home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Ham Radio / Ham Radio CD-ROM (Emerald Software) (1995).ISO / ant / antenna2 / antenna.doc next >
Text File  |  1987-12-09  |  33KB  |  939 lines
  1.   THIS PACKAGE IS A USEFUL ANTENNA ANALYSIS PROGRAM FOR THE RADIO
  2.   AMATEUR, PROFESSIONAL, TECHNICIAN AND STUDENT INTERESTED IN ANTENNA DESIGN.
  3.   IT IS STILL UNDER DEVELOPMENT AND YOUR COMMENTS WILL BE USEFUL
  4.   TO THE AUTHORS. TO USE THESE PROGRAMS YOU MUST:
  5.   1. Add GWBASIC to the disk.
  6.   2. You should compile the programs you wish to use or else they are too
  7.      slow although still useful.
  8.   3. The manual describes a menu system but this feature is not included
  9.      in this package. Programs can be loaded separately an run.
  10.   The manual is lacking in a few line diagrams that are included
  11.   with the original printed and bound version.
  12.  
  13.   Any comments can be addressed to:
  14.                    A. J. Ferraro
  15.                    RM 225 EEE
  16.                    University Park, Pa.
  17.                                16802
  18.  
  19.  
  20.                           INTRODUCTION
  21.  
  22.         Concepts and ideas can be more easily understood when one
  23.    can feel and visualize what is being discussed.  This is ever
  24.    more so in the teaching of electromagnetic theory where there is
  25.    so much abstraction.  The instructor has the arduous task of
  26.    formulating his ideas and presenting it to the students who have
  27.    no other alternative but to try to understand as much as they
  28.    can.  An application of the electromagnetic theory is antenna
  29.    engineering.  This is an area where many discussions are centered
  30.    around the "invisible".  Describing an antenna pattern is not an
  31.    easy job and when there are many cases to study, drawing many
  32.    patterns is no fun either.  This is where this courseware
  33.    package comes in.
  34.  
  35.         This package was designed in the Electrical Engineering
  36.    Department at Pennsylvania State University.  It is aimed at
  37.    both the students and faculty.  To the undergraduate students,
  38.    the approach to this package is to treat it as an antenna
  39.    engineering laboratory.  Instead of hooking up wires and
  40.    equipment, students can carry out experiments on the computer.
  41.    This saves time and effort since changing several parameters can
  42.    be done quickly and results are immediately displayed.  Graduate
  43.    students who are preparing for the candidacy examinations can
  44.    use it as a review or to get some information in a limited time. The
  45.    faculty can use it to try new ideas and also to formulate exam
  46.    questions.
  47.  
  48.         Basically, this courseware covers courses EE361, EE411,
  49.    EE432, EE438 and EE538 offered by the Electrical Engineering
  50.    Department at Penn State.  Presently, only topics which are
  51.    related to antenna engineering are covered.  The package can be
  52.    divided roughly into six areas.  These are Transmission line
  53.    problems, wire antennas, arrays, broadband antenna, aperture
  54.    antenna and antenna synthesis.
  55.  
  56.         Transmission line problems can be used by students taking
  57.    courses EE361, EE432 and EE438.  It involves simple matching
  58.    methods.  Wire antennas includes the straight wire dipole, the
  59.    folded dipole and the Yagi-Uda antenna.  This module can be used
  60.  
  61.    to study the radiation patterns, self impedance of a single
  62.    element and the mutual impedance between two elements.  This
  63.    module is particularly relevant to students in EE361 and EE438.
  64.  
  65.         The third module is Arrays.  Mutual impedance between
  66.    several elements are studied.  Array characteristics such as the
  67.    driving point impedance, efficiency and directivity can be found
  68.    for various linear array configuration.  Feed line designs for
  69.    the array are also included.  The radiation pattern of
  70.    rectangular and circular planar arrays can be computed for
  71.    different array configuration.  Students taking EE432, EE438 and EE
  72.    538 should find this module useful.
  73.  
  74.         The next module is Broadband antennas.  The design of the
  75.    Log periodic dipole array is made easy using this module.  Other
  76.    topics include linear, rectangular and circular aperture, the
  77.    parabolic antenna and the horn antenna.  These antenna are
  78.    discussed in EE438 and EE538.
  79.  
  80.         The study of antenna engineering is incomplete without
  81.    knowing antenna synthesis.  In normal antenna design, the
  82.    radiation pattern and array factor are calculated after the
  83.    antenna configuration is established.  However, in antenna
  84.    synthesis, the desired pattern are first specified.  This is then
  85.    followed by a procedure to find the best antenna configuration
  86.    that meets the pattern requirement.  The classes of synthesis
  87.    method which are covered are the Woodward-Lawson line source and
  88.    array factor, the Chebychev synthesis and the Taylor line source
  89.    method.  This last module is fully covered in the graduate course
  90.    EE538.
  91. 03
  92.  
  93.  
  94.                     ANTENNA ENGlNEERlNG COURSEWARE
  95.  
  96.                                   by
  97.  
  98.           AHMAD FAlZAL MOHD. ZAlN and DR. ANTHONY J. FERRARO
  99.  
  100.                   ELECTRICAL ENGlNEERlNG DEPARTMENT
  101.                     PENNSYLVANlA STATE UNIVERSITY
  102.  
  103.  
  104.    The authors have made every conceivable effort to ensure the correctness and
  105.    accuracy of the programs.  However, no implied warranty of guarantee of any
  106.    kind
  107.    is made with respect to the accuracy, completeness and effectiveness of
  108.    these
  109.    programs.
  110.  
  111.   
  112.    Under no circumstances will the authors be liable for incidental or
  113.    otherwise
  114.    consequential damages in connection with the furnishing of, or the
  115.    performance
  116.  
  117.    of, or as a result of the use of any of these programs.
  118.                          USING THE COURSEWARE
  119.  
  120.    1.  Switch on the computer.
  121.    2.  You will be presented with an option to type in the date and
  122.        time.  Press return twice if you do not wish to do so.
  123.    3.  A disclaimer notice will then be displayed.  Please read it
  124.        carefully.
  125.    4.  After striking any key, a menu screen would the come up.
  126.        This is similar to the map in Fig. 1.
  127.    5.  Select your choice by pressing the appropriate function
  128.        keys labelled Fl to F10 on the left side of the keyboard.
  129.    6.  Pressing F10 will return you to the previous menu.
  130.  
  131.  
  132.    GETTING HARDCOPIES
  133.  
  134.    If you would like to get a hardcopy of the plots or the screen,
  135.    just press the keys <SHIFT> and <PrtSc> together.  Make sure the
  136.    graphics printer is turned on!
  137.                        SELF IMPEDANCE OF A DIPOLE
  138.  
  139.         The self impedance of a dipole antenna depends on its
  140.    length and radius of wire used.  This program will calculate the
  141.    self impedance of a straight wire dipole given its length and
  142.    radius using the approximate induced emf method (refer to Jordan
  143.    and Balmain).  The radiation resistance is referred to the loop
  144.    current.  The resistance referred to the base is R(loop)/sin H.
  145.    Thus for antenna length which are a multiple of half-wavelength, the
  146.    input resistance, R(base), would theoretically be infinite.  Thus we
  147.    need to use a different method.
  148.         For those cases, you are referred to a program called
  149.    MININEC in the book 'MICROCOMPUTER TOOLS FOR COMMUNICATIONS
  150.    ENGINEERING  by Shing Ted Li et al.  It is published by Artech House.
  151.    The program uses the moment method to compute the current
  152.    distributions, impedance and patterns of any antenna composed of
  153.    wires arbitrary oriented in free space or over perfect ground.
  154.  
  155.  
  156.    PROGRAM NAME : SELFIMP
  157.  
  158.    VARIABLE LIST:
  159.  
  160.    H       : Length of dipole in terms of lambda
  161.    A       : Radius of dipole in terms of lambda
  162.    RIN     : Real part of self-impedance
  163.    XIN     : Imaginary part of self-impedance
  164.  
  165.    PROCEDURE:
  166.  
  167.    Choose F2 (WIRE ANTENNAS) from main menu.  Then choose Fl
  168.    (DIPOLE (STRAIGHT WIRE)).  Finally choose F2 (Self-impedance of
  169.    dipole).
  170.  
  171.    EXPERlMENT
  172.  
  173.  
  174.    1.  For a half wavelength dipole with radius 0.0035 lambda, find
  175.    the self impedance.
  176.  
  177.    2.  Try the same experiment with a smaller radius, say .00014
  178.    lambda.
  179.  
  180.    3.  For both the antennas above, what is the resonant length of
  181.    each?  What can you conclude?  Which antenna is better for
  182.    broadband use, a thicker or a thinner one?
  183.  
  184.    4.  What is the self impedance of a monopole of half the height
  185.    of the dipole?
  186.                  MUTUAL IMPEDANCE BETWEEN TWO DlPOLES
  187.                      OF ANY LENGTH AND SEPARATION
  188.  
  189.         The mutual impedance of two dipoles changes with distance
  190.    of separation between them.  This program allows one to change
  191.    both the distance of separation and length of two identical
  192.    dipoles and computes the mutual impedance.  This is useful for
  193.    finding the driving point impedance of a linear array of
  194.    dipoles.
  195.  
  196.    PROGRAM NAME : MUTUAL
  197.  
  198.    VARIABLE LIST:
  199.  
  200.    H       : Length of dipole in terms of lambda
  201.    D       : Separation between the dipoles in terms of lambda
  202.    R21     : Real part of mutual impedance
  203.    X21     : Imaginary part of mutual dipole
  204.  
  205.    PROCEDURE:
  206.  
  207.    Choose F2 (WIRE ANTENNAS) from main menu.  Then choose Fl
  208.    (DIPOLE STRAIGHT WIRE)).  Finally choose F3 (Mutual-impedance of
  209.    2 dipole).
  210.  
  211.    EXPERIMENT
  212.  
  213.    1.  Find the mutual impedance between two half wavelength
  214.    dipoles separated by .25, .5 and 1 lambda.
  215.  
  216.    2.  What happens if the separation is 0 lambda?
  217.  
  218.    3.  Plot a graph of the mutual resistance and reactance with
  219.    respect to separation for dipoles of half wavelength in a side
  220.    by side configuration.  Do the same for a collinear
  221.    configuration.  Which one gave more reactance?  Why?
  222.  
  223.    4.  For a side by side configuration, plot the mutual resistance
  224.    and impedance with respect to separation for dipoles of length
  225.    0.4, 0.45 and 0.55 lambda.  What happens to the mutual impedances
  226.    as the length is increased?
  227.                        DRIVING POINT IMPEDANCE
  228.  
  229.  
  230.         This program will compute the driving point impedance of an
  231.    array of parallel side-by-side evenly spaced half-wavelength
  232.    dipoles.  It will also calculate the power radiated, directivity
  233.    and efficiency of the array.  Feedline design using quarter
  234.    wavelength line is also included.
  235.  
  236.    PROGRAM NAME : DRIVPT
  237.  
  238.    VARIABLE LIST:
  239.    N         : Number of elements
  240.    LAMBDA    : Element spacing
  241.    I(J)      : Excitation currents
  242.    A(J)      : Phase of excitation currents
  243.    ZDR(ROW)  : Real part of driving point impedance
  244.    ZDX(ROW)  : Imaginary part of driving point impedance
  245.    WATT(ROW) : Power radiated by each element
  246.    WATTRAD   : Total power radiated by array
  247.    DIRECTDB  : Directivity in dB
  248.    Z0        : Characteristic impedance of main line
  249.    Z0(I)     : Characteristic impedance of feed-lines
  250.    RIN(I)    : Input impedance of feed-lines
  251.    FREQ      : Working frequency
  252.    ECD       : Efficiency of array
  253.  
  254.    PROCEDURE :
  255.  
  256.    Choose F3 (ARRAYS) from main menu.  Then choose Fl (LINEAR
  257.    ARRAY).  Finally choose Fl (Driving-point impedance).
  258.  
  259.  
  260.    EXPERIMENT
  261.  
  262.    1.  Find the driving point impedance of a 2-element array of
  263.    parallel side-by-side lambda-by-two dipoles spaced half
  264.    wavelength apart and fed with currents of equal amplitude and
  265.    zero phase shift between them.
  266.  
  267.    2.  Try with a phase shift of 90 and 180 degrees.  Which has
  268.    better directivity?
  269.  
  270.    3.  Change the second current to twice the first with zero phase
  271.    shift.  What happens?
  272.  
  273.    4.  Design a 3-element array of three half-wavelength dipoles
  274.    separated .65 lambda apart.  The currents are I1=1, I2=2 and
  275.    I3=1.  All have zero phase shift.  The transmitter is rated at
  276.    10 kW at 500 MHz and is to be matched to a 75 ohm coaxial main
  277.    feed line.
  278.  
  279.  
  280.    NOTE:  The feedlines of quarter wavelength long are all
  281.    connected at one point.  The quarter wavelength lines can be
  282.    extended by half wavelength lines if they are too short due to
  283.    physical constraint.
  284.  
  285.                RADIATION PATTERN PLOT OF DIPOLE ANTENNA
  286.  
  287.        This program will plot the radiation pattern of a dipole of
  288.    any length.
  289.  
  290.    PROGRAM NAME : DIPOLE
  291.  
  292.    VARIABLE LIST:
  293.  
  294.    L         : Length of dipole in lambda
  295.  
  296.    PROCEDURE:
  297.  
  298.    Choose F2 (WIRE ANTENNAS) from main menu.  Then choose Fl
  299.    (DIPOLE (STRAIGHT WlRE)).  Finally choose Fl (Pattern of any
  300.    length).
  301.  
  302.  
  303.    EXPERIMENT
  304.  
  305.    1.  For a half-wavelength dipole, plot the radiation pattern.
  306.    What is the HPBW and directivity?
  307.  
  308.    2.  Repeat 1) with dipoles of wavelengths 0.25, 0.75, 1, 1.5 and
  309.    2 lambda.  When do you get multiple lobes?
  310.  
  311.  
  312.    NOTE:  The dipole is oriented vertically in the polar plot.
  313.                           TRANSMISSION LINE
  314.  
  315.         This program calculates the input impedance of a lossless
  316.    transmission line, given the characteristic impedance, the load
  317.    impedance and its length.  The reflection coefficient and SWR is
  318.    also computed.
  319.  
  320.    PROGRAM NAME : TXNLINE
  321.  
  322.    VARIABLE LIST:
  323.  
  324.    FREQ      : Working frequency
  325.    Z0        : Characteristic impedance
  326.    RL        : Real part of load impedance
  327.    XL        : Imaginary part of load impedance
  328.    L         : Length of line in meters
  329.    REAL      : Real part of input impedance
  330.    IMAG      : Imaginary part of input impedance
  331.    GAMMA     : Magnitude of reflection coefficient
  332.    ANGAMMA   : Angle of reflection coefficient
  333.    S         : SWR
  334.  
  335.    PROCEDURE :
  336.  
  337.    Choose Fl (TRANSMISSION LINE PROBLEM) from main menu.  Then
  338.    choose Fl (Input impedance, load , etc.)
  339.  
  340.  
  341.  
  342.    EXPERIMENTS
  343.  
  344.    1.  For an open circuit line of .2 m at 300 MHz, what is the
  345.    input impedance?  What is the input impedance for a line of .6 m
  346.    at the same frequency?  What about a .25 m line?  Can you plot a
  347.    9raph of the input impedance versus length at 300 MHz?
  348.  
  349.    2.  Try the same experiment for a short circuit line.
  350.  
  351.    3.  When are the input impedance of an open circuit and a short
  352.    circuit line the same?
  353.  
  354.    4.  What does a quarter wavelength do to the load?
  355.  
  356.    5.  What is the input impedance of a half wavelength line?  Try
  357.    the experiment using an open circuit, a short circuit and with a
  358.    load of 30+j80 ohms at 300 MHz.
  359.  
  360.    6.  What is the reflection coefficient and SWR of an open and
  361.    short circuit line?  What about a matched load?
  362.  
  363.    7.  What happens to the reflection coefficient for a resistive
  364.    load which is greater than the characteristic impedance?  What
  365.    about a smaller load?
  366.  
  367.    8.  Given a transmission line of half a meter, with a load of
  368.    25+j75 ohm, what is the input impedance of the line at 300 MHz?
  369.  
  370.    9.  What is the reflection coefficient and SWR?
  371.  
  372.    10.  What happens to the input impedance when the length is
  373.    changed to a quarter meter?
  374.                          SINGLE STUB MATCHING
  375.  
  376.         This program will compute the length of the short circuit
  377.    stub and its distance from the load needed for matching.  Two
  378.    solutions are given.  The program requires the operating
  379.    frequency, the characteristic impedance and the load as input.
  380.  
  381.    PROGRAM NAME : STUBMATC
  382.  
  383.    VARIABLE LIST:
  384.  
  385.    FREQ     : Working frequency
  386.    Z0       : Characteristic impedance of line
  387.    RL       : Real part of load impedance
  388.    XL       : Imaginary part of load impedance
  389.    Sl,S2    : Stub lengths
  390.    Dl,D2    : Stub distance from load
  391.    B        : Stub reactance
  392.  
  393.    PROCEDURE:
  394.  
  395.    Choose Fl (TRANSMISSION LINE PROBLEM) from main menu.  Then
  396.  
  397.    choose F2 (Single stub matching).
  398.  
  399.  
  400.    EXPERIMENT
  401.  
  402.    1.  A 50 ohm transmission line is connected to a load of
  403.    impedance 25-j75 ohm.  Find the position and length of a short
  404.    circuited stub needed to match the line.
  405.  
  406.    2.  Using the transmission line program, what is the SWR before
  407.    and after matching?
  408.  
  409.    3.  Try the experiment with a load impedance of 50 ohm.
  410.    4.  Can you match a load of 100+j100 ohm to a 50 ohm line?
  411.                       LOG PERIODIC DIPOLE ARRAY
  412.  
  413.         The Log-periodic dipole array (LPDA) is a very broadband
  414.    array.  This program computes the number of elements, lengths
  415.    and spacings for a certain frequency bandwidth determined by the
  416.    desired maximum and minimum frequencies that the LPDA is to
  417.    operate over.
  418.  
  419.    PROGRAM NAME : LPDA
  420.    VARIABLE LIST:
  421.  
  422.    FMIN     : Minimum frequency (MHz)
  423.    FMAX     : Maximum frequency (MHz)
  424.    TAU      : Scale factor
  425.    SIGMA    : Spacing factor
  426.    ALPHA    : Vertex angle
  427.    N        : Number of elements
  428.    L(I)     : Length of elements
  429.    X        : Length of array
  430.  
  431.    PROCEDURE:
  432.  
  433.    Choose F4 (BROADBAND ANTENNAS) from the main menu.  Then choose
  434.    Fl (Log-periodic dipole array).
  435.  
  436.    EXPERIMENT
  437.  
  438.    1.  Design a LPDA to operate from 54-216 MHz.
  439.  
  440.    For details on the geometry and definition of the parameters
  441.    sigma, tau and alpha, see Antenna Theory and Design by Stutzman
  442.    and Thiele, John Wiley and Sons, 1981, page 287.
  443.                             YAGI-UDA ARRAY
  444.  
  445.         The Yagi-Uda array is a very directive and high gain array.
  446.    In this program, the three-element Yagi is studied.  The
  447.    reflector and driver is of half-wavelength.  The length of the
  448.    director can be varied by changing its reactance.  The distance
  449.    between the reflector and driver and the director and driver is
  450.    set with the provision of changing the director spacing during
  451.    the program.  This permits the front-back ratio to be determined
  452.  
  453.    for various setting of director lengths and spacings.
  454.  
  455.    PROGRAM NAME : YAGI
  456.  
  457.    VARIABLE LIST:
  458.  
  459.    SR       : Spacing between driver and reflector
  460.    SD       : Spacing between driver and director
  461.    XZ(3,3)  : Director reactance
  462.    ZR(0)    : Director resistance
  463.    ZDR      : Driving point impedance of YAGI (real part)
  464.    ZDX      : Driving point impedance of YAGI (imaginary part)
  465.    MAGEFTOB : Front/Back ratio
  466.    D        : F/B Directivity
  467.    DBACK    : B/F Directivity
  468.  
  469.    PROCEDURE:
  470.  
  471.    Choose F2 (WIRE ANTENNAS) from main menu.  Then choose F3 (Yagi
  472.    Uda antenna).
  473.  
  474.  
  475.    EXPERIMENT
  476.  
  477.    1.  Find the optimum F/B ratio for a three-element Yagi with a
  478.    spacing of 0.1 lambda between the elements.  What is the driving
  479.    point impedance and directivity at that value?  (Tabulate the
  480.    F/B ratio for different director reactance).
  481.  
  482.    2.  For a fixed length of elements and a distance of 0.1 lambda
  483.    between the reflector and driver, find the distance between
  484.    the director and driver which gives the optimum F/B ratio.  What
  485.    is the driving point impedance and directivity of the array?  (Tabulate the
  486.    F/B ratio for different director spacing).
  487.  
  488.    3.  When does the reflector functions as a director?
  489.  
  490.    4.  What is the advantage of using a Yagi array?
  491.                      UNIFORM LINEAR PHASED ARRAY
  492.  
  493.         Linear array will plot out the array factor for an
  494.    equispaced, isotropic sources excited with equal magnitude of
  495.    current with progressive phase shift.
  496.  
  497.    PROGRAM NAME: LINPHASE
  498.  
  499.    VARIABLE LIST:
  500.    ALP  : Progressive phase shift in degrees
  501.    D    : Element spacing in lambda
  502.    N    : Number of elements
  503.    THE0 : Main beam direction
  504.  
  505.  
  506.    PROCEDURE:
  507.  
  508.  
  509.    From the main menu choose F3 (ARRAYS).  Then choose F2 (ARRAY
  510.    FACTOR) from the next menu.  Finally choose Fl (Uniform linear
  511.    phased array).
  512.  
  513.  
  514.    EXPERIMENT
  515.  
  516.    1.  Plot the array factor of a 2-element array with .5 lambda
  517.    spacing and zero phase shift.  Where is the main beam?
  518.  
  519.    2.  Now increase the phase shift by 180 degrees.  (The phase
  520.    shift can be incremented or decremented by 10 degrees using the
  521.    up or down arrow cursor keys.  However, you are recommended to
  522.    quit and rerun program if the change in phase shift required is
  523.    large).  Where is the main beam?  Is the directivity the same as
  524.    before?
  525.  
  526.    3.  Tabulate the HPBW and directivity for an array with 5, 10,
  527.    20, 50 and 100 elements.
  528.  
  529.    4.  Do the same as above, but this time steering the beam by 45,
  530.    90 and 180 degrees?  Does the HPBW and directivity stay the
  531.    same?  If not, why?
  532.  
  533.    5.  What is the advantage of increasing the number of elements?
  534.    What is the better trade-off, HPBW or directivity?
  535.  
  536.  
  537.    NOTE:  The isotropic elements are placed horizontally in the
  538.    polar plot.
  539.                      LINEAR ARRAY (BEAM STEERING)
  540.  
  541.         Linear array will plot out the array factor for an
  542.    equispaced, isotropic sources excited with equal magnitude of
  543.    current with progressive phase shift.  The user can specify the
  544.    main beam direction and it will compute the required phase
  545.    shifts required and also plot the array factor.
  546.  
  547.    PROGRAM NAME: LINSCAN
  548.  
  549.    VARIABLE LIST:
  550.  
  551.    ALP   : Progressive phase shift in degrees
  552.    D     : Element spacing in lambda
  553.    N     : Number of elements
  554.    THE0  : Main beam direction
  555.  
  556.  
  557.    PROCEDURE:
  558.  
  559.    From the main menu choose F3 (ARRAYS).  Then choose F2 (ARRAY
  560.    FACTOR) from the next menu.  Finally choose F2 (Linear array
  561.    (beam steering)).
  562.  
  563.  
  564.  
  565.    EXPERlMENT
  566.  
  567.    1.  plot the array factor of a 5-element array with .5 lambda
  568.    spacing and main beam directed at 0.  What is the phase shift
  569.    required?
  570.  
  571.    2.  Now steer the beam to ten degree.  What is the required
  572.    phase shift?  ls the directivity the same as before?
  573.  
  574.    3.  Tabulate the HPBW and directivity for an array with 5, 10,
  575.    20, 50 and 100 elements.
  576.  
  577.    4.  Do the same as above, but this time steering the beam by 45,
  578.    90 and 180 degrees?  Does the HPBW and directivity stay the
  579.    same?  If not, why?
  580.  
  581.    5.  What is the advantage of increasing the number of of elements?  What is
  582.    the better trade-off, HPBW or directivity?
  583.  
  584.  
  585.    NOTE:  The isotropic elements are placed horizontally in the
  586.    polar plot.
  587.                        PLANAR RECTANGULAR ARRAY
  588.  
  589.         Given the direction of the main beam required (both theta and
  590.    phi), this program will compute the progressive phase shift for a
  591.    rectangular planar array.  The user can also specify the phase
  592.    shifts, and it will calculate the main beam direction.  It will also
  593.    plot the array factor in both the xz-plane and yz-plane.
  594.  
  595.    PROGRAM NAME : RECTPLAN
  596.    VARIABLE LIST:
  597.    THE0      :Main beam direction in THETA
  598.    PHI0      :Main beam direction in PHI
  599.    M         :Number  of elements in x-direction
  600.    N         :Number of elements in y-direction
  601.    DX        :Element spacing in x-direction
  602.    DY        :Element spacing in y-direction
  603.    ALPX      :Progressive phase shift in x-direction
  604.    ALPY      :Progressive phase shift in y-direction
  605.  
  606.  
  607.    PROCEDURE:
  608.  
  609.    From the main menu, choose F3 (ARRAYS).  Then choose F2 (ARRAY
  610.    FACTOR) from that menu.  Finally choose F3 (Planar rectangular
  611.    array).
  612.  
  613.  
  614.    EXPERIMENT
  615.  
  616.    1.  Design a 10 x 8 (10 elements in x-direction and 8 elements
  617.    in y-direction) element uniform planar array so that the main
  618.    beam maximum is oriented along  theta=10 and  phi=90.  For a spacing of
  619.    dx=dy= 1/8 between the elements, find the
  620.  
  621.  
  622.    a) progressive phase shift between the elements in the x and y
  623.    direction.
  624.    b)  directivity of the array.
  625.    c)  half-power beamwidths (in the perpendicular planes) of the
  626.    array.
  627.  
  628.    2.  Repeat 1) such that  theta=80 and  phi=90.
  629.      Why does the directivity and half-power beamwidth change?
  630.                         PLANAR CIRCULAR ARRAY
  631.  
  632.         Given the direction of the main beam required, this program
  633.    will compute the phase excitation for a uniform circular planar
  634.    array.  It will also plot the array factor in both the xz-plane
  635.    and yz-plane.
  636.  
  637.    PROGRAM NAME : CIRCULAR
  638.  
  639.    VARIABLE LIST:
  640.  
  641.    THE0      :Main beam direction in THETA
  642.    PHI0      :Main beam direction in PHI
  643.    N         :Number of elements
  644.    A         :Radius of array
  645.    ALPN      :Phase excitation
  646.  
  647.  
  648.    PROCEDURE:
  649.  
  650.    From the main menu, choose F3 (ARRAYS).  Then choose F2 (ARRAY
  651.    FACTOR) from that menu.  Finally choose F4 (Circular Planar
  652.    array).
  653.  
  654.  
  655.    EXPERIMENT
  656.  
  657.    1.  For a 10 element circular array with main beam in the  theta=0
  658.    and  phi=90, find the phase excitation required.  The radius of the
  659.    array is 1.591 lambda.  Plot the array factor in both the xz and
  660.    yz plane.  Calculate the directivity.
  661.  
  662.    2.  Using the same number of elements and main beam direction,
  663.    increase the radius to 2,2.5, 5, 10 lambda.  What is the
  664.    directivity?
  665.                  THE WOODWARD-LAWSON SYNTHESIS METHOD
  666.  
  667.         The Woodward-Lawson method allows one to input a desired
  668.    pattern.  It will then plot the pattern and the current
  669.    distribution.  WOODLS is used to synthesize the line source and
  670.    WOODAF is used in array synthesis.
  671.  
  672.    PROGRAM NAME : WOODLS and WOODAF
  673.  
  674.    VARIABLE LIST:
  675.              WOODLS                                WOODAF
  676.  
  677.  
  678.    L     : Line source length           NE    : Number of elements
  679.    W(I   : Sampling point               D     : Element spacing
  680.    A(I)  : Desired pattern              A(I)  :Desired pattern
  681.    I(I)  : Current magnitude            I(I)  :Current magnitude
  682.                                         PHI(I):Phase shift
  683.  
  684.    PROCEDURE:
  685.  
  686.    Choose F6 (ANTENNA SYNTHESIS) from the main menu.  The choose F3
  687.    (Woodward-Lawson line source) or F4 (Woodward-Lawson linear
  688.    array).
  689.    EXPERIMENT
  690.  
  691.    USING F3 OPTION
  692.  
  693.    1.  The desired pattern is unity from w=-0.5 to 0.5 and zero
  694.    elsewhere.  It is to be synthesized with a ten-wavelength line
  695.    source using the Woodward-Lawson method.
  696.  
  697.    a) Plot the pattern in linear rectangular form.
  698.    b) Plot the current distribution.
  699.  
  700.    Repeat the synthesis using a) f(theta)=0.5 at w=-0.5 and w=0.5 and b)
  701.    f(theta)=0 at w=-0.5 and w=0.5.
  702.  
  703.    Which choice is closer to the desired pattern? Can you explain
  704.    why?
  705.  
  706.  
  707.    USING F4 OPTION
  708.  
  709.    2.  The sector pattern above with f(theta)=0.5 at w=0.5 is to be synthesized
  710.    with a 10 element, half-wavelength spaced array.  Determine the element
  711.    position, current excitation and phase.  Plot the synthesized pattern.
  712.  
  713.    Repeat the above using increasing number of elements (say 15,
  714.    20, 50, 100, etc.).  What is a reasonable number of elements you
  715.    would use to achieve the desired pattern?
  716.  
  717.    3.  A collinear array of 18 half-wave dipole antennas is to be
  718.    used to synthesize a sector pattern with a main beam sector over
  719.    the region 70 <theta< 110, that is f(theta)=1 over this region and zero
  720.    elsewhere.
  721.  
  722.    a) For 0.65 lambda spacings determine the input currents
  723.    required for Woodward-Lawson synthesis of the complete pattern.
  724.    Account for the element factor.
  725.  
  726.    b)  Plot the total array pattern.
  727.  
  728.    4.  Repeat experiment 3 for a cosecant desired pattern where
  729.    f(theta ) is 1 for 80 <  theta < 90, cos 80/cos(theta)   for 0 <  theta <
  730.    80,
  731.    and zero elsewhere.
  732.  
  733.  
  734.  
  735.                    DOLPH-CHEBYCHEV SYNTHESIS METHOD
  736.  
  737.         The Dolph-Chebychev method give a compromise between narrow
  738.    beamwidth and low side lobe levels.  This program will generate
  739.    the excitation currents and plot the array factor for a broadside,
  740.    equispaced linear array.
  741.  
  742.    PROGRAM NAME : CHEBY
  743.  
  744.    VARIABLE LIST:
  745.  
  746.    NE       : Number of elements
  747.    D        : Element spacing
  748.    RR       : Side-lobe level (-dB)
  749.    HP       : Half-power beamwidth
  750.    A(N)     : Excitation currents
  751.  
  752.  
  753.    PROCEDURE:
  754.  
  755.    Choose F6 (ANTENNA SYNTHESIS) from the main menu.  Then choose
  756.    F2 (Dolph-Chebychev array).
  757.  
  758.  
  759.    EXPERlMENT
  760.  
  761.    1.  For a five-element, broadside, -20 dB sidelobe, half-
  762.    wavelength spaced Dolph-Chebychev array,
  763.  
  764.    a)  Obtain the pattern plot
  765.    b)  Verify the sidelobe level and beamwidth from your pattern.
  766.  
  767.    2.  Design a Dolph-Chebychev broadside array of five, half
  768.    wavelength spaced elements for a -30 dB sidelobes.
  769.  
  770.    a)  Obtain the current distribution.
  771.    b)  Compute the directivity.
  772.  
  773.    3.  Design a broadside Dolph-Chebychev array with six, 0.6
  774.    lambda spaced elements for -25 dB sidelobes.
  775.  
  776.    a)  Obtain the element currents.
  777.    b)  Plot the pattern.
  778.                      TAYLOR LINE SOURCE SYNTHESIS
  779.  
  780.         The Taylor line source synthesis method allows for narrow
  781.    main beam with the first few sidelobes having nearly equal level
  782.    and decreasing far-out sidelobes.
  783.  
  784.    PROGRAM NAME : TAYLOR
  785.  
  786.    VARIABLE LIST :
  787.  
  788.  
  789.    NB       : Number of equal side-lobes
  790.    RR       : Side-lobe level (-dB)
  791.    L        : Aperture length
  792.    A(J)     : Sampling currents
  793.    W(J)     : Sampling points
  794.    HPWI     : Half-power beamwidth w.r.t wi
  795.    HP       : Half-power beamwidth
  796.  
  797.    PROCEDURE:
  798.  
  799.    Choose F6 (ANTENNA SYNTHESIS) from the main menu.  The choose Fl
  800.    (Taylor line source).
  801.    EXPERIMENT
  802.  
  803.    1.  Design an eight-wavelength Taylor line source (nbar=7) with
  804.    -30 dB sidelobes.
  805.  
  806.    a) Obtain and tabulate the sample values and locations.
  807.    b) Plot the pattern in rectangular logarithmic form.
  808.                      UNIFORM RECTANGULAR APERTURE
  809.  
  810.         Given the width of the aperture in both the x and y
  811.    direction, this program will compute the half-power beamwidths
  812.   
  813.    in the xz and yz-plane.  The directivity is also calculated.  The programs
  814.    the
  815.    plots the radiation patterns in both the principal planes.
  816.  
  817.    PROGRAM NAME : RECTAPER
  818.    VARIABLE LIST:
  819.    LX           : Width in x-direction in terms of lambda
  820.    LY           : Width in y-direction in terms of lambda
  821.    HPX          : Half-power beamwidth in xz-plane
  822.    HPY          : Half-power beamwidth in yz-plane
  823.    D            : Directivity
  824.  
  825.    PROCEDURE:
  826.  
  827.    From the main menu, choose F5 (APERTURE ANTENNAS).  Then choose
  828.    Fl (Uniform rectangular aperture).
  829.  
  830.    EXPERIMENT
  831.  
  832.    1.  Find the half-power beamwidths for a uniform rectangular
  833.    aperture which has Lx=20 lambda and Ly=10 lambda.  Plot the
  834.    pattern.  What is its directivity?
  835.  
  836.    2.  Do the same thing for an aperture with Lx=3 lambda and Ly=2
  837.    lambda.
  838.                               REFERENCES
  839.  
  840.    1.  Antenna Theory and Design by Warren L. Stutzman and Gary A.
  841.        Thiele
  842.        - John Wiley & Sons, 1981
  843.  
  844.  
  845.    2.  Antenna Theory by Constantine A. Balanis
  846.        - Harper & Row, 1982
  847.  
  848.    3.  Antenna Design using Personal Computers by Pozar
  849.        - Artech House
  850.  
  851.    4.  Microcomputer Tools for Communication Engineering by
  852.        Shing Ted Li et. al.
  853.        - Artech House, 1983
  854.                            EVALUATION FORM
  855.  
  856.         Contrary to popular beliefs, this evaluation form will be
  857.    fully scrutinized.  So please fill it with care.  This will not
  858.    only help us to understand your needs, but it will also allow us
  859.    to modify and further improve the courseware.
  860.  
  861.    IF YOU=STUDENT THEN FILL SECTION A
  862.      ELSE GOTO SECTION B
  863.  
  864.  
  865.    SECTION A
  866.  
  867.    1.  Circle one :  FRESHMAN SOPHOMORE JUNIOR SENIOR
  868.                      MASTERS PRE-CANDIDACY POST-CANDIDACY
  869.  
  870.    2.  Circle the courses that you have taken :
  871.        Write the grade you obtained beside the courses you circled.
  872.  
  873.              EE361    EE411    EE432    EE438    EE538
  874.    3.  Circle the courses that you are currently registered :
  875.              EE361    EE411    EE432    EE438    EE538
  876.    4.  Circle the courses you plan to register in future :
  877.              EE361    EE411    EE432    EE438    EE538
  878.         If you had not used this courseware, would you still had
  879.    plan to registered for these courses?
  880.  
  881.         EE361 Y/N EE411 Y/N EE432 Y/N EE438 Y/N EE538 Y/N
  882.    5.  Would you choose Antenna Engineering as a career? Y/N
  883.  
  884.    SECTION B
  885.    1.  Circle the programs that you used :
  886.         TXNLINE STUBMATC DIPOLE SELFIMP MUTUAL YAGI
  887.         DRIVPT LINPHASE LINSCAN RECTPLAN CIRCULAR LPDA
  888.         RECTAPER TAYLOR CHEBY WOODLS WOODAF
  889.  
  890.    2.  On the scale of :  1 - POOR
  891.                           2 - FAIR
  892.                           3 - GOOD
  893.                           4 - VERY GOOD
  894.                           5 - EXCELLENT
  895.  
  896.         how would you rate each program?  Write your rating beside
  897.    each of the programs below.
  898.  
  899.         TXNLINE   STUBMATC  DIPOLE    SELFIMP   MUTUAL    YAGI
  900.  
  901.  
  902.         DRIVPT    LINPHASE  LINSCAN   RECTPLAN  CIRCULAR  LPDA
  903.  
  904.         RECTAPER  TAYLOR    CHEBY     WOODLS    WOODAF
  905.  
  906.    3.  Circle your ratings below:
  907.  
  908.         a.  Increased understanding of
  909.             Antenna Engineering                 1  2  3  4  5
  910.  
  911.         b.  Easiness of understanding
  912.             concepts                            1  2  3  4  5
  913.  
  914.         c.  Visualization of the
  915.             concepts presented                  l  2  3  4  5
  916.  
  917.         d.  Expectation                         1 2 3 4 5
  918.         e.  Learnt something new                1 2 3 4 5
  919.         f.  Overall performance                 1 2 3 4 5
  920.         g.  Documentation                       1 2 3 4 5
  921.         h.  Ease of use                         1 2 3 4 5
  922.         i.  Value                               1 2 3 4 5
  923.  
  924.    4.   Would you recommend others to use it? Y/N
  925.  
  926.    5.  Please write your remarks and comments below
  927.  
  928.  
  929.  
  930.  
  931.  
  932.  
  933.  
  934.  
  935.  
  936.        Thank you.
  937.        8/14/86
  938.  
  939.