Avtor: Boštjan Tovšak
V prvem delu smo se seznanili z grafičnim vmesnikom programa in funkcijami. Naučili smo se narisati preprost model ravnega dipola in ga parametrično opisati. V nadaljevanju pa se bomo seznanili še, kako v simulatorju poženemo izris SWR in Smithov-ega diagrama in kako lahko spreminjamo višino antene. Izvedli bomo še eno simulacijo za primer zavihanega U-dipola.
Graf SWR
V glavnem meniju kliknemo gumb SWR. Odpre se okno za vpis parametrov, frekvenčnega območja in koraka (slika 12). Po vpisu parametrov kliknemo Ok in program se izvede. Dobimo grafični prikaz. Kot vidimo, je impedanca v n
Ta vsebina je samo za naročnike
ajnižji točki SWR zelo blizu karakteristični tj 73 Ω (slika 13).
V SWR grafu s klikom miške na krivulji izbiramo vrednosti v posamezni točki. Nas zanima vrednost SWR in posledično impedanca, ki v tem primeru znaša 70,28 Ω in SWR 1,41 pri bremenu 50 Ω (pri 7,1 MHz je SWR že blizu 2). Če v opcijah grafa izberemo alternativno breme na anteni, Alt (75 Ω) , SWR pade 1,1, saj se impedanci antene in nanjo priklopljenega bremena skoraj ujemata. (slika 14). Alternativno impedanco lahko tudi ročno nastavljamo v glavnem oknu v vrstici.
Alt SWR Z0. Ker pa je impedanca našega sprejemnika in prenosnega kabla 50 Ω, to ne pride v poštev. Želimo čim boljšo impedančno prilagoditev antene in sprejemnika za 50 Ω.
Zelo uporabna je tudi opcija izbire Smith-ovega diagrama (slika 16). Izberemo ga v meniju View, Display Type (slika 15). Roza točka kaže lokacijo impedance izbranega SWR v grafu.
V pogledu Geometry naše antene lahko v meniju Currents izbiramo prikaz tokov, magnitud in faze. Na sliki 15 je z roza barvo označena magnituda toka. V oknu antene imamo možnost nastavitve dodatnih opcij pogleda.
Pa lahko SWR še kako izboljšamo?
Seveda. Kot smo videli predhodno, je bil najnižji SWR pri frekvenci 7,2 MHz, ki pa ni enaka naši želeni resonančni, 7,1 MHz. V glavnem oknu kliknemo gumb Src Dat (slika 17). Dobimo izpis vrednosti impedance in SWR pri resonančni frekvenci, tj. 7,1 MHz. Imaginarna komponenta impedance je negativna, kar pomeni, da ima antena bolj kapacitivni značaj ali drugače, njena dolžina je prekratka. Če uspemo to vrednost znižati, se bo SWR izboljšal. V ta namen kliknemo na vrstico Frequency v glavnem oknu. Vanj vpišemo vrednost frekvence, ki smo jo dobili pri najnižji vrednosti SWR v grafu. Za naš primer je bila frekvenca 7,2 MHz v najnižji točki. Kliknemo Ok. Nato ponovno kliknemo isto vrstico. Vpišemo našo želeno resonančno frekvenco 7,1 MHz in poleg označimo opcijo Rescale (slika 18). Na ta način bo program ponovno preračunal dolžino antene glede na odstopanje od predhodno vpisane (tiste v grafu SWR in naše želene).
Če sedaj ponovno zaženemo izračun SWR vidimo, da imamo minimalen SWR pri resonančni frekvenci 7,1 MHz (slika 19). Tudi v tabeli Wires so korigirane vrednosti, ki jih je popravil program (slika 20). Poleg dolžine (prej 10,2 m, sedaj 10,34 m), je popravil tudi višino naše antene od tal. Prej 20 m, sedaj 20,28 m.
Sevalni diagram modela dipol antene
V glavnem oknu programa kliknemo gumb FF Plot (slika 21). Iz diagrama za elevacijo (kot nad horizontom, za DX radijske zveze med 10º in 20º) lahko razberemo kotno širino snopa in dobitka pri različnih kotih. Roza barva linij na grafu označuje maksimalni kot sevanja antene pri padcu dobitka za √2 oz. 3dB.
Če v glavnem oknu nastavimo Plot Type na 3D, dobimo izris sevalnega diagrama antene v prostoru (slika 22).
Primer zavihanega polvalnega dipola za frekvenčno področje 40 metrov
Zgradili bomo še en model antene, kompleksnejše izvedbe. Poslužili se bomo metode vihanja krakov dipola v obliki črke U. To pogosto pride prav v primerih, ko smo omejeni s prostorom znotraj stavbe (npr. podstrešje). Na ta način spreminjamo električno dolžino antene (in posledično induktivnost oz. kapacitivnost). Več navodil glede izračuna (tudi graf odvisnosti dolžine zavihka od SWR in koeficiente) najdete na spletni povezavi https://www.qsl.net/kk4obi/Center-fed%20Folded-end%20Horizontal.html[1].
Za konkreten primer bomo uporabili najkrajši možen zavihek dipola, tj. na dolžini 0,5 x λ/2 od centra napajanja dipola. S pomočjo grafa in koeficientov, lahko določimo potrebno dolžino zavihanega dela, ki je funkcija valovne dolžine. Za naš primer je za zavihek pri 0,5 x λ/2 priporočen koeficient > 0,18. Izbrali bomo koeficient 0,20 pri katerem je v grafu SWR za 50 Ω obremenitve podan SWR enak približno 1:1,4. Ta koeficient (0,20) pomnožimo z izračunano polnovalovno dolžino, zaokroženo na 21 m (21 m x 0,20 = 4,2 m). Del izračunanega dipola (4,2 m) na razdalji 5,25 m od centra napajanja zavihamo navzdol za kot 90º ali vzporedno s tlemi.
Topologija zavihanega dipola je po izračunu sledeča: dolžina horizontalnega kraka 5,25 m, zavihani del 4,20 m, preostanek skupne dolžine (10,5 m – 5,25 m – 4,20 m = 1,05 m) pa zopet zavihamo za 90º nazaj proti centru napajanja. Načrtovani model antene na sliki je že optimiziran, kajti zavihana vzporedna kraka (1,05 m) sta korigirana (skrajšana iz 1,05 m na 0,75 m, točki 5 in 4 na anteni). Pri frekvenci 7,1 MHz tako dosežemo teoretični SWR 1:1,27 (sliki 23 in 24). V grafu na spletni povezavi je definirana vrednost SWR 1:1,3.
Zaključek
Smo pri koncu simulacije. Zavihane dele dipola nismo zavihali navzdol proti tlom, kot je navedeno v povezavi o kreiranju zavihanega dipola, ampak vzporedno s tlemi (smo eksperimentirali, saj to naredi stvari zanimive). Očitno to ne vpliva bistveno na rezultat. Pri frekvenci 7,1 MHz, je izračunan SWR 1:1,27 in impedanca 40,64 Ω na višini 20 m (slika 23).
Sedaj poskusimo znižati višino antene od tal na 10 m (slika 25). Višino spreminjamo v tabeli Wires. Za vrednost koordinate Z v vseh poljih vpišemo 10. Impedanca se je povečala za cca. 5 Ω na 45,31 Ω in SWR je zrasel na 1:1,59.
Za zavihani dipol bi tako kot za ravnega glede na naravo dipol antene, pričakovali nižjo impedanco pri bližanju tlom. Očitno se pri zavihanem dipolu impedanca obnaša drugače. Kapacitivna narava zavihkov dipola in razporeditev tokov z bližanjem tlom višata impedanco, kar je nasprotno kot pri ravnem dipolu.
Če pogledamo rezultate 2D sevalnega azimutnega diagrama, ima ravni dipol pri frekvenci 7,1 MHz in višini 20 m, v azimutni ravnini, širino sevalnega snopa 80º, zavihani dipol pokriva širše področje 96º.
In kaj lahko rečemo o programu? Izračuni in diagrami so v skladu s pričakovanji. Ponuja pestro paleto možnosti simulacij, izračuna in poteka tokov na anteni, dodajanje induktivnih in kapacitivnih bremen. Kljub nerodnosti za risanje pa je dobrodošel brezplačni pripomoček za modeliranje in simulacijo anten.
Na spletu obstaja podoben brezplačen simulacijski program 4nec2, ki ima naprednejši grafični vmesnik. Je pa krivulja učenja položnejša, potrebnih je več ur za razumevanje. Najdete ga na spletni povezavi https://www.qsl.net/4nec2[2] . Uporablja enake računske pogone (NEC-2, NEC-4) kot EZNEC Pro+.
Poskusil sem iz EznecPro+ uvoziti model antene v 4nec2. Model je naložil z obvestilom o napaki. Kljub temu je bilo možno prikazati geometrijo antene. Nato sem poskusil še v obratni smeri. 4nec2 ima v svoji mapi models bistveno več pripravljenih modelov anten. EZNECPro+jih je brez težav prebral in simuliral, kar je pričakovano, saj oba programa uporabljata isti računski pogon NEC-2.
A kot pravijo, ni stvari kot je zastonj kosilo. Tudi pri 4nec2 se plača, če hočemo uporabljati napredne možnosti NEC-4 ali NEC-5.
Viri:
1: https://www.qsl.net/kk4obi/Center-fed Folded-end Horizontal.html
2: https://www.qsl.net/4nec2
