Poznámky OK1UFC:
 
Numerické optimalizační metody designu antén se stávají u návrhářů běžnou praxí. Prosím, nezaměňujme je s metodami výpočtu elektromagnetických polí. Informací o jejich výskytu je na internetu mnoho. Podrobných popisů použitých metod méně. Nedivím se, jde o tvrdou prací získané know-how. Slyšel jsem dokonce o značně kuriózních metodách, které pro výpočty elektromagnetických polí používaly knihovny MatLab a pro optimalizaci údajně metodu Particle Swarm Optimization (jde o numerickou optimalizační metodu, která je rozšířená spíš v sociologii, vychází z inteligenčních algoritmů chování hejna ryb nebo ptáků :-) a např. moje dcera, která dělá matematičku v pojišťovně, touto metodou, doplněnou o teorii her a teorii časových řad, řeší pravděpodobné sociologické chování subjektů. Metodu PSO však lze v knihovnách Matlabu najít a tak ji někdo použil :-).

Já používám pro výpočty elektromagnetického pole osvědčených enginů NEC-2 (NEC-4 je možný, ale nemám oficiální licenci, měl jsem však možnost tento engine vyzkoušet), ale také MiniNEC. Nemyslím, že jsou tyto enginy zastaralé, jejich chování je známé a enginy dávají zpravidla přesné a vynikající výsledky. Uvedené enginy lze považovat za standardní a rozhodně bych pro ně nepoužil např. označení "amatérské" v pejorativním smyslu vyjádření.

Pro některé výpočty používám vlastího enginu pracujícího na bázi Umov-Poyntingova vektoru se zrcadlícím se obrazem antény.
Pro přesnější výpočty používám jiného vlastního enginu, který využívá substituce skutečného rozložení proudů do soustavy elementárních dipólů determinovaných tak, že vyzářená energie není závislá u žádného z dipólů na přítomnosti dalších prvků.

Pro rychlé ověření neznámého návrhu (např. plánek antény s geometrickými rozměry) používám vynikající SW EZNEC a také MMANA s enginem MiniNec. Kupodivu, dobře navržené antény dávají poměrně věrohodné výsledky při tomto prostém ověřování, a to i když jsou použity jednoduché modely antén. Viz např. prvotní ověření antény EF7011N6 :-)

Pro numerickou optimalizaci antény mohu s každým s výše uvedených enginů použít vlastní numerickou optimalizační metodu, kterou označuji jako CACFBES (Coincidence-Auto-Correction-FeedBack-End-Substitution). Velmi stručně řečeno, všechny názvy metody vypovídají o optimalizačním procesu. Vychází se z náhodného, např. ručně numericky optimalizovaného jednoduchého modelu důležitých součástí antény. Ten byl zpravidla proveden kvazi-Newtonovou metodou, gradient descent, atd. Následuje provedení algoritmů s autokorekčními koeficienty, které jsou často získávány z hodnot měřených proudů prototypu optimalizovaného gradient descent (sklon klesání funkce) metodou. Sesterským algoritmem autokorekčních metod je tzv. feed back end substituce. Ta spočívá ve vícenásobném nahrazení složitějších struktur strukturami jednoduššími a v poslední fázi např. elementárními dipóly.

Popis vlastních metod není předmětem tohoto článku a ani předmětem této elektronické publikace. Pro pochopení a vytvoření názoru však uvedu jednoduché příklady některých substitučních metod.

Na obrázku vlevo je přiměřeně precizní drátěný model samostatného dipólu z koaxiálu. Praktické provedení použil např. DJ3JJ u své slavné a vynikající antény EF7011N6. Já nepoužívám koaxiál, ale měděnou polotvrdou trubku s drátem uprostřed. Ten drát uprostřed trubky (nebo střední vodič koaxu) má u zářiče konkrétní význam. Na koncích zářiče nejsou kmitny napětí, ale tečou tam konkrétní proudy. Zářič má nepatrně rozdílné vyzařování, než jednoduchý dipól. Vpravo je substituce jednoduchým drátěným model zářiče. Jakpak asi bude taková substituce oprávněná? Vypočteme far field a impedance na svorkách:

Všimněte si několika detailů. Pro takto jednoduchou substituci nebylo ani třeba použít numerickou optimalizační metodou. Přímou výpočetní metodou si všimněte, jak sedí rezonanční kmitočet, vyzařovací diagram, hlavní parametry F/B a konečně i velikost impedance na svorkách. Pro jednoduchý model pro NEC2 nebo Mininec mi takovou práci provádí preprocesor, který zpracovává data z kreslicího editoru. V takovém případě zpravidla bývá i ten nejjednodušší NEC2 nebo MININEC engine dostatečný pro poměrně precizní práci na anténě a nemusíme hledat složitější metody.
 

Zářič, který je nepatrně složitější (např. blade):

je třeba řešit složitější substitucí. Jeho far field pole se liší od pole, který vyzařuje např. jednoduchý dipól. Také v tomto případě lze velmi často nalézt jednoduchý drátěný model, který vyzařuje stejně. Pokud takový zářič použijeme pro buzení transformační části yagi, zpravidla substituci musíme vyřešit i na shodu blízkého pole. Při optimalizaci antény pak opět dá přjatelné výsledky jednoduchý engine (NEC_2, MININEC) v kombinaci s jednoduchou, např kvazi-Newtonovou optimalizační metodou.

U zářičů bych mohl pokračovat v substituci různě skládaných a různě situovaných skládaných (folded) dipólů jednoduššími entitami. V mnoha případech to lze snadno provést a přesně stanovit transformační poměry, kterými skládané dipóly transformují svorkové impedance. Pro optimalizaci soustavy lze potom opět použít jednoduchých enginů a jednoduchých numerických optimalizačních metod s jednoduše definovanými kritérii v potřebné oblasti, např. minimum vyzařování v úzkém směru.

Pokud dokážeme přesně měřit proudy (alespoň jejich magnitudy) ve vodičích, aniž bychom si vlivem vzájemných impedancí ovlivňovali vlastnosti měřené antény, dokážeme do modelu vnést další kvalitativní prvek (feedback korekci). Metodou se podstatně zpřesní rozložení proudů v modelované anténní soustavě a tím i výpočet indukčních polí.

Optimalizace soustav.

Úplně jinou (a samostatnou) metodou optimalizace je optimalizace antén v soustavě. Dle klasických postupů se řadí do soustav (stacků) stejné antény. A standardně se optimalizují např. horizontální a vertikální rozteče soustavy.

Jenže soustavu lze optimalizovat i jinou metodou. Zejména lze brát v potaz skutečnost, že vyzařování antény je závislé na její výšce nad zemí a také skutečnost, že pokud do soustavy řadíme rozdílné antény, můžeme si zvolit takové, aby se nám podařilo docílit koncentrace energie v hlavním laloku a částečné nebo i velice účinné diverzifikace vyzařování do zadních laloků. U klasického stacku se nám koncentrují jak hlavní, tak i ostatní laloky. U optimalizovaného stacku nikoliv. Hlavní laloky se koncentrují, některé jiné diverzifikují.

Tak, jak jsem neměl rád soustavy antén a pro experimenty s příjmem JT65B EME signálů na 70 cm jsem uvažoval o jediné dlouhé yagi, ovlivnilo mě několik hamů svými výsledky. A Andreas DJ3JJ vše, včetně praktické zkušenosti, hezky popsal. Včetně srovnání se soustavou antén DK7ZB a popisu praktického vlivu na přijímací schopnosti soustav. A právě odtud byl už jen malý krůček k jiné, pravděpodobně dosud nikým nepoužívané a nepublikované, ale zajímavé metodě optimalizace soustavy.


O optimalizace se tedy dnes mluví (nebo píše). Často se mi však nedaří ani zjistit, co považuje autor antény za optimum :-), zda to lze optimem nazývat. Nehledě na to, že realitu jsem u mnoha "dobrých" antén (ovšem podle tvrzení výrobce, internetu a seriózního měření) viděl úplně jinak, než jako optimalizované řešení.