NEC, MININEC ...

O anténách

Kontakt

Kde jednoduché modely antén neobstály ?

Všeobecně

V několika článcích jsem popsal poměrně solidní shodu mezi jednoduchým modelem antény a skutečnou anténou. Jak už to bývá, vždy to neplatí. Velice opatrní musíme být u antén, které instalujeme do nepříliš vysoké výšky a ty antény se vyznačují:
- velice rozdílným průměrem použitých prvků
- ostrými úhly mezi prvky
- maličkou vzdáleností mezi prvky
Na tyto případy jste autory programů zpravidla upozorněni a určitě jsem takové upozornění od jednoho z autorů, od Roy Lewallena někde v dokumentaci k programu četl.

Experimentální anténa

Jako experimentální anténu jsem si nezvolil paralelní FAN dipóly, protože tam bych nemohl ukazovat prohřešek vyzařování v H rovině, hi. Zvolil jsem si velice rozšířenou anténu, kterou také znáte - oblíbenou Jungle Job, schéma je zde:

Základem antény je velice robustní zářič, který se pro pásmo 20m dělá z opravdu tlustých trubek uprostřed o průměru např. 26-28 mm. Reflektor se dělá dělá z tenkého drátu, konce reflektoru a zářiče jsou dost blízko sebe a svírají ostrý úhel.

Výsledek modelování

U takto koncipované antény se výpočty jednoduchých modelů, ať již budou provedené podle MININEC (MMANA) nebo NEC-2 budou zásadně lišit.
To, co vám jeden program vypočte např. pro frekvenci 14.15 MHz, vám ve druhém programu vypadne klidně až pro frekvenci 14.4 MHz. A takové modely už jsou nepoužitelné pro praxi, protože podle nich žádnou anténu nevyrobíte. Popsaných starostí se pravděpodobně zbavíte použitím enginu NEC-4, který se neobčanům US prodává za USD 500. To, jsem však nemohl dnes ověřit, protože licenci dosud nemám.

Druhá cesta

Také není obecně použitelná, vyžaduje určitou praxi při modelování a výkonný PC. Používám na to mašinku s 16 GB operační paměti. Tahle druhá cesta vede přes složité drátěné modely. Jak jsem v předchozích článcích psal, používám na to několik předprocesních metod (preprocessing před spuštěním NEC-2), které jsou součástí geometrického editoru. Výsledek je pravděpodobně a omezeně použitelný. Pro srovnání uvádím diagramy získané MININEC a NEC-2 metodou:

Pojďme se podívat na čísla. Zisk podle MININEC je Ga=11.04 dB, podle NEC-2 je Ga=9.95 dB, rozdíl je 1.1 dB. To bych ještě zkousnul. Počty laloků v obou rovinách souhlasí. Souhlasí také elevační úhel v H rovině pro stejnou výšku antény, který je o něco menší než 20° (konkrétně asi 18°), nemám možnost změřit. Anténa se vyznačuje ve výšce H=15 metrů vysokým lalokem, který září do nebe. V obou případech grafy ukazují, že jeho potlačení není veliké. Opět nemám možnost měřit. MININEC uvádí potlačení odhadem 5.2 dB na 71° (v grafu už to nejde vizuálně až tak přesně odečíst). NEC-2 ukazuje potlačení nepatrně přes 3 dB na cca 75°. Vidíte, že MININEC v tomto případě dává příznivější hodnoty, v jiných případech jednoduchých modelů jsem ukazoval opačné chování. Podívejme se ještě na zpětné vyzařování. MININEC vypočetl F/B něco málo přes 17 dB a NEC-2 je v azimutu 180° někde kolem 16.5 dB. Opět se obě metody liší o pouhý jeden dB a já tady tvrdím ruku líbat a políbit computer s programy. Tvary grafů v horizontální rovině se nám liší vizuálně, tomu, prosím, nevěnujte pozornost. Všimněte si hodnoty na azimutu 120 nebo 240 stupňů. V obou případech je tam F/B kolem 20 dB a vizuální tvar je dán použitou škálou, která je v obou případech, rozdílná. Nicméně, lze říci, že diagramy jsou si opět dost podobné a ani jeden z programů opět nelhal. Znovu upozorňuji, že jednoduché modely by už příliš neobstály, proto jsem v tomto případě několikrát zdvihl varovně prst.

Co tedy nefunguje?

Vyzařovací charakteristiky, které vypadnou z modelů, to nejsou. První hrubou chybu uděláme, když si tuto anténu vyrobíme podle publikovaného návodu nebo koupíme a dořežeme ji na nejlepší VSWR. A ono to opravdu jde! Docílíme tím této vyzařovací charakteristiky:

Napsal bych - vyrobili jsme si dipól. Ale to už jsem jednou napsal ...ale není to úplně pravda, F/B = cca 6 dB a to se shodovalo s mým měřením.

Závěr 1

Tato velice jednoduchá anténa má obdivuhodné parametry. Bohužel se blbě modeluje, ale za určitých podmínek to jde. V omezené míře platí toto zevšeobecnění také pro anténu MOXON. Anténa rozhodně není jednoduchá ani na nastavení, jednoduchým nastavením si zpravidla vyrobíte lepší dipól. Máte-li trpělivost, stožár s vozíkem, možnost alespoň orientačně měřit F/B a nenecháte-li se svést nastavením na nejlepší VSWR, pak docílíte obdivuhodných výsledků. Kupodivu, stejných výsledků se dopracujete z precizního modelu této antény i s NEC-2 enginem, F/B bylo asi 15 dB a nejlepší VSWR mělo hodnotu přibližně VSWR=2 (nebo 1.8, to je jedno) .... Máme se spokojit s těmito výsledky? Existuje jednoduchý model, který by lépe popisoval skutečnost, ke které jsme se tak pracně dobabrali ? Pokusím se odpovědět i na tyto otázky.

Složitější optimalizace

Přestože výpočet složitého modelu trvá NEC-2 metodou v programu 4NEC2 poměrně dlouho a je to dané tím, že se zpracovává mnohem více výstupních dat (EZNEC je výrazně rychlejší), můžeme vyzkoušet náhradu jednotlivých složitých geometrických celků jednoduchými dráty. Kupodivu jsem se dopracoval výsledků. Postupoval jsem takto. Provedl jsem optimalizaci složitého geometrického modelu tak, že jsem zadal jako kritéria optimalizace dva parametry. Nejlepší F/B, které jsem chtěl mít poblíž rezonance, tedy tam, kde jX bude 0. A snažil jsem se k tomu dopracovat všemi možnými geometrickými parametry, tj. hlavně rozpětím antény, intervalem mezi prvky, průměrem reflektoru a průměrem zářiče. Po optimalizaci jsem zpětně vytvořil jednoduchý model a podle tohoto modelu vypočítal v MININEC a v NEC-2 charakteristiky antény. Jsou zde (MMANA, EZNEC, 4NEC2):

Oba diagramy VSWR jsou si až nápadně podobné, že? Ano, je to tak. Podobné si je rovněž vyzařování, nejdříve MININEC, pod ním NEC-2 z EZNEC, úplně dole 4NEC2 a podíváme se na kmitočet, kde je nejlepší F/B:

Optimalizací (s použitými kritérii F/B a jX=0, výrazně větší váha F/B) bylo docíleno toho, že se kmitočty nejlepšího vyzařovacího diagramu a rezonance přiblížily, přičemž F/B je lepší než 20 dB, a to na kmitočtu 14.225 MHz a rezonanční kmitočet je někde na 14.145 MHz.

Závěr 2

Přestože cesta k jednoduchému modelu antény Jungle Job byla krkolomná a popsal jsem v tomto článku šílený postup, jak jsem se k tomu dopracoval, ukázalo se, že anténa Jungle Job má svůj jednoduchý model. Ten model dává stejné výsledky v obou metodách modelování (MININEC i NEC) a anténa je podle tohoto optimalizovaného modelu v praxi realizovatelná, to znamená, že rozměry trubek a drátů nejsou nesmyslné, ale jejich dodržení je dost kritické. Kdybych na to šel obráceně, tj. použil bych svůj výsledný model k tomu, abych na něm demonstroval, zda momentové metody dávají rozdílné výsledky, ani jeden ze tří programů a dvou použitých metod bych nenačapal při lži. A naměřený výsledek (ověřený), tj. rozdíl ve vyzařování F/B pro azimut 0 a 180° a impedance naměřená miniVNA také odpovídá modelům bez ohledu na to, zda byly vypočítané podle MININEC či NEC-2. Takže opět to nelže jenom jsem se s tím musel naučit dělat.

73's Míra, ok1ufc