Antennensimulation mit 4NEC2 Axel Schultze, DK4AQ Seite 1 Antennensimulation mit 4NEC2 Anlässlich des 4NEC2-Seminars des Distrikts Niedersachsen in Wolfsburg am 15.September hier

Axel Schultze, DK4AQ08.01.2013 Seite 1

Antennensimulation mit 4NEC2

Anlässlich des 4NEC2-Seminars des Distrikts Niedersachsen in Wolfsburg am 15.September hier eine Kurzdemonstration der Möglichkeiten des Antennensimulations-Programms.

Programme wie 4NEC2 oder EZNEC sind eigentlich Bedienoberflächen für den Programmkern NEC (Numerical Electromagnetics Code ). Ursprünglich wurde NEC am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), ein Federally Funded Research and Development Center (FFRDC) entwickelt. Das Programm wurde in den 1970er Jahren in FORTRAN geschrieben.NEC2 war die letzte frei öffentlich zugängliche Version. Ab Version NEC4 ist die Software mit einem begrenzten Leistungsumfang wieder käuflich. (Non-US Academic/Noncommercial: $500). Die Versionen dazwischen wurden vom militärischen Einrichtungen gefördert und unterliegen der Geheimhaltung.

4NEC2 wurde von Arie Voors geschrieben und kann von der 4NEC2-Homepage http://home.ict.nl/~arivoors/ inklusive des NEC2-Kerns geladen werden.


Wie funktioniert das ? (ohne Mathematik)

Jeder Leiter wird in Segmente aufgeteilt. Für jedes Segment wird durch das Programm ein plausibeler Stromverlauf geschätzt. Es werden plausibele Randbedingung angenommen. Z.B muss am Ende eines Leiters der Strom = 0 sein.

Beispiel von Stromverläufen auf Segmenten,es sind auch andere Verläufe als rechteckige geformte möglich.

Über eine Gleichung wird für jedes Segment ein zugehöriges winkelabhänges elektrisches Feld berechnet. Danach wird die Wirkung jedes Segmentes auf alle anderen Segmente (und ggfs. Elemente aus der Umgebung) berechnet.

Gegenseitige Beeinflussung, Verkopplung


Wie funktioniert das ? (ohne Mathematik)

Die von jedem Segment unter einem bestimmten Raumwinkel abgestrahlten E-Felder treffen auf eine gedachte Kugekoberfläche und adieren sich dort (entsprechend Betrag und Phase) in jedem Punkt auf der Kugeloberfläche..

Die Leistungsdichte an jedem Punkt ist proportional zum Quadrat der Feldstärke an diesem Punkt. Diese Rechnung wird z.B. alle 5 Grad (in hor. und vert. Ebene ) durchgeführt. Auf diese Weise bekommt man die Abstrahlcharakteristik der Antenne in alle Richtungen (Raumwinkel)

Das gesamte zu berechnende System inklusive der Annahmen und Schätzungen wird auf Plausibilität überprüft


Start des Programms

Aktionen auslösen

Anzeigefelder,keine Einträge möglich

Filename

Anzeige zusätzlicheEingebaute L/C/Rsaktivieren

Beispiel: Sperrkreis-Dipol für 15/20m


Geometrie eingeben

Geometrie der Antenne eingeben / ändernN

umer

ieru

ng

Anz

ahl

Seg

men

te KoordinatenDraht-Anfang

KoordinatenDraht-Ende

Dra

ht-R

adiu

s


Bildung der Koordinatenpunkte

Beispiel eines horizontalen Drahtes

Anmerkung:Welche Koordinaten bekommt man wenn man einen Draht fester Länge einseitig um 30 Grad nach unten senkt ? ( Phythagoras und Winkelfunktionen lassen grüßen...)


Anzeige der eingegebenen Antennen-Geometrie


Geometrie des Sperrkreise-Dipols

Wire 1

Wire 2 (nur wg. Einfügung Sperrkreis)

Wire 3 (nur wg. Einfügung Sperrkreis)

Wire 5

Wire 4

Source (Einspeisepunkt)

Dipol mit Sperrkreisenfür 15/20m

Z = 0 heisst 0m Höhe !Das geht nur wenn der Dipol im Freiraum (Weltraumoder sehr großer Höhe) betrieben wird !


Eingabe von Speisepunkten, L/C-Bauteilen, Metallsorte, Drahtisolierungen, Speiseleitungen etc.

Einfügen Source (Einspeisepunkt) in der Mitte von Wire 1

Eingabe:- Metallsorte (0=alle Drähte aus gleichem Metall)- Sperrkreise mit Angabe des Drahtes, in den sie mittig eingebaut werden. - Hier kann auch ggfs. ein Isolationsmaterial eingeben werden


Eingabe Frequenz und Bodenverhältnisse

Frequenz (ggfs.Wobbelbereich !)

Bodenmodelle bzw. Freiraum

Ggfs. Radial-eigenschaften

Ggfs. Bodentypen

Ggfs. ElektrischeBodeneigenschaften


Berechnung starten

Einstellungen- Nahfeld / Fernfeld- Wobbeln SWR- Richtdiagrammtype- Auflösung


Diagramme (Richtdiagramme hor./vert.)

Weiterschalten der Winkelscheiben durch Pfeiltasten, (horiz.:Li-Re, vert.:Auf-Ab)

Vertikaler Schnittfläche (entlang der Z-Achse)

Phi = Winkel auf der Bodenfläche /X-Y-Ebene,,Himmelsrichtung“

Kreis:Erhebungs-winkel

Kreis:„Himmelsrichtung“

Theta: Erhebungswinkel

Horizontale Schnittfläche: Abstrahlung unter einem bestimmten Erhebungswinkel


Diagramme (Richtdiagramm 3D)


3D und in Farbe....

Mit Stromverteilung und als räumliche Darstellung (Farbe → Gewinn)


Was passiert, wenn sich die Aufhängungs- Höhe ändert ?

In der Geometrietabelle wurde Z = 10m eingetragen: Die Einschnürungen in Richtung der Dipolenden sind weg (Bodenreflektionen ?). Der Eingangswiderstand der Antenne hat sich von 71,8-j8 Ohm auf 75+j9 Ohm geändert. Die Abschätzung des Wirkungsgrads hat sich von 98% auf 67% geändert (Bodenverluste ?)


Frequenzverlauf des Stehwellenverhältnis

Auch Stehwellen-Verläufe über der Frequenz lassen sich darstellen und zum (simulierten) Abgleich der Antenne nutzen.


Segmentierung und ihre Spezialfälle

Bodeneigenschaften

Bodenkontakte

Spezialfälle der Geometrie

Dünne Drähte / Dicke Drähte

Aussagen zum absoluten Gewinn und Verlusten

Leiter / Flächen im Antennenumfeld

Speiseleitungen

Antennen - Arrays

Geometrie: Drähte schräg abspannen oder abknicken, wie bekommt man die

Koordinaten ?

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