波瓣与地面的夹角。
地面是设定的地面类型。
高度是天线的架设高度,单位是米。
极化是电波的极化方式。

接下来开始优化操作,按最优化按钮弹出优化窗口,界面如下图。
[attachment=743359]
窗口上部是描述优化的目标,通俗地说就是这几个项目在优化目标中的权重或比值。调整滑块的位置就可以改变对应项目的权重,可以根据不同的要求选择。
详细设置按钮用于对优化目标参数进行精确设定。在小窗口的计算环境选项卡上可以用下拉菜单设定不同的馈电点阻抗,以适应不同天线的阻抗要求。设定完毕后点击确定关闭窗口。
[attachment=743354]  
[attachment=743355]
波段设置按钮用于设定优化的频率,这在设计宽频带天线的时候有用,可以兼顾多个频率。点击后出现设置窗口,写入多个频率后点击确定关闭窗口。
[attachment=743357]
UHF五单元八木天线在优化时以电抗最小和SWR最小为目标,其他项目先不予考虑。设置如下图。
[attachment=743358]

BG1TRP 2019-02-11 12:22
操作之前要设置一下优化对象,在参数表中明确是对哪个振子、振子的那个参数进行优化。
类型是优化对象的类型,可以是导线也可以是单元;
位置是优化对象的代号,就是结构表中振子的标号No.。
优化坐标是优化对象在坐标系中的坐标点,振子的长度和间隔就用坐标来体现,改变了坐标就改变了振子的尺寸和位置。
联合是设定该项坐标与其他坐标之间的关系,0表示自变量与他人无关;非0则表示与其他项目关联。关联由两个符号构成,一个是参数表中的位置,即表明与哪个优化对象关联;另一个是运算符,即表明与关联参数的数学关系,有 +、-、x、/ 四种,是将关联对象的坐标进行运算后作为自己的坐标。特别指出,负号(-)表示与关联对象反向,即该坐标值 = 关联对象的坐标值 x (-1),这是经常要用到的。
步进是优化参数的递增值,步进越小越优化计算越精确,但用时也越长。
最小最大是优化参数的极限值,超过这极限值就停止优化。设定极限值要注意方向性、合理性,否则会优化乱了。例如,反射振子的X坐标值为负值,设了个正的最大值,反射振子就有可能给优化到激励振子的前面去了。
是优化参数的当前值。

在八木天线中,可优化的参数是振子的尺寸和位置,与尺寸有关的参数是Z坐标和半径R,其中半径R与带宽有关,对SWR影响不大,所以在尺寸上优化Z坐标就够了。
步进值设为0.001,也就是每次优化计算参数递增或递减1毫米。
先优化激励振子,可优化的参数是图中设置的项目,意思为:振子的起点坐标Z1是自变量,Z2与Z1大小相等方向相反。Z2也可以设为自变量,与Z1关联是为了保持优化后振子仍然是两边对称的偶极振子。
[attachment=743350]
然后加入其他振子,这时就要多一个振子间距进行优化,也就是振子的X坐标,X1要与X2关联且同方向变化,否则就乱了。其他振子的Z坐标也和激励振子一样Z2与自己的Z1关联。
[attachment=743351]
也可以不对所有振子进行优化,也可以改变优化的顺序,各种方式都进行一下试验,找出对优化目标影响大的对象。根据经验,振子间距对阻抗影响较大。
所有振子都设置完了就可以点击开始按钮进行优化了。
歇会儿,喝口水去。

BG1TRP 2019-02-11 15:22
看一下计算结果,数据挺好看的。
[attachment=743370]
但是看一下振子的尺寸和电流分布就不对了,还得调整一下再做优化。
[attachment=743371]

BG1TRP 2019-02-11 16:12
调整一下思路,把振子间距固定为1/4波长,只优化振子的长度,对坐标的极限值也作了调整,防止出现不合理的数据。
原则还是:反射振子要比激励振子长一点,引向振子要比激励振子短一点,而且是距离激励振子越远越短。
也可以去结构选项卡直接调整振子的坐标,然后再作优化。
[attachment=743374]
经过几次优化运算得出下面的结果。天线的形状和电流分布也好多了。
[attachment=743377]
[attachment=743378]
每次得到合适的结果最好保存一下,以便作个比较。

BG1TRP 2019-02-11 16:41
在上述数据的基础上再优化一下振子的间距,看是否还有提升的空间。
[attachment=743388]

计算结果挺好,电抗进一步趋近零,但增益和前后比有所下降。
[attachment=743380]

BG5EHX 2019-02-11 16:57
可以呀,你这年没白过,我这年全看故宫里的假宝贝去了 ,你这是在家做真宝贝

BG1TRP 2019-02-11 18:10
BG5EHX:可以呀,你这年没白过,我这年全看故宫里的假宝贝去了[表情] ,你这是在家做真宝贝 (2019-02-11 16:57) 

纸上谈兵而已,,比真刀真枪实干的差老远。

BG1TRP 2019-02-11 18:28
优化的时候,也可以按单元操作,这样设置没那么罗嗦,但效果不如按导线操作,也许是我单元的概念还没整明白。

又做了一下多频点的优化,以430、438、440三个频点优化,438优先。
[attachment=743389]

计算后得出的结果是438-440这一段比较好,430-438这一段略差一点。
[attachment=743393]

剩下的下回再说。

bg4wen 2019-02-12 10:09
精华帖,写的很详细,必须顶起来!

BG1TRP 2019-02-12 12:24
谢谢楼上的鼓励。

六. 远场图选项卡
远场图选项卡用于显示天线的辐射场,左边是水平辐射场图形(XY平面),右边是垂直辐射场图形(XZ或YZ平面)。
[attachment=743396]
图中显示的是优化后的5单元八木天线的远场图,计算条件自由空间。点击图中波瓣的边界线并拖动鼠标,可以读出不同方位角或仰角下天线的增益值。
点击窗口下面的按钮或单选框可以显示不同的图形。
不同的计算条件,远场图的图形也不相同,自由空间图形是光滑的,其他计算条件下垂直辐射场的图形会有所变化。
观察远场图可以定性地了解天线的性能。

永远的FM 2019-02-12 13:30
楼主V5
想问一下,带加感线圈的八木,仿真时应该怎么填写参数,以前试过几次,都没仿真成功,不知是哪里问题。

BG1TRP 2019-02-12 15:46
永远的FM:楼主V5
想问一下,带加感线圈的八木,仿真时应该怎么填写参数,以前试过几次,都没仿真成功,不知是哪里问题。 (2019-02-12 13:30) 

带加感线圈的天线,我也没研究过,只是试了一下,应该使用负载有效,类型选LC,然后输入加感的参数——电感量和Q值,电容设置为0。
看他的实例,加感的位置有从馈电点算起的,如w1c+1,这个1应该是片段(SEG.)的序号;也有做2根导线的,负载加在导线2的起点,这样电感距离馈电点的位置就好确定了。
这个得等专家指教或者大家慢慢探讨。

BG1TRP 2019-02-12 16:13
七. 分析计算结果
除了用视图和远场图观察定性地观察天线特性以外,还可以通过计算选项卡上的频率特性按钮来定量地观察天线的特性,天线的特性以图表的形式显示。
点击这个按钮,弹出一个小窗口,有许多选项卡和按钮,下面逐一说来。
带宽:这个下拉菜单限定参数显示的频率范围,频带的中心频率为设计频率。带宽值根据需要显示的频率范围选择,也可以手动输入。
图形:显示辐射场图形。
[attachment=743400]
设置:对显示图形进行设定。
[attachment=743401]
Gain/FB:显示增益和前后比线图,点击图形生成按钮后才有数据显示。
[attachment=743402]
SWR:显示驻波比线图,点击图形生成按钮后才有数据显示。
[attachment=743403]
Z:显示阻抗线图,点击图形生成按钮后才有数据显示。
[attachment=743404]
计算、所有点、详细、谐振:图形生成按钮。其中:
  计算:以小偏移量生成设定带宽内的频率特性线图。频率特性曲线上各点都是线性的近似值。该方式不能估算远场模式。
  所有点:以5个等间隔的点生成设定带宽内的频率特性线图。即在中心频率左右等间隔各取2个频率进行计算,然后生成线图。
  详细:以21个等间隔的点生成设定带宽内的频率特性线图,在带宽较大时使用。该方式用时较长。
  谐振:计算天线的谐振频率并生成设定带宽内的频率特性线图。
使用不同的按钮可以得到不同精度的频率特性线图。
下图是一副我制作的5单元八木天线的SWR图和阻抗图,从图中可以看出,经过几次优化后430-440MHz范围内数据都比较理想。
[attachment=743405]
[attachment=743406]

用MMANAN-GAL设计5单元八木天线的内容说完了,有说的不对的地方请大家指正。
MMANA-GAL还有很多强大的功能,这得通过大家一起不断试验才能挖掘出来。
放上BG3NTQ翻译的MMANA-GAL的使用手册,这是多年前下载的,对学习这个软件的使用有很大帮助,在此对BG3NTQ表示感谢。
[attachment=743407]

BD7RS 2019-02-12 17:00
写得很详细!感谢楼主!学习了!

pg007 2019-02-17 15:27
昨天认真学了一下,并做了一个简单GP的模型,总算是忙出来了,增加导线的方式和输入数据的方式真有点特别,感谢楼主的详细说明,还有软件的说明书。

包文 2019-03-18 18:39
记号,写得很详细!感谢楼主!学习了!

bg5ios 2019-04-26 14:29
谢谢楼主分享!谢谢了!!

BD6QOR 2021-06-05 23:15
BG1TRP:中文版就是把压缩包内的文件拷贝在 C:\MMANA-GAL\Language\ 目录下,然后点击下拉菜单 Setup —— Language,选择简体中文即可。
[图片] (2019-02-10 00:12) 

下载看下

BA7QT 2021-06-08 16:56
谢谢楼主分享!

bd3paf 2024-04-17 16:21
老师咨询下,我用软件计算了个八木天线。在实际制作中各阵子需不需要考虑缩短系数,还是按模拟数据长度直接制作天线?

BG1TRP 2024-04-23 20:57
bd3paf:老师咨询下,我用软件计算了个八木天线。在实际制作中各阵子需不需要考虑缩短系数,还是按模拟数据长度直接制作天线? (2024-04-17 16:21) 

我是直接制作的,用仿真软件计算时,加入了缩短系数。
有源振子可以预留一点点长度。
不过我的天线没有修剪调整,只是改变过两个有源振子的间距。

bd3paf 2024-04-26 07:18
非常感谢老师的回复解答,这样就明白了。之前仿真出来和实际做出来驻波总是不对,其它参数也无法测量!

BG1TRP 2024-04-26 07:25
bd3paf:非常感谢老师的回复解答,这样就明白了。之前仿真出来和实际做出来驻波总是不对,其它参数也无法测量! (2024-04-26 07:18) 

不客气,没啥老师,一起学习试验。
我在制作过程中发现,两个有源振子之间的间距对驻波比影响挺大,原来我留了15mm,驻波比挺大,后来缩小了,到10mm左右,驻波比就下来了。
用软件计算的结果与实际测量结果肯定是有点差异的,因为计算的环境是理想环境,测量的环境就不是了,有一些其他因素的影响。例如,计算时没有考虑馈线。

bd3paf 2024-04-26 07:36
还是要叫老师的,我小白一枚。没想到您这么快回复了,我要抓紧再问几个问题:八木个振子间距有没有缩短系数这一说吗?您天线和馈线接巴伦了吗?如果接了有巴伦制作方法?八木制作完成后如果驻波不对需不需要在调整下?问题有些多

BG1TRP 2024-04-26 07:56
bd3paf:还是要叫老师的,我小白一枚[表情]。没想到您这么快回复了,我要抓紧再问几个问题:八木个振子间距有没有缩短系数这一说吗?您天线和馈线接巴伦了吗?如果接了有巴伦制作方法?八木制作完 .. (2024-04-26 07:36) 

正好在网上,所以当时就有提示。
振子间距没有缩短系数,用几何公式计算记得是振长度的几分之一,我感觉是个经验值。
要用巴伦,是做平衡-不平衡转换的,不是做阻抗变换。因为软件是按照50欧阻抗计算的。
如果驻波比超过一定范围(如超过1.5或2),则最好调整一下有源振子的长度,还有能调的是靠近有源振子的反射振子和引向振子与有源振子的间距。一般情况下,计算好了可以不用调。
还有一个影响驻波比的重要因素,就是馈线的长度,应该是1/2波长的整数倍。有HAM做过研究:“馈线长度应为λ/2的整数倍,这时馈线两头的特性阻抗相同。相反,馈线任意长,那么馈线一头接发射机50Ω阻抗,而另一端出现一个不可知的新阻抗,并非50Ω,”

https://www.hellocq.net/forum/read.php?tid=238677
这是我制作八木天线的过程,可以参考一下。

bd3paf 2024-04-26 09:29
受教了老师!我去拜读下!

bi1mxy 2024-11-14 16:36
请问如果想做一个U4V3双段的天线,这个软件能模拟设计吗?

BG1TRP 2024-11-14 20:45
bi1mxy:请问如果想做一个U4V3双段的天线,这个软件能模拟设计吗? (2024-11-14 16:36) 

应该可以,就是调整优化比单波段啰嗦一点。
我模拟过UV双段的对数周期天线没有模拟过双段八木。


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