Yagi Simulation: CAD-Software for Evaluation and Developmentthe-eye.eu/public/Books/Electronic Archive... · On the structural layer antennas are described by their geometry and the

Yagi Simulation: CAD-Software for Evaluation and Development

(A Case Study and Performance Report)

Rainer Bertelsmeier, DJ9BV1

Gunter Hoch, DL6WU2

(Part I)

Kurzfassung: Nach einer Einfiihmng in die elektrodynamischen Grundlagen von Yagis folgt eine Obersicht iiber die Verfahren, auf Rechnem die elektrischen Eigenschaften von Yagi's (Richtdiagramm, Gewinn, Impedanz) zu berechnen. Diese werden mit ihren zugmndeliegenden Annahmen und Einschriin· kungen gewiirdigt. Eine Vorstellung der heute verfiigbaren Programme auf PC's und GroBrechnem schlieBt die Simulationsprogramme RADICAL, MININEC, MN, YO, NEC-II PC, NEC-II, YAGIANA· LYSIS, YAGIMAX und YAGINEC ein. Diese werden sowohl in ihren Simulationsmoglichkeiten als auch in softwaretechnischen Eigenschaften gewiirdigt. Es folgt ein Kapitel iiber die Wirkungsweise von Yagis und die Problematik der MeBtechnik. Damit wird die Grundlage fiir eine Fallstudie gelegt, in der in einer Gruppe von ausgewiihlten Yagi-Modellen die MeBergebnisse fiir diese Antennen mit den Simulationsergebnissen aller Programme verglichen werden. Daraus ergeben sich ein Leistungsbild der Programme und Hinweise auf Pmhlemhereiche der Simulation, die durch die Anwendung von Nli.herungsverfahren und Vereinfachungen begriindet sind.

Abstract: After an introduction into the electrodynamical basics of Yagi-Antennas a description is given for the basic methods for calculation ofyagi properties (gain, impedance and pattern) on computers. These are the impedance matrix method and the method of moments. The underlying assumptions and approximations are discussed. A description of simulation software currently available includes the programs NEC-II, NEC·II PC, MININEC, MN, YO, YAGIANALYSIS, YAGIMAX, YAGINEC and RADICAL. They are described in their features, software quality, user interface, speed and size. A chapter covering the principle.~ of Yagi design and measurement problems lays the ground for a following case study. This includes a selected range of typical Yagis and the comparison of measurements and simulation results for the range of programs investigated. The results lead to a critical view of the capabilities of Yagi simulation and a relative judgement of those programs. Some critical issues in modelling arc covered.

1. Einfiihrung

Jahrelang war die Bestimmung der Antennenleistungsdaten (Diagramm, Gewinn und Wirkungsgrad) von Yagis, eine bei Amateuranwendungen besonders beliebte Antennenform, nur unter groBen meBtechnischen Schwierigkeiten moglich. Welch groBe Me8fehler auftreten konnen, zeigen der Vergleich der Ergebnisse der jahrlichen Antennenmessungen auf Amateurtagungen in den USA, sowie die Ergebnisse

1 Gluecksburget Str. 20, D-2000 Hamburg 50 2 Gerspren:zweg 24, D-6100 Darmstadt

DUBUS 3/1991 33

Technical Repons: Yagi Simulation: CAD-Software for Evaluation and Development

von hiesigen Messungen. (DLlBU, Dl..6WU, Anaboda). Wegen dieser Disk:repanzenwaren dieLeistungswerte von Yagis immer ein starker Punkt der Diskussion unter Amateuren und auch Glauben in Form von 'Wunderantennen' war nicht selten im Spiele.

In den 70-iger Jahren wurden fiir kommerzielle Zwecke Antennensimulationsprogramme entwickelt, die zunlichst auf Gro8rechnem und fiir Forschungszwecke angewendet wurden. Mitte der 80-erwurden diese Programme in einfacher Form fiir PC's verfiigbar gemacht und damit auch fiir Amateure anwendbar.

Da die Leistungsfiihigkeit dieser Simulationsprogramme sehr unterschiedlich und auch ftir den normalen Amateur kaum beurteilbar ist, soil dieser Artikel eine Ubersicht iiber die verfiigbaren Programme geben und diese gegeneinander und gegen Standards bewerten.

1. Introduction

For decades the Yagi antenna has been a first choice for amateur radio applications. But the properties -Gain, Efficiency and Pattern - could be evaluated only by difficult and time consuming measurements with limited accuracy. A look at the results of amateur measurements ofYagis during antenna gain contests etc. unveils significant discrepancies of the numbers measured. This fact is one of the reasons for a tendency among amateurs to believe in 'miracle' designs. A new dimension in antenna evaluation was opend during the seventies, when large simulation programs for antennas were developed on mainframe computers for reasearch purposes. During the eighties these programs were scaled down for PC's and are now available for amateur use.

Because of the complexity of the simulation task and the influence of the underlying assumptions on the accuracy of the programs it's not easy to judge the relative performance of these programs. This article is meant to give insight into the problems and methods of Yagi simulation and to give performance figures in form of a case study, where the selected range of programs is applied to real-world antennas and the results are compared to measurements.

2. Funktion von Antennen-Simulationsverfahren

2.1 Elektrodynamische Grundlagen

Was ist eine Antenne?

John D. Kraus sagt1:

Def.: Eine Antenne ist ein Gerlit, das elektromagnetische Wellen aus einem Wellenleiter in elektromagnetische Wellen im freien Raum iiberfiihrt und umgekehrt.

Wellenleiter sind z.B. K.oaxialkabel, symmetrische Leitungen oder Hohlleiter, kurzum alle Transportwege fiir elektromagnetische Energie, die nicht strahlen. Auf der anderen Seite ist dann das elektromagnetische Feld im freien Raum zu betrachten, das durch Felder, Strahlungsdiagramme (lntensitAtsverteilungen) usw. gekennzeichnet ist.

Antenne sind in diesem Sinn Sensoren/Aktuatoren fiir elek:tromagnetische Wellen. Sie strahlen diese ab oder empfangen sie.

HF-Leitungen sind dann Wellenleiter ohne Strahlung. Resonatoren speichem HF·Energie.

1 JohnD.Kraus, "Allle1IMS~McGrawHi14NewYorkl988

DUBUS 3/1991 34

Technical Reports: Yagi Simulation: CAD-Software for Evaluation and Development

z E ???

y

/X

Bild/Figure 1: Fragestellung: Simulation einer Yagi

Im fnlgenclf'n b<-schriinken wir uns auf spe:zielle Antennen, nimlich Yagi's. Yagi-Antennen sind lineare Arrays von strahlungsgekoppelten Elementen, die hauptslichlich als zylindrische, verldirzte Halbwellen· dipole ausgebildet sind.

Um das elektromagnetische Feld einer Yagi zu berechnen, ist das Bild des Wellenleiters wenig hilfreich.In Kapitel 3 "Wirkungsweise von Yagi Antennen• wire! auf das Wellenleiterbild wieder Bezug genommen. An dieser Stelle ist es sinnvoll, sich eine Yagi a1s linear angeordnetes Array von zylindrischen Stliben vorzustellen, auf denen zeitlich veriinderliche Ladungsverteilungen existieren bzw. in denen St!Ome flieBen. Diese werclen von derspeisenden HF.Spannung U mittels eines ausge:zeichneten Elementes, dem Speiseelement. induziert. Kennt man die Strom· und I .J1dungsverteilungen auf alien Stiben, kann man daraus das Vektorpotential fiir die Strome bz.w. das Skalarpotential filrdie Ladungsverteilungen aufstellen. Die Elektrodynamik stellt Gleichungen zur Verfilgung (Maxwellsche Gleichungen), mit deren Hilfe aus di~.<im Potentiale.n das resultierende magnetische und elektrische Wechselfeld berechnet werden k:8Dn.

Die elektrodynamische Berechnungsaufgabe kann wie folgt charakterisiert werden:

Gegeben sci cin riiumlich angeordnete.; Ocbilde von zylindriscben Stiiben, von denen elner mlt elner HF.Spannung D - Do sin wt gespeist wird (Bild 1)

• Welche Stromveneilungen ergeben slch in und auf den Elementen? • Welches riiumliche Strahlungsfeld (Magnetische oder elektrische Feldstiirke) bzw. Richtdiagramm

ergibt sich?

DUBUS 3/1991 35


• Wie groB sind Richtfaktor, Gewinn und Eingangsimpedanz?

Diese Berechnung erfolgt allein auf Grund der mechanischen Abmessungen, der Leitfiihigkeit des Materials und der Frequenz der erregenden HF-Energie. Zur Definition des Koordinatensystems siehe Anhang A.1. Kennt man die Feldveneilung £(9,ip), folgt daraus das Richtdiagramm 1'(9,ip) (AnhangA. 3). Daraus kann der Richtfaktor durch Integration iiber das Richtdiagram oder durch Vergleich der maximalen Strahlungsdichte (Anhang A.2) mit der mittleren Strahlungsdichte berechnet werden.

Stromvertelluug: z /(z) - Io sin(2; (~: z))

I\

E(0,<p) Feld: 8

[ [n l) ,A COS -:-COS 9 £(9, ) _ 60}/r ~

Ip r sm9

y

u - .

<p

... x

Bild/Figure 2: Halbwellen-Dipol

Das Problem ist zunlichst. die Ladungsverteilungen und Stromverteilungen auf jedem Stndcturelement einer Antenne zu kennen. Die allgemeine Uisung wird durch eine komplexe Integralgleichung1 beschrieben. Das Wesen einer lntegralgleichung ist, daS die gesuchte GroBe, in diesem Fall die Stromverteilung auf alien Elementen, in die Gleichung eingesetzt die lntegralgleichung erfiillen mul3. Die Randbedingun· gen sind die mechanische Struktur der Antenne. Diese Gleichung ist i.A. nicht analytisch IOsbar. Eine solche Uisung existien nur fiir einfache Gebilde, z.B. ein lf.2-Dipol, der beliebig diinn ist • das nennt man auch einen Stromfaden •. Dann gibt es eine sinusrormige Strom- und Ladungsverteilung. Daraus kann man in geschlossener Form die bekannte Richtcharakteristik eines Dipols berechnen (Bild 2). Die

1 Erik Ballen, 'TheureJhical Invesrigatimt imo w Tr1J11Smirling and Receiving Qwzlilitt of Antennae", Nova Ac/4 RegiaeSoc. Sci. Upsalimsis, Ser. Jv, 11No.4, 1-441938

DUBUS 3/1991 36


• ] 75 ji E .5 •

01stanC+! from cenler ol anlenna. >.

Bild/Figure 3: Stromverteilung "Dicker Dipol"

Ergebnisse fiir Stromf!iden gelten auch noch fur diinne Dipole (D.1-< 0.001), die einen geniigend kleinen Durchmesser bezogen auf die Wellenliinge haben.

Komplizierterwird der Fall bei elektrisch dicken Dipolen (Bild 4). Bei elektrisch dicken Dipolen und bei verkoppelten Strukturen beinflussen sich die Strome auf der Oberflache und im Leiter sowie allc Strome untereinaoder. Dann ist die Hallen'sche Integralgleichung nur noch unter vereinfachenden Annahmen und du1ch numerische N!iherungsverfahren zu liisen. Wie sich die Stromverteilung bei elektrisch "dicken" Dipolen iindert, zelgt Bild 3.

Im Gebrauch sind zwei verschiedene Nliherungsmethoden zur Antennenberechnung, die Impedanzmatrix-Methode und die Momentenmethode.

Die lmpedanzmatrix-Methode geht von fertigen Uisungen der Hallen lntegralgleichung fiir Spezialflille aus und betrachtet die Simulationsaufgabe als Berechnung der additiven Uberlagerung von Feldem von parisitiiren Dipolen.

Die Momentenmethode zerlegtjedes Element einer Yagi in kleine Segmente und findet durch numerische Integration die Stromverteilung auf diesen Segmenten. Daraus wird durch additive Uberlagerung wieder das Gesamtfeld berechnet.

2. Methods for Simulation of antennas on computers

2.1 Electrodynamic Basics

What is an antenna?

A definition has been given by John V. Kraus in ([1 ]):

Def.: An antenna is a transition device (transducer) between a guided wave and a free-space wave and vice versa.

A guided wave is transported on a wave guide, a coaxial cable or on any transmission line, which does not radiate. On the other side there is radiation in free-space or an electrodynamic wave or field.

On the structural layer antennas are described by their geometry and the electromagnetic properties of their structural elements like conductivity or permeability.

Radiated waves are described by polarisation and radiation intensities.

A look at the antenna as a receiving or transmitting transducer introduces a second layer of description, which associates the tree-space wave properties with the transmitting or receiving antenna. This layer is described by features like radiation resistance, radiation patterns or simple scalar quantities derived like directivity, gain, efficiency, beam widths and aperture.

DUBUS 3/1991 37

Technical Keparts: Yagi Simulation: CAD-Software for Evaluation and Development

x

z

__ cp

I I 2a

e

Bild/Figure 4: Halbwellen-Dipol Real (Zylinder)

" E(8,<p)

y

'.

The following discussion will be restricted to a special form of antennas, i.e. Yagi-Uda antennas. Yagis are linear arrays of conducting cylinders. The length of these cylinders is about a half wavelength on the operating frequency for most yagis, but can be any arbitrary length in the general case. These cylinders or elements are coupled by radiation only. Therefore they are called parasitic elements. Only one or a few elements are driven with an excitation RF-voltage delivered from a transmission line.

To explain the radiation properties of Yagis a dual view is possible:

1. A waveguide with a discontinuity for radiation 2. A radiation coupled structure of cylinders, which have time-varying current and charge densities.

The second view is helpful to calculate the electrical properties by electrodynamical laws, which link electrical and magentical fields with charge and current (Maxwells Laws). The filSt view is helpful to understand the directive properties and the function of this structure as an antenna and will be exploited

in chapter 3.

The electrodynamical task to calculate the pattern of the generated free-space wave can be separated into several steps:

DUBUS 3/1991 38

Technical Reports: Yagi Simulation: CAD-Software fur Evaluation and Development

Given a yagi structure (Figure 1).

• What currents flow in and on the elements? • What three-dimensional far field pattern can be calculated from these currents • What are the values fur directivity, gain and input impedance.

This calculation is possible with knowledge of the mechanical structure, conductivity and permeability of the material and the frequency of the exciting RF. See Appendix A.1 for definition of the coordinate system fur the field. The electrical field component defines the power pattern (Appendix A.3). The directivity can be calculated either by integration over the threedimensional power pattern or by compari!IOn of the ml!Yimnm power density to the average density generated by the aute!llla (Appendix A.4).

The first problem is to calculate the current distribution on the structural elements of the antenna. A general solution is provided by an integral equation. If the current distribution is known this distribution would be the solution of this equation. A direct analytic solution for the general case is not possible. The boundary conditions for this equation are the structural dimensions, i.e. surfaces of the conducting elements.

A simple solution exists for an ideal half-wavelength dipole, where the current has no 'thickness' (Figure 2) and the current filament (Current with zero thickness) has a sine distribution. Then the electrical field can be calculated by integration over all small current elements along the current filament. The results fur ideal dipoles are a good approximation to finite thickness dipoles (DI).< 0.001 ). In the case of thick dipoles (Figure 4), the solution is getting complex and can be derived by numerical integration methods only. These employ several approximations. Figure 3 shows the change in current distribution fur a 'thick' dipole.

Two numerical methods have been developed for the case of yagi simulation.

The first we call impedance matrix method. It relies on known approximative solutions ofHallen's integral eq11ation for half-wavelength dipoles. These define the current distributions in the elements of a Yagi to be sinusoidal and the radiation coupling· the parasitic effects· between elements as coupling impedances. The resultant electrical field can be computed as a superposition of an array of dipoles.

The second is the moment method. It divides the elements of a Yagi into small segments and solves the integral equation for these segment by a numerical method called the moment method. The field of the antenna is obtained by a superposition of the field of the segments. This implies that any arbitrary shape and length of Yagi elements can be modelled, which is not the case for the impedance matrix method.

2.2 Impedanunatrix·Methode

Die einfachste numerische Niihrungsmethode ~r Yagi-Simulation besteht darin, alle Elemente einer Yagi als zylindrische Halbwellen-Dipole zu betrachten, die eine sinusformige Stromverteilung haben. Zur Feldberechnung denkt man sich den Strom auf dem Element im gedachten Zentrum des Elementes konzentrien (Stromfaden). Daraus kann man das Feld eines jeden Elementes durch Integration berechnen. Das Gesamtfeld einer Yagi ist dann die phasenrichtige Oberlagerung aller Einzelfelder. Die Strahlungskopplung zwischen zwei Elementen bestimmt eine komplexe Koppelimpedanz, die nur eine Funktion des Abstandes1 ist. Diese Koppelimpedanzen driicken aus, daB ein Strom in einem Element einer Yagi iiber Strahlungskopplung injedem anderen Element wieder einen Strom induzien und vice versa. Das ist exakt

1 In 'Nrbeuntt:n Verfahnn wird aMCh IWCli die Diclr.e Jer ~n Elawnte bei Jer KDppdimpedanz bl'!rilck· siduigt.

DUBUS ~/tQQJ 39


die Funktionsweise einer Yagi: Jedes Element strahlt und nimmt Strahlungsleistungen von anderen auf, die als Strome flieBen und wieder abgestrahlt werden. Diese komplexe Interaktion wird bier durch das einfache Modell der Koppelimpedanz zwischenzwei Elementen beschrieben, obwohl es fiir jedes beliebig kleine (infinitesimale) Stuck eines jeden Elementes gilt.

Beispiel (Bild 5): 2 El- Yagi

Man kann zwei Gleichungen aufstellen:

z A

E(0,<p)

0

y

U1 .t---H---......;....---

Bild/Figure 5: Fallbeispiel 2 El Yagi/Example 2 El Yagi

ltZu + /zZ12 • U1 11Z21 + lzZ22 • lh

h und h sind die gesuchten Elementstrome, Zuund Z22 sind die Eigenimpedanzen der Dipole, Z12 und Z21 sind die Koppelimpedanzen und U1, Uz sind die Speisespannungen im Mittelpunkt der Dipole. FGr den Direktor gilt Uz • 0, da er nicht gespeist wird. Das ist nun ein einfaches Gleichunp;ystem. Die gesuchten Elementstrome kann man beim Fallbeispiel sofort angeben:

I U1 Z22

1-Z11Z22 - Z1zZ21

I -U1Z21

2-Z11Z22 - Z1zZ21

Die Eingangsimpedanz ist: Ut

Zm•h

DUBUS 3/1991 40


Das kann man noch im Kopf rechnen. Bei mehr Elementen bemiiht am besten einen Computer, der das Gleichungssystem mittels Matrixinversion liist. Er kann dann auch noch gleich das resultierende Feld der Einzeldipole aufsummieren und das Richtdiagramm berechnen. Ein lesenswerter Artikel iiber diese Methode stammt von J.L. Lawson1

•

In diesem Modell slnd nunjede Menge Nliherungen, die alle Konseqenzen rur die Genauigkeit der LOsung haben.:

1. Niiherungslasung 1. Ordnung der Hallenschen lntegralgleichung fiir die Selbstimpedanzen und Koppelimpedanzen

2. Es tlieBt kein Strom auf die Kappe bzw. am Elementende muB die Strombelegung verschwinden. 3. Stromprofil auf dem Element muB sinusfiirmig sein 4. Feldberechnung geht von idealisierten Stromt'liden aus. 5. Die l.eitfihigkeit der Elemente ist unendlich, d.h. es gibt keinen Skineffekt.

Folgerung von 1. sind ungenaue Stromwerte. Folgerung von 2. bedeutet, daB Elemente elektrisch zu "kurz" betrachtet werden, da der Strom auf die Kappe den Sinusverlauf stiirt und einen Feldbeitrag liefert. Damit wird ein systematischer Frequenzfehler nach oben impliziert. 3. bedeutet, daB kurze Direk:toren und dicke Elemente schlecht dargestellt werden. 4. bedeutet, daB die Feldberechnung bei dicken Elemen· ten schlecht funktioniert. 5. bedeutet, daB nur der Richtfaktor aber nicht der Gewinn ab&eschlitzt wird (SieheA4).

Einige Programmierer korrigieren diesen Fehler dann mit intemen Korrekturfaktoren (Fudge-Factors). uas redUZiert aber die Unabhiingigkeit des Programms von der Struktur, da es nur bei bestimmten Formen und Stromverteilungen funktioniert.

2.1 Impedance Matrix Method

All elements of a Yagi will be modelled as half-wavelength dipoles with non·zcro thick:ncss. AsinUllOidal current distribution on the elements is assumed. For calculation of the fields of the elements the surface current on an element is idealized to a current filament with zero thickness in the center of each element. The radiation coupling between elements is expressed as a mutual impedance, which has been calculated as a first order approximation to the Hallen's integral equation. All structural boundary conditions for the antenna have been reduced to element diameter and distance, which are parameters for the self· and mutual impedances. The mutual impedance expresses the total current amplitude which is induced in an element B by a current in an element A for the special case of sinusoidal distribution and a length of~. The self impedance is the solution for the element itself. So the total interaction between yagi elements, which in reality happens for each infinitesimal structure element, is idealized to whole half-wavelength elements. This approximation simplifies the calculation very much.

Example (Figure .5): 2-El Yagi

The driven element is excited by a voltage U1. The excitation voltage of the director is zero. Now currents flow in the two elements which are a function of the excitation voltage and the self- and mutual impedances. Two equations describe the whole system:

ltZu + lzZ12 - U1

1 James L. Lawson, w.zpv, "YagiAlllenna Design: Performance Calculations•, HAM RADIO, 111980, pp. 22·27

DUBUS 3/1991 41


ltZ21 + hZ22 - 0

/1 and h are the element currents, Zu and Z22 are the self impedances for the elements, Z12 and Z21 are mutual impedances. Vt is the excitation voltage for the driven element. The equations are a simple system of linear equations. The solution is obvious:

1 Vi Z22

1 - Z11Z22 - Z12Z21

I -Vt Z21

2- Z11Z22 - Z12Z21

The input impedance can be expressed as:

Vt Z;,.-h

If more than two elements are involved, the solution is done by a computer, which solves the system of linear equations by the matrix inversion method. As a second step the computer can calculate the superposition of the electrical fields from all elements and the power pattern and directivity.

For this method several approximations are implicitly involved which should be known by the potential user to know the limitation of the model;

1. Hallen's integral equation is solved by a first order approximation to get the self· and mutual impedances for half-wavelength cylindrical dipoles.

2. No current is allowed to flow onto the caps of an element with non-zero thickness 3. The current distribution has to be sinusoidal 4. Fields are computed by a current filament approximation 5. Conductivity is infinite. No skin effect is allowed.

Consequence of l. are inaccurate cuments and Impedances for thick elements This implies wrong gain calculation, because the input current is used for the calculation of input power (Appendix A.4). Consequence of 2. is that this method treats the elements as being electrical shorter than they arc, because the endeffect leads to deviations from the sinusoidal current distribution by having non-zero current at the ends of the elements. Consequence of 4. is an inaccurate field computation for thick: elements (Figure 3). Consequence of 5. is that only directivity but not gain can be simulated.

Some programmers try to improve the method by incorporating some internal fudge-factors. This limits the generality of the approach even further and is very dangerous, because the influence is neither specified nor tested.

2.3 Nibenmg durch Segmentienmg von Elementen

Weitaus k:omplexer und rechenaufwendiger ist die Momentenmethode. Der Name Momentenmethode be:zieht sich auf die Auswerturig der :zugrundeliegenden lntegralgleiclmng. Zuniiehst sl.l'!llt man die lntegralgleichung auf, die das elek:trische Feld als Funktion einer dreidimensionalen Stromverteilung beschreibt. Diese ist nicht analytisch l0sbar. Um die Ulsbark:eit zu erreichen, werden folgendeAnnahmen getroffen;

DUBUS 3/1991 42


1. Die Segmente der Antenne sind diinne Driihte (Zylinder). 2, Transversale Strome auf den Driihten sind vemachliissigbar 3. Axiale Strome verli.ndem sich auf dem Umfang des Zylinders nicht 4. Der Oberfllichenstrom auf einem Element wird als Stromfaden repriisentiert. 5. Das elektrische Feld in und auf dem Draht ist auf der Oberfliiche gleich (Randbedingung!)

Damit vereinfacht sich die Gleichung erheblich. Die Momentenmethode besteht nun darin, daS man die unbekannte Stromverteilung, die unter dem Integral steht, in eine Reihe von Basisfunktionen entwickelt. Dadurch kann man aus der lntegralgleichung ein linean:s Gleichungssystem machen.

Ein Element wiro nun in hinreichend viele ldeine Segmente zerlegt. Als Stromverteilungs·Nliherung auf jedem Segment wirrl entweder eine Pulsfunlction genommen (Bild 6) • das passiert in MININEC • oder eine Uberlagerung von Sinus· und Cosinus-Funktionen (Bild 7) • das geschieht in NEC-II.

Dann mu.6 noch ein Referenzpunkt feslgelegt werden. Bei MININEC isl clieser das gesamte Segment, so daS die lntegralgleichung im Mittel auf dem Segment erfilllt ist und bei NEC ist das die Segmentmitte, so daS die lnlegralgleichung exakt in der Mitte des Segmentes erfilllt ist.

Hat man N Segmente, entsteht ein lineares Gleichungssystem von N Gleichungen filr die unbek:annten Stromwene auf den Segmenten. Die zugeMrige Matrix hat dann N x N Eintriige. Bei einer 10 El Yagi und 10 segmenten pro Element sind das 100 x 100 = 10000 Elntriige.

Die Konvergenz des Verfahrens hingt von der Zahl der Segmente ab. JemehrSegmentemanspencliert,de· S1 S2 S3 S4 SS sto genauer win! die reale Stromver· teilung auf den Elementen durch die Stri>me auf den Segmenten angenli· hert. Die obere Grenze liegt in dem Dicken/Lingenverhiiltnis der Seg· Bild/Figure 6: Rechteck-Basisfunktione/Pulse Functions mente, die dann immer kiirzer wer-den. Dann sind die Annahmen ilber dilnne Drihte nicht mehr erfiillt und das Verfahren versagt. Eine weitere Grenze liegt in der Rechenzeit, die mit der dritten Potenz der Segmentzahl und dem Speicherbedarf, der quadratisch mil der Zahl der Segmente sleigt.

Um das elektrische Feld zu berechnen, das auf einem Segment j vom Strom in einem Segment k erzeugt wiro • das ensprichl der Strahlungskopplung ·, sind zwei Nliherungen gebriiuchlich:

• "Thin-Wire" (Stromfaden Niiherung) • "Extended Thin Wire " (Slrom-Zylinder Nliherung)

Die "Thin Wire" Niiherung betrachtel das Quellensegment als Stromfaden und das Zielsegment als Zylinder. Bei der "Extended Thin Wire" Nliherung werden beide als Zylinder betrachtet. Dadurch k:ann bel dieser der Efl'eltt von dici:en Elememen besser modellien werden. Die Fehler sind k:leiner als 1 % bei einem Lingen·/Dickenverhliltnis des Segmentes von g!dBer 8 bei der "Thin Wire"·Nliherung und von griSBer 2 bei der "Extended Thin Wire"·Nliherung.

DUBUS 3/1991 43


Hat man nun <lurch Uisung des Gleichungssystems alle Segmentstrome gefunden, wird das Gesamtfeld als phasenrichtige Uberlagerung aller Eill%Clfelder der Segmente berechnet.

Der groBe Vorteil der Momentenmethode ist, da6 man innerhalb der numerischen Konvergenzbedingun· gen - siehe die Bedingungen iiber den Formfaktor der Segmente - jede beliebige Struk:tur hinreichend fein modellieren kann. Dadurch werden im Fall von langen Yagis die relativ kur:zen Direktoren mit ihrer nicht mehr sinusformigen Stromverteilung wesentlich besser angeniihert. Das gleiche gilt fiir die Problematik der dicken Elemente.

Auch ist es moglich, strahlende Oberfliichen ("Patches"), Skineffek:t, EndkappeneinfluB ("Endeffek:t") und BodeneinfluB zu simulieren. Wegen des Programm und Rechenaufwandes wird dieser Funk:tionsumfang nur bei NEC-II voll abgedeckt.

2.3 Moment Method

The first step in this type of approximation is to divide the structure into small segments of cylindrical wires. Then an integral equation is derived, which describes the electrical field in terms of the volume current distribution in the segments (EFIE =Electrical Field Integral Equation). By some approximations and assumptions - by treating the segments as cylindrical thin wires - a special equation is formed which is solvable by numerical integration.

These approximationsi nclude:

1. segments are cylindrical thin wires.

2. No transversal currents are allowed

3. No circumferential variation in the axial current

4. Current is be rc::prc::senlc::d by a current filament on the wire axis

5. Boundary condition on the electrical field -on the surface of the wire the electrical field s inside and outside the conductor surface are equal - is enforced in the axial direction only

.·· .· \ .... \ .··

\..

' 3 4

Bild/Figure 7: Sinus/Cosinus Basisfunktionen

The moment method for solving the integral equation is to expand the unknown current functions into a set of basis functions. This approximates the current distribution on the segments. A second step ill to

define observation points or weighting functions on the segments. This defines at what points on the segment the integral equation has to be fulfilled. Now the integral equation can be partially integrated und transformed into a linear equation, which can be solved by a matrix inversion method.

For the expansion functions simple pulse function are used (MININEC - Figure 6) or a set of sine/cosine functions (NEC-II - Figure 7). The advantage of the latter i~ obvious, because it's more adequate to model the real current distributions. But by allowing for a sufficient number of segments even pulse functions can adequately model the real current distribution. These problems are covered by the term 'convergence

DUBUS 3/1991 44


properties of the method' - how many segments you have to use for modeling a structure until no change in results will show up-.

As observation points one can define the center of the segments (Delta-Functions) or the segment as a whole (Pulse Functions). The first implies that the integral equation is solved exactly for the center of the segment. By taking pulse functions as weighting functions (MININEC) the solution is valid in the mean over the segment.

The order of the linear equation is N, if N segments are involved. That means for a 10 El· Yagi allowing 10 segments for each element will result in 100 x 100 = 10000 complex numbers in the matrix. Increasing the number of segments to improve the solution will increase computing time with the third order and memory space with the second order.

Part of the transformation of the integral equation into the set of linear equations are solutions for calculating the electrical field on a segment j originated by a current in segment k. This field describes the radiation coupling between segments! 'J\vo approximations are used:

• Thin-Wire Kernel • Extended Thin Wire Kernel

The thin wire kernel treats the source segment idealized to a filament current to calculate the field on the the surface of the target segment. With the extended thin wire kernel the source segment is treated as cylinder and a second order Rolution gupplit.d. Errors are Jess than 1 percent for length/thickness ratio of greater than 8 for the thin wire kernel and for length/thickness ratio of greater than 2 for the extended thin wire kernel.

The solution of the set of linear equations is the set of segment currents in terms of excitations voltages and mechanical dimensions of the segments. The total field can be calculated as the superposition of the fields of the segments.

The mainframe program NEC-II can supply solutions for patches, skin-effect and reflective earth also.

The main advantage of the moment method is the capability to model a Yagi structure in terms of a three-dimensional segment structure. This achieves very accurate solutions even for short and thick directom, which do not have a sinusoidal current distribution.

Partll:

Part II will cover the following chapters and will appear in next isuue of DUB US: 3. Function and Properties ofYagi-Uda Antennas 4. Description of CAD-Programs investigated 5. Selected Cases of Test-Antennas and Measurements 6. Case study: Simulation of Test-Antennas 7. Discussion and Evaluation of Results

References

[l]J. D. Kraus [2] Edmund Stimer [3) Edmund Stimer

DUBUS 3/1991

"Antennas", 2nd Edition, McGraw Hill, NewYork 1988 • Antennen, Band 1: Grundlagen" ,Hilthig Verlag, Heidelberg, 1977 "Antennen, Band 2: Praxls",Hiithig Verlag, Heidelberg, 1977

45

Technical Reports· Yagi Simulation' CAD-Software for Evaluation and Development

[5] James L Lawson, W2PV

[6] GJ. Burke, AJ. Pogio

[7) AJ. Julian, J.C. Logan, J.W. Rockway (8] CJ. Railton [9) Masanobu Kominami; Katsu Rokushima

"Yagi Antenna Design: Performance Calculations", HAM RADIO, 1/1980, pp. 22-27 "Numerical Electrodynamics Code (NEC) - Method of Moments Part I: Program Description-Theory", NOSC TD116, Vol. 1, San Diego, Januar 1981 "MININEC: A Mini-Numerical Electrodynamics Code", NOSC TD 516, San Diego, September 1982 "Modelling Yagi-Antennas", Electronics & Wireless Worl, pp. 710-713 "A Design of Yagi-Uda Antennas by Nonlinear Optimisation Technique", Electronic and Communication in Japan, Vol. 61-B, No. l, 1978, pp. 47-54

Anhang A/Appendix A: Elektrodynamische Gnmdlagen/.Basics

A.1 Koordinaten/Coonlinate System

Die zwei Komponenten der elektrischen Feldstlireke im Femfeld sind Ee(0,cp) und darauf senkrecht stehend E<p(0,qi ). Damit la.sscn sich dann auch alle Polarisationen ausdriicken. Z.D. ist bei eioem Dipol

Bild/Figure 8: Riiumliches Polarkoordinatensystem

net.

Power density .P(0,cp) is proportional to C(0,<p).

A.3 Richtdigramm/Power Pattern

E~. Daher spricht man von einer linear polarisierten Strahlung.

The coordinate system can be seen in Figure 8. 'I\vo components of the electrical far field arc £9(0,<p) and Eqi(0,cp ). For a dipole holds Eqi-0. In the general case polarisation is expressed in terms of these normal vectors.

A.2 Strahlungsdichte/Power density

Die Strahlungsdichte ist proportional dem Quadrat der Feldstlirke, d.h die abgestrahlte Lelsrung pro Flllcheneinheit. Sie wird mit .P(0,cp) bez.eich-

Das Richtdiagrarnrn ist die riiumliche Ausbildung der Strahlungsdichte .P(8,ljl) iiber den gesamten Raumwinkel.

Power pattern is the three-dimensional function P( 0,cp ).

DUBUS 3/1991 46


A.4 Richtfaktor/Directivity

Der Richtfaktor fiir eine vorgegebene Richtung (e,cp) ist: D(e,cp) -1;,~)

Directivity D is defined as above. It represents the power density in a certain direction divided by the average power density. This average density is the same as the power density produced by an isotropic radiator which is fed by the same input power. An isotropic radiator radiates the input power equally in all directions: P(6,qi) - constant. It has a directivity equal to 1. The average power density of an antenna is the surface integral over the power density divided by the area of the unit sphere.

Pavg ist die mittlere Strahlungsdichte. Sie enspricht der Strahlungsdichte eines Kugelstrahlers, der mit der gleichen Leistung wie die vorgegeben Antenne gespeist wird. Fiir einen Kugelstrahler (Isotmpischer Strahler) gilt: P(e,qi )-K, wobei K einen Konstante ist. & bedeutet, die gesamte abgestrahlte Leistung der Antenne gleichmiil3ig auf alle Richtungen zu verteilen. Das bedeutet auch, die Strahlungsdichte um den Richtfaktor gegeniiber der betrachteten Hauptkeule zu reduzieren. Fiir den Kugelstrahler ist D ~ 1. Driick:t man die mittlere Strahlungsdichte eines Antennendiagramms durch das Oberfliichenintegral aus, folgt:

D(6,cp) - P(6,cp)

}'Jt/; Ia P(6,qi) sine de drp

Damit kann iiber die Integration der Richtcharak:teristik den Richtfaktor bestimmen. Das Integral ist dann die gesamte abgestrahlte Leistung, da es die Summation der Leistungsdichte iiber die Obertliiche des riiumlichen Richtdiagramms ist. Mithin kann man schreiben:

D(e l _ 4n P(6,cp)

,qi Prad

The surface integral is the total radiated power. Therefore the equation for D can be rewritten as above. If there are losses Prod has to be replaced by P;,, - P1oss. P;,, can be calculated from the element currents und excitation voltages in the driven elements. The losses have to be calculated by a treatment of skin-losses in the elements. By replacing Prati by P;,, the equation for directivity transforms into an equation for gain, which is always less than or equal to the directivity.

Prod ist die abgestrahlte Leistung. Im Fall von Verlusten vermindert sich die abgestrahlte Leistung um die Verlustleistung:

D(e l _ 4n P(e,cp) ,qi P;,, - Ploss

P;,, kann fiber die Eingangsimpedanz und die Eingangsspannung am Speiseelement berechnet werden. Die Verlustleistung ware iiber eine Betrachtung der Sltin-Veduste berechenbar. Hat die Antenne Verluste, ist der Gewinn kleiner als der Richtfak:tor:

G(O,cp). 4n P(e,cp) Pin

DUBUS 3/1991 47



Rainer Bertelsmeier, DJ9BV .. Giinter Hoch, DL6WU

(Part II)

3.Yagi Basics: Function, Design, and Measurement

3.1 Radiation Mechanism

Parasitic Array Stnicture

•

It has been shown in the previous chapter that all it takes to calculate the radiation properties of an antenna are the locations, amplitudes, and phases of all currents flowing. Thus any arbitrary arrangement of conductors excited by radiation from a driven element could be termed a parasitic array and its behavior as an antenna computed. In fact the NEC software was developed in part to do just that: calculate the Influence of arbitrarily located conductors like cables, ropes, and masts on the performance of ( ship ) antennas. Although it is comforting to know that any conceivable structure can be analy:zed this is hardly a help to the constructor in making the initial design. A closer look at a Yagi array reveals that even this seemingly simple structure has a confusing number of parameters and variables and that some knowledge of the physical principles is essential. Enough has probably been written on short Yagis and, in fact, juggling three or four elements for optimized performance is not too great a problem. As more elements are added it soon becomes evident that not all principles valid for short arrays apply to long ones as well • an approach more general than the element-by-element one is needed.

The Long Yagi Array

Looking back at the original papers by H. Yagi and S. Uda ( around 1926) one finds that their principal invention was the LONG "Yagi array". They di5COvercd that a ladder structure: of dipoles slightly shorter than 1/2i.., spaced less than 1/2}., acted like a waveguide and, when disrupted, like a beam antenna. They

• G~ Str. 20, D·2(}()() Hamburg 50 •• ~ 24, D-6100Darmsuult

DUBUS 4/1991 3


'' ..

++-1-++-H-1--H-'- -

- ·~ ...... 1' 1- f- .... ' . - .

- ... ,.- - -·· - - - ··-1-1--... )

I,, - ,_ -·

I I - -· -- >--• -+-- -1.. ~- .•. -1- . I -

L-L- -· ~ -1-~ _l_~:J -- t=-t~ -:~+---+~ __ +-__ + .. -... 1-+--j .... -~--~ - -- _,_t,_ !Jl1 -. 1- -1--+-_-+.._-+-_+_--l,--+--+--I

1-Hb- . --~.l-~.-- ---- --h- -i- .. i.- ~-11111---1--1--1-- ... -- -· ~-·+-4·-+-1-+-+ ~~L~. --· _r-.,~ 1001 J'>..- --- +-+--j-++H-+++-+++-H-t-+~.-.Y.,tl-H-l-~-1- ,_,__ ---l-+--1--+-+-1

~~ - ·· - _)'..Kl'.M ·· 1" f._ +-l-+--l-1--+-+--'l--I · 17 717' 1-1- ,__,__,_ ,_ - -1'-.K 1'1"' --r- ;::- -1--+--1-1--+-+-1-+-1--+---1---1---11 -,.~vr ,,f-,"1-+-

~::t=t::ll::t:i=:~'~~-~-·f4f''~f'f-5::f-~~f~'gf~~ti~ii~i~--j-=~1~-~~.:-:~~1-1+-~'.°'.:_~1---!-~=-t-~=-t···i=~!~--~-t·~~=-·t·~·+:_:c~1:-~t-:+

H++-llnlt.+-H-1-+-i-+-+r0,-*,.·..J....H-l-+-H-l--10,-,H-l--Hl-++H-l<J. ~ P• ~ ~~i 1 .::: : - --~ -- -~ ·-1--L- '""". :.-.-l ~ - ·- ---

Bild/Figure 1:

Bandpass Characteristic of a typical homogeneous Yagi Waveguide versus element spacing

called this structure a "wave channel" and its elements "wave directors" (I). It is important to note-that ID

uninterrupted Yagi structure is not an antenna. It does not radiate but conducts rf energy along the surface until it is either drained by a load or dissipated by internal loss.

Yagi Waveguides

Yagi's wave channels were homogeneous (all elements same size and spacing). Neglecting Joss, on an infinite or perfectly terminated waveguide of this or any other type eneigy flow is the same at any point and all element currcntli are equal. This condition is characteristic uf a travelling wave. The obvious conclusion is that to make it radiate the line must be made inhomogeneous. This can be done by either altering its parameters locally or, in the simplest case, disrupting it. For better understanding let us tab a look at the geometry of a Yagi waveguide. Length and spacing of the elements determine the phase velocity of the wave propagating on it. The wave becomes slower when elements grow longer, approaching ~ Closer element spacing also reduces the phase velocity. The high frequency end of the pasbanjl is determined by both parameters: when elements become self-resonant ( ~electrically) phase velocity is

DUBUS 4/1991 4


... ,l'-Tf' ' . ..

i

. ., ~------::....... ..... .._ -... o: .. a~.a

------tv."] ..... ' ' ' ~

""" .. , .. "' ' : ' " ' T .

' ~,, \ ' "':'' -

~-;o' I ' ' ·v "'·~ --'

I I i ' "( \

' i i

' ' ' , .. ,

\ i ·- . . ' \ \ .. , lJ.t \ \

I I i \ \ I

' \

:. '. i . . i '' \1 :U:Jii i \

' \

' 1 '

. \

~ i I : I !VOl.: . ' .

' I !

.

: "T I ! ' ' .. ' '

' -., ~ ~ " ·~1 ' . . " ' ' '

' ' J.i ' ' ....

• . ' .

. I

.---;-ti

-. : all' o.~~. o.<1. n.ic- ~ o ... , v.~

'

. --~d.}h.

Bild/Figure 2:

Phase velocity versus elements length and spacings

reduced to zero, they tum into 'reflectors', when the spacing reaches ~ propagation stops through loss of coupling. The low frequency end of the passband is less well-defined. As elements become shorter pha· se velocity rises, approaching the free-space value of c, the speed of light. At the same time it becomes harder to cou

ple energy into the line because the elements are too far from self ~nall(;C.

Artificial Diekddc

Another way to visualize the function of a Yagi structllrc is the analogy to a dielectric rod. The reduced phase velocity can be attributed to a dielectric constant ( refractive index ) greater than unity, the wave being guided by refrall&ioo in· to the "denser medium". Obviously this refraction ends when the dielecuic COllSWllS

of both media become equal, i.e. when the phase velocity on the line reaches the speed of light. There is a close aualogy between long Yagis 'and dielectric rod antennas. The arti· ficial dielectric model has an·

other interesting implication: characteristic impedance. The quotient of electrical and magnetical field strengths in free space is always equal to 377 Ohms, this value is called the characteristic impedance of free space. On the line the electrical field strength is reduced by a factor equivalent to the ratio of phase velocities, another way to explain why longer elements which cause a lower characteristic: impedal1<'1\ carry higher currents. This is important in connection with efficiency because practical elements have skin effect losses which rise with the square of the current.

Discontinuous Waveguides

Armed with all this theoretical knowledge let us now return to the original Yagi waveguide. Disrupting it leads to coupling into space a fraction of the energy flow determined by the ratio of characteristic impedances, the rest being reflected and travelling back to the source. A standing wave forms on the line, radiation happens at two places: the driven element and the end of the line. This situation is characterized

DUBUS 4/1991 s


by an even distribution ( apart from the standing wave ) of current amplitudes on the line • no energy is lost on the way. The resulting radiation pattern is rich in high sidelobes. Fig. 3 illustrates this behavior, it shows current c:listribution and radiation pattern of a Yagi structure with 25 identical directors.

Distributed Discontinuity

The shortcomings of the homogeneous design can be overcome by distributing the discontinuity - and thus the radiation - over the whole suucture through use of a tapered length/spacing profile. Optimized designs of this type show a steady decrease of element currents from the driven element on outward. There is very little reflection from the far end because the structure performs as an exponential line transformer to the charactemtic impedance of free space. Wideband low sidelobe performance results. Fig. 4 displays

currents and pattern of an antenna that has the same length and number of elements as the one in fig. 3 but which is dimensioned according to the DL6WU tapering scheme. As yet there appears to be no closed theory that links optimization criteria such as pattern purity, internal loss or feed impedance with the exact distribution of currents and phases. There is, however, an old theorem by Lo, Lee and Lee that calls for a monotoneous decrease of amplitudes and phase increments over the whole length to achieve maximum gain. So, when attempting changes to a design, it is very useful to have the current distribution at hand. Experience has shown that Yagis exhibiting a "ragged" current profile usually aren't good allround performers and that elements carrying abnormally high or low currents are first choice candidates for "surgery".

Yagi Optlmlzadon

The purpose of computer antenna modelling is almost always to find or verify an improved solution to a design problem. This means that all relevant performance data must be displayed. these include: gain (preferably with reference to some "figure of merit"), sidelobe level (not only the first but the whole panorama), FIB ratio (preferably referenced to the largest rear lobe). feed impedance (both components), efficiency (or internal loss resistance). These features are interdependent, maximum gain e.g. will not go along with extremely good values of any of the other criteria. A good modelling program should therefore inform the user of the compromizes he makes when trying for enhancement of some feature. It makes little sense to compare designs unless all of the above-mentioned data are displayed. Since gain is the

• most important figure, means of comparing it to one of practical gain curves should be available - there still is no theory which links maximum gain to the mechanical structure. Another point of great importance is the frequency dependence of all data, so provision must be made for altering or sweeping the operating frequency. To judge the effects of changes there should always be available data sets "before" and "after" for quick comparison. It hardly needs mention that design work is greatly alleviated by a user-friendly interface and good graphics but it should be just as clear that no serious work is possible at all if any of the essential data is not available or, perhaps even worse, only with dubious accuracy.

Limits of Optimization

It has been pointed out that no closed set of rules exist for predicting the optimum values of the diverse antenna features and their interdependence. There is, however, plenty of practical experience leading to clear conclusions.

• 1he pillofwelldesignedYagis hasbeendetmninedexperimenlal/yos: G{d/JD] • 7.m•(Ltwl) + 9.28

DUBUS 4/1991 6


O[dB] \ NECcll Simulatpn b DJ9W Res1 It: Ne rmal •ed 1 ~ain

-5

-10

-15

-20

-25

-30

-35

-40

-45

-50

Gain

0

--~ --------------~--· --· --· -- -- -- -- -- ~--~--

' ., 1~ .... . . . . ,: ~ ,.

" .! I\ I ~ I I : ~ f\ 1.~.

. '. I i :

" 'i

I

II\

lZimdth ·•••• •· :1eva~on

\

.. " . "

~ ! t ,•, Ir I 'I It I I I 11 I I I l• I I

: : : : \ ! t : :

"

Nam" :Hotnoge~eou~ Ya' Freq [MH ):43: .0 Gair [dBij :16.95

; \ ~-,

.l\ ; f\\J/ : . { \.

!i ' \I

... ; ' :(\ : ~ : ! : ••• 1 I I I I I I I 1 I o I I

: : 1

i: : : ,: I '1• .. " . '. '

'! /\ • " . " . " .. ! :

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

~-~---..-~--~~~~--~-(Oeg~-ree--aj~..,._--~~----~~~--~~ 11 I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

Bild/Figure 3:

Pattern and current distribution of a homogeneous Yagi

The prime goal of optimization attempts is gain • with the hope of conserving as many of the desirable secondary features as possible. Gain is related to the resultant current vector of the whole antenna as seen from the distant target. So, in some way, maximizing it always means making the element currents larger. Currents increase when the elements are spaced closer and when they llpproach resonance i.e. grow longer. In theory this works fine but it has adverse practical effects:

DUB US 4/1991 7


o [dB],_..."\-.....-.-------.-....---..-.....--.--...--.---.-..,.-N-EC...,.·-,ll-Si.,..1n-ula-1t.,..on-b-,...DJ--,9r-V--.

-5

-10

-15

-20

-25

-30

-35

-50

__ • \- _______________ . _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ Res1 It Ne rmal Zl!_d_ lain __

\

' ' ;,. I

.-• ;, • • •

;. .. : ', ,, f I f I t"' ' I : i I t t I I ·' I ~ I I I I I I ·'\

I l'I I o : I ~ . . ' : I ~

' :: ~ ' : •' •

I I I I I 1••

·:·:~:tl \ 1 • • ' t 1 i ~:i: .. : - 'I I I t . ~ ~ : : . "

' .

r , u:im1 Ith :Jevalion

'• .. I' ..

I ' t

" . .. : 'i . . 'I

.

Name :Ta iered Yagi Free (MH ]:43 .O Gair [dBi] :18. •2

/

J I

.. I~ ~ •

! : {~ ; : : I I 1 1 I I I I

: : I i \ : 11 • f I I . : : . ' :

I

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

[Degrees]

Bild/Figure 4:

Pattern and current distribution of Yagi with tapered directors (DL6WU)

lower characteristic impedance meaning lower feed impedance and higher ohmic losses. The latter are much more pronounced on VHF than on shortwaves because of the lower skin depth and the (many!) thin elements. In fact the high-frequency slope of the gain peak: is almost always determined by ohmic losses starting to eat up the gain. This is why simulation programs which do not aocount

DUBUS 4/1991 8


for skin effect give false results for height and frequency of the gain maximum. A rough estimate of the gain per length obtainable without critical side-effects is given by the DL6WU curve

Pattern For reasons of avoiding spurious radiation and noise pickup it is desirable to reduce sidelobes as much as p0ssible. In principle reducing sidelobe power means putting it in the main lobe but sidelobes cannot be reduced indefinitely. What is true for phased arrays applies to Yagis as well: maximum gain is obtained from an even distributon of power across the apenure and this automatically leads to a first sidelobe about 18 dB below the main lobe - analogous to the refraction rings around evenly illuminated optical apenures. All higher-order side and back lobes can (and should) be suppressed by 25 dB or better without affecting the forward gain.

Bandwidth

The maximum usable bandwidth of a Yagi antenna is always less than the passband of the underlying waveguide structure which is about 10% wide. Gain peaks somewhere within this margin leaving a practical gain bandwidth of 3 .. .5% between -1 dB points even for the longest arrays. This is uue on! y for tapered designs with very little end reflection. Homogeneous and other designs with high standing waves on the strucure may have a much lower bandwidth. The operating bandwidth is further reduced by the matching system to the feedllne. Towards the high·fR:quency edge of the gain curve the feed impedance drops sharply for the reasons discussed earlier. This necessitates a high transformation ratio whis is inherently narrow-band and lossy. So it is often advisable to stay slightly below the gain peak to secure uncritical wide-band performance.

Figure 5 shows an example for the statements given above. Displayed are the graphs for directivity (no losses). in graph a, power gain (including losses) in graph b and actual gain (power gain -matching losses) in graph c.

Self Optimimtion

Some antenna design programs have a self-optimizing feature. A thorough investigation of such tools is beyond the scope of this article, only a few general remarks can be made here. All optimizers currently available are inherently "nearsighted". They all use a steepest gradient algorithm, unless they are started on the slope of the highest hill they wilt invariably end up on top of some minor maximum. This danger is immense with multi-element VHF/UHF Yagis although results may be quite good on few-element HF beams where the number of variables is low. These progratnS can be helpful in finalizing a design th;lt is already close to optimum - another case for good handling qualities of design software because easy changes in the geometry and quick display of the consequences are necessities.

3.2 Performance Standards

To check the validity of a computer simulation or optimization it must be compared to generally accepted performance standards. This means, in effect, building the object in question and testing it on a precision antenna range. There are limits to the accuracy of such measurements· especially in the case of very long VHF/UHF Yagis which are invariably too large for anechoic chambers and must therefore be tested on open air ranges. The following sections should give an idea of the achievable precision.

Test Range Measurements

Unless special precision is required (like calibrating a gain standard) antenna measurements are made a.:-.cording to EIA 136. This standard imposes bounds on diverse parameters, e.g. on field homogeneity: the field must not vary by more than 0.5 dB throughout the rotation volume of the device under test. You

DUBUS 4/1991 9


will hardly find an amateur test range where this basic condition is met • or even checked. From own experience we estimate the accuracy of good professional outdoor range measurements as follows:

Gain ( compared to standard gain antenna ) Beamwidth and position of nulls os minor lobes Amplitudes of side and back lobes

0 .. lOdB down: 10 .. 20dB down: 20 .. 30<.IB down:

+I· 0.2dB +I· O.Sdeg

+I· O.SdB +/· ldB +/· 3dB

Anything more than 30dB below the main lobe is sheer guesswork. Feed impedance can easily be measured to 1 % or better.

Amateur Antenna Measurements

As pointed out in the introduction amateur measurements often differ widely from one another. There are many reasons for that. A good introduction to practical antenna measurement was given by Brown in QST ([lD. we will not repeat it here. However. the following checklist should help avoid some of the most dangerous pitfalls.

Field Inhomogeneity: caused mostly by insufficient distance from source and/or ground reflection. Results in incorrect gain and F /B readings.

Lateral field distortion: caused by glare from reflecting objects (buildings, masts, fences etc.) inadvertently illumina· ted by the source. Result in pattern distortion.

Instability: Drift of frequency, power, receiver gain, plotteroffset, ground reflectivity (rain! ), etc. Results in poor repeatability of measurements and pattern plots. Can in part be overcome by ratiometric measurement.

Nonlinearity: Deviation of amplifiers, meters, plotters etc. from specified response, mostly due to overload or insufficient SNR. Results in wrong readings and compressed patterns.

Calibration errors: Incorrect readings due to dubious gain standards. aged or mismatched attenuators etc.

Human error: Neglection of cable loss, mismatch, misalignment, and, and, and.

It would be unfair to state that amateur measurements approaching professional grade are downright impossible, many of the above-mentioned difficulties are pertinent to any type of antenna test work. But unless test site and equipment are checked carefully by repeated correct measurement of profeaaionally tested antennas and gain standards the results simply can't be taken seriously.

Calibrated Computer Simulation

For the reasons just discussed it is very difficult to verify "paper" data by measurement. The advent of NEC (Numerical Electrodynamics Code) in the early eighties ([2D raised hope of using this software as secondary standard. A copy was obtained through channels of the Research Institute of German Telecom and "tamed" by DJ9BV. The program which at that time could be run on mainframe computers only was

DUBUS 4/1991 10

Technical Reports; Yagi Simulation; CAD-Software for Evaluation and Development

put through a series of tests, carefully checking the results against antenna range measurements of known precision. These were available as a byproduct of DL6WU's earlier research at the institute mentioned above. The agreement of computed and measured data tumed out to be excellent. Gain and front pattern were reproduced with deviations well within the uncertainty of the open-air test range, frequency offset was less than 0.5%. Amplitudes and positions of major sidelobes were modelled to within ldB and 0.5deg, respectively. There was a slight tendency to overestimate the first sidelobes and growing inaccuracy toward the rear pattern. Feed impedance appeared to match within 5%. Some of the deviations may have been caused by imperfections in translating physical dime1111ions into computer input - element holden;, boom correction, dipole geometry, conductivity, etc. are difficult to model accurately. It is probably safe to say that these modelling errors are of the same order as the actual computation errors. In this light it may even be fairer to compare computation results among each other. At any rate, after critical examination, NEC can be recommended as a secondary standard. Its availability as PC software makes it an excellent and universally accessible basis of comparison, far superior to backyard or ham convention "measurements". If due care is taken in the conversion of dimensions the simulation results are comparable in quality to professional test range measurements and, another advantage, are 100% repeatable, universally. It should not be forgotten, however, that even the NEC data are not absolutely precise and that discussions about the last tenth of a dB of gain or the depth of a null are pure nonsense.

3. Yagi-Gnmdlagen: Funktionsweise, Entwurfund Messung

3.1 Strahlungmiechanismus

Struktur parasitirer Anordnungen

Wie im vorigen Kapitel gez.eigt, geniigt fiir die Berechnung der Strahlungseigenschaften einer Antenne die Kenntnis der Orte, Amplituden und Phasen aller darauf tlieBenden Strome. Man konnte also eine beliebige Anordnungvon Leitem, die von einem gespeisten Element erregt werden, als parasitlireAntenne ansehen und ihr Strahlungsverhalten ermitteln. Tatsiichlich isl die NEC-Software, von der noch die Rede sein win:!, zum Teil genau dafiir entwickelt worden; den EintluB beliebig angeordneter Leiter wie Kabel, Seile und Masten auf die Strahlungseigensohaften von (Schiffs-) Antennen zu bereohnen. Obgleich es sehr beruhigend ist zu wissen, daB jede erdenkliche Struktur analysiett werden konnte, hilt\ das dem Konstrukteur herzlich wenig beim ersten Entwurf. Ein genauerer Blick auf eine Yagi·Antenne uigt, daB

· diese scheinbar so cinfachc Struktur cine vcrwirrcndc An.uh1 von Parametern und Variablcu beiiilzt um! zum Verst!ndnis Grundkenntnisse der physikalischen Prinzipien erforderlich sind. Das gilt vor allem fiir lange Antennen dieses Typs; iiber kurze Yagis ist vermutlich genug geschrieben worden und es ist auch kein allzugroBes Problem, mit drei oder vier Elementen so lange zu jonglieren, bis ein optimiettes Verhalten erreicht ist. Wenn weitere Elemente hinzukommen, stellt sich aber bald heraus, daB nicht alles, was fiir k:urze Antennen gilt, auch bei langeu stimmt - etwas allgemeineres als die Element-fiir-ElementMethode wird benlitigt.

Die Langyagi·Anordnung

Wenn man in die urspriinglichen Veroffentlichungen von H. Yagi und S. Uda von ca. 1926 schaut, stellt man fest, daB sie eigentlich die LANG-"Yagianordnung" erfunden haben. Sie fanden, daB eine Leiter-Anordnung von lrnapp ¥2 langen Dipolen in weniger als ¥2 Abstand sich wie ein Wellenleiter verhilt und, wenn er unterbrochen win:I, wie eine Richtantenne. Die nannten diese Struktur "Wellenkanal" und die Elemente "Wellendirektoren". Es ist wichtig festzuhalten, daB eine Dicht unterbrochene Yagianordnung keine Antenne ist. Sie strahlt nicht, sondem leitet die HF-Energie lings ihrcr Oberflliche, bis sic entweder von einer Last aufgenommen oder durch interne Verluste aufgezehtt wild.

DUBUS 4/1991 11


Yagi· Wellenleiter

Yagis Wellenkaniile waren homogen ( alle Elemente gleichlang und in gleichen Abstiinden). LiiBt man die Verluste auBer acht, flieBt in einem solchen (oder jedem anderen) homogenen Wellenleiter an jedem Punkt die gleiche Leistung und alle Elementstrome sind gleich. Dieser Zlistand kennzeichnet eine Wanderwelle. Die Jogische Folgerung ist, daB man die Leitung inhomogen machen muB, damit sie strahlt. Das kann man durch lokale Anderung der Parameter erreichen oder im einfachsten Fall durch Abbruch der Lei tung. Zum besseren Verstiindnis sehen wir uns noch einmal die Geometrie einer Yagi-Leitung an. Liinge und Abstand der Elemente bestimmen die Phasengeschwindigkeit der sich darauf ausbreitenden Welle. Je linger die Elemente und je kleiner die Abstiinde werden, desto langsamer wird die Welle, ihre Geschwindigkeit wird zu null, wenn die Elemente """"nant werden, also elektrisch ~ lang - der bek:annte Effek:t des "Umschlagens" von Direktoren in Reflektoren. Damit ist die obere Frequenzgrenze des PaBbandes erreicht, falls nicht schon vorher die Abstiinde 1/2 Wellenllinge iiberschreiten, wodurch die Kopplung verloren geht. Die untere Grenze des Paflbandes ist weniger genau definiert. Wenn die Elemente im Verhiltnis zur Wellenllinge kiiraer werden, steigt die Phasengeschwindigkeit und nlihert sich der Freiraum-Lichtgeschwindigkeit c. Gleichzeitig wird es schwieriger, Energie in die Lei tung einzukoppeln und darin zu haltcn, da die Elemente zu welt voo der Re110nanz entfemt sind.

Kfinstliches Dielektrikum

Eine andere Erkliirung filr die Wirkungsweise einer Yagi-Struktur beruht auf der Analogie zu einem dielektrischen Stab. Man kann die reduzierte Phasengeschwindigkeit einer Dielektrizitiitskonstanten bzw. einem Brechungsindex gr6iler als eins zuschreiben; die Welle wird gefiihrt. indem sie zum "dichteren Medium" bin gebrochen wini Diese Brechung hOrt natiirlich auf, wenn die Phasengeschwindigkeit gleich der Lichtgeschwindigkeit win!, also beide Medien den gleichen Brechungsindex haben. Die enge Analogie zwischen Yagis und dielektrischen Stabantennen fiihrt zu einer weiteren interessanten Oberle· gung: Im freien Raum 1st der Quotient aus elektrischer und magnetischer Feldstiirke stets gleich 377 Ohm, dem Freiraumwellenwiderstand. Auf der "Leitung" ist er infolge der hOheren Dielektrizitiitskonstanten reduzicrt und zwar um einen Faktor, der dem Verhllltnis der Phasengeachwindigkeiten entspricht. Diese Betrachtungsweise erltliirt auch zwanglos, warum bei elektrisch linger werdenden Elementen, also niedrigerem Wellenwlderstand, die Strome anwachsen. Dieser Punkt ist im Zusammenhang mit den inncren Verlusten von Bedeutung, da ja auf praktischen Leitem Sldneffektverluste entstehen, die mit dem Quadrat des Stroms zunehmen.

Unterbrochene Wellenleiter

Mit einer ganzen Menge Theorie bewaffnet kehren wir nun zu den urspriinglichen Yagi-Wellenleitem zuriick. Es wird jetzt verstiindlich, warum an einer Abbruchstelle ein Teil des Energieflusses, der durch das Verhiltnis der Wellenwiderstiinde bestimmt wird, in den Raum abgegeben wird, wiihrend der Rest retlekriert wird und zum Erreger zuriick flieBt. Auf der Leitung bildet sich eine stehende Welle aus, Abstrahlung passiert nur an den zwei Disltontiouititen: am Strahler und am offenen Leitungsende. Auf der Leitung henscht abgesehen von der stehenden Welle eine gleichmliBige Verteilung der Stromamplituden, es geht auf dem Weg (auBer durch ohmsche Verluste) keine Energie verloren. Das resultierende Sttahlungsdiagnunm ist refoh an groilen Nebenzipfeln. Bild 3 illustriert dieses Verhalten, es zeigt Stromverteilung und Strahlungsdiagramm einer homogenen Yagiantenne mit 25 Direktoren.

Vertellte Diskontinuitit

Die Nachteile der homogenen Struktur lassen sich vermeiden, indem man die Diskontinuitiit und damit die Abstrahlung ilber die ganze Uinge verteilt. Man erreicht dies durch ein kontinuierlich gestuftes Profil der Elementlingen und Abstiinde. Auf einer optimierten Struktur dieser Art nehmen die Elemen~trome

DUBUS 4/1991 12


O[dB I NEC-II S mutation DY DJ9B\ ---- -.....

~~ Result: C ~in@F v. ..... -- ... -.:"':.:: .. .: .. .: .... ~- .. / .. _ ... ; ··-

/. .. .. ' ·· . ~

.. , . Type :Ti ~~

.. , ' . .. '

., .. . ··. . ·' ' , '

... , . ... , '

.. ~- . \ . , ' . •

I ' \\ /

.. , ' .. , .. ~ ' v- .. • ·, .. • . . ... ' .. ,

-0.3

-0.6

-0.9

' ' , ' '· . -1.2 , ' . , ' ' ' , , ' -1.5 ' ' ' ' ' '

-1.8 ' ' ' ' -2.1 ' ' ' ' -2.4

Oi ' - ,..._ ' ....... •.. Pew rer QSin '

Acllbal Gain ' . -.. - l

' -2.7

' ' ' ' -3.0

420.0 422.0 424.0 426.0 428.0 430.0 432.0 434.0 436.0 438.0 440.0 [MHz]

Bild/Figure 5:

TONNA-21 (Yagi for 432 MHz): Gain venus Frequency Graph a: Directivity D Graph b: Power Gain P = D ><'I ('I Efficiency)

Graph c: Actual gain = P x ML ( ML= 1 - ,')- )

vom Strahler an zum Antennenende hin stetig ab. Es tritt am offenen Ende k:aum Reflexion auf, da die Anordnung als Exponentialtran.~formator zum Wellenwiderstand des freien Raums wirlrt. Bandbreite und Nebenzipfelunterdrilckung wachsen immens. Bild 4 zeigt Strome und Diagramm einer Antenne, die gleiche Llinge und Elementanzahl aufweist, wie die in Bild 3, aber oach dem DL6WU-Profil abgestuft ist. Bis jetzt gibt es keine vollstlindige Tbeorie fiir die ZusammenMnge zwischen den Optimierunpkriterien wie Richtdiagramm, Wirkungsgrad und Speisewiderstand und der exalrten Verteilung der StrOme und Phasen. Es existiert allerdings eine alte Theorie van Lo, Lee und Lee, die fiir maximalen Gewinn von Liingsstrablem eine monotone Abnaiune der Amplituden und Phasendifferenzen iiber die gauz.e Linge

DUB US 4/1991 13


fordert. Deshalb ist es wichtig, die Stromverteilung angezeigt zu sehen, wenn man Veriinderungen an einem Entwurfvornimmt. Die Erfahrung hat gezeigt, daB Yagis mit einem zerkliifteten Stromprofil selten gute Allroundeigell!IChaften besitzen und daB die Elemente mit abnorm hohen oder nledrigen Stromen die ersten Kandidaten fiir "chirurgische Eingriffe" sind.

Optimieren von Yagi·Antennen

Modellrechnungen an Antennen dienen fast immerdem Zweck, eine verbesserte Uisung ftir ein Entwurfsproblem ru finden oder ru verifizieren. Das bedeutet, daB alle relevanten Oaten angezeigt werden milssen, niimlich Gewinn, Nebenzipfeldiimpfung (nicht nur der erste, sondem das ganze Panorama), Vor-RiickVerhA!tnis (am besten in Bezug auf den grdBten Riickzipfel), Speiseimpedanz (beide Komponenten) und Wirltungsgrad bzw. intemer Verlust. Diese Zahlen sind nicbt unabhiingigvoneinander, maxi maier Gewinn ist beispielsweise nicht vertriiglich mit extrem guten Werten der anderen Oaten. Ein gutes Simulationsprogramm sollte deshalb den Benutzer iiber die Kompromisse informieren, die er fiir die Verbesserung einer Gr6Be in Kauf nimmt. Es ist auch nicht sinnvoll, verschiedene Entwiirfe zu vergleichen, wenn nicht alle genannten Werte zur Verfiigung stehen. Der Gewinn als wichtipte Optimierungsgrol.le sollte zusitzlich im Vergleich mit einer der giingigen Gewinn-Liingen-Kurven angezeigt werden, da es noch teine gilltige Formel fiir den e!Zielbaren Maximalgewinn gibt. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Frequenzabh4ngigkeit aller Oaten, deshalb mu.6 die M3glichkeit bestehen, die Arbeitsfrequenz zu verschiehen oder zu wohheln. Um die AIL'IWirkung von Anderungen zu heuneilen sollten die Oaten •vorher" und "nachher" leicht vergleichbar zur Verfiigung stehen. Es bedarf kaum der Erwiihnung, daB eine benutzerfreundliche Bedieneroberfliiche und gute Graphik die Arbeit enorm erleichtem, aber es sollte ebenso klar sein, daB cine sinnvolle Optimierungsaibeit iiberhaupt nicht moglich ist, wenn auch nur einer der wichtigen Werte fehlt oder - vielleicht noch schlimmer • mit zweifelhafter Genauigkeit ausgegeben wird.

Grenzen der Opti.mierung

Wie schon gesagt gibt es keine endgilltigen Regeln fiir die Maximalwene der verschiedenen Kenngrol.len und ihre gegenseitige Abh4ngigkeit, es gibt jedoch so viel praktische Erfahrung, daB konkrete Aussagen m<>glich sind.

Gewlno: Das Hauptziel jeder Optimierung ist der Gewinn, immer in der Hoffnung, dabei moglichst viele der sek:undliren Ziele zu erbalten. Der Gewinn wird durch den resultierenden Stromvektor der ganzen Antenne aus der Sicht des entfemten Ziels bestimmt; ihn zu maximieren hedeutet immer in irgend einer Weise, die Elementstrome zu vergroBern. Die Strome erhohen sich tnit Annliherung an die Resonanz, also VerlAngerung, und durch geringere Abstiinde. Das funktioniert in der Theorie bestens, hat aber in der Praxis unangenehme Folgen: niedrigeren Wellenwiderstand und damit auch Speisewiderstand und hohere ohmsche Verluste. Besonders diese machen sich im UKW-Bereich welt mehr bemerkbar als auf Kunwellen, weil die Eindringtiefe kleiner ist und die (vielenl) Elemente diinner sind. Tatsiichlich wird die gemessene Gewinn·Frequenzkurve nahezu immer durch die Verluste eingeengt, die auf der hochfrequenten F1anke anfangen, den Gewinn aufzuzehren. Aus diesem Grund liefem alle Programme, die den Skineffekt nicht berilclcsichtigen, fals.che Wene ffir Frequen2: und Hohe des Gewinnmaximums. Eine grobe Absch4tzung des ohne kritische Nebeneffeltte e!Zielbaren Gewinns liefert die DL6WU·Gewinnkurve (s.u.).

• l>er' IDlpl!l'ilrumlltU enniltelle GewiM von DL6WU-Yagis folgt dlilr Gleic/rung: G [dBD] = 7, 773•LOG(L/WL) + 9,28

DUBUS 4/1991 14

Technical Repons: Yagi Simulation: CAD-Software for Evaluation and Development

Richtdiagramm: Zur Venneidung von Storstrahlung und -empfang ist es wiinschenswert, die Nebenkeulen so weit

wie moglich zu unterdriicken. Im Prinzip heiBt Reduzierung der Nebenzipfel mehr Energie in der Hauptkeule, aber das hat Grenzen. Bei Fliichen- und Aperturantennen fiihrt eine gleichmiiBige Verteilung der Strahlungsleistung iiber die gauze Fliiche zu maximalem Gewinn um! autumati1>eh zu einem ersten Nebenzipfel von -18 dB • analog zu den unvermeidlichen Beugungsringen in der Optik. Ahnliches gilt auch fiir Yagis. Wenn der erste Nebenzipfel weniger als 15 dB oder mehr als 20 dB unter der Hauptkeule liegt, 1st die Antenne mlt Slcherheit nicht optimal. Alie Nebenkeulen hoherer Ordnung sowie die Riickkeulen konnen ( und sollten ) auf -25 dB oder mehr abgesenkt werden, ohne den Gewinn zu beeintriichtigen.

Bandbreite: Die maximal nutzbare Bandbreite einer Yagiantenne ist immer kleiner als das DurchlaBband des zugrundeliegenden Yagi-Wellenleiters, d.h. etwa 10%. Innerhalb dieses Bandes erreicht der Gewinn sein Maximum, zwischen den· 1 dB-Punkten verbleiben auch bei den Jiingsten Antennen 3-5%, was allerdings our fiir gestufte Profile mit geringer Endreflexion gilt. Die Arbeitsbandbreite wird weiter eingeschriinkt durch die Anpassung an die Speiseleitung. Auf der hochfrequenten Seite der Gewinn· lrurve flillt der Speisewiderstand, wie schon erliiutert, schnell ab. Das erfordert ein hOheres Transformationsverhiiltnis, der Frequenzbereich wird kleiner und die Verluste gro6er. 'Trotz des geringfiigig niedrigeren Gewinns ist '" df'.~halh meist rat~am, di" Arht>it.sfrequenz etwas unterhalb des Gewinnmaximums zu legen. Es ist iibrigens ein lrrglaube, daB der Elementdurchmesser an all diesen Effekten nennenswert etwas iindert. Auch der Gewinn ist davon weitestgehend unabhlingig.

Wlrkungsgrad und Fu8punktlmpeclanz: Versuche, das letzte Zehntel-dB aus einer Yagi herauszuquetschen, fiihren unweigerlich zu hohen Elementstromen und niedriger Speiseimpedanz. Daraus resultieren erhOhte Skineffektverluste, die nicht nur den 0.,winn mimlc:m, ~undc:rn bei Luw-Nuhie-Anwendungen wit: EME zu zuslltzlichem Rauschen fiihren. 0.2 dB mehr ohmsche Verluste kllnnen leicht 1 dB geringere Empfindlichkeit des Systems verursachen! Die unerwiinschten Effekte der niedrigen Speiseimpedanz wurden bereits erwahnt. Als praktische Regel wird empfohlen, die ohmschen Verluste auto.I dH zu begrenzen und den Fu6punktwiderstand (an einem offenen Dipol) nicht unter 25 Ohm sinken zu )assen. "Optimierungen", die Speise- und Verlustwiderstand au6er acht !assen, sind Zeitverschwendung.

Die o.a. Zusammenhlinge werden beim Betrachten der Gewinnbandbreite einer TONNA-21 in Bild 5 belegt. Kurve a zeigt den Verlauf der Richtwirlrung ( ohne Verluste!) mit der Frequenz, Kurve b zeigt den Leistungsgewinn (beriicksichtigt die Verluste) und Kurve c zeigt schlieBlich den Leistungsgewinn abziiglich AnpaBverlust. Diese Kuiven wurden durch Simulation mil NEC-II gewonnen.

Automatische Optimierung

Einige Antennenberechnungsprogramme bieten eine Funktion "Automatische Optimierung" an. Eine griindliehe Analyse dicser Werkz.euge sprengt den Rahmen dieser Abhandlung, bier k.onnen nur ein paar allgemeine Bemerkungen dazu gemacht werden. Alie derzeit verfiigbaren Optimierer sind "kurzsichtig". Sie a.tbeiten nach einem Gradientensuchverfahren; wenn sie nicht bereits auf der Flanke des h0chsten "Oewinnberges" gestartet werden, Janden sie unweigerlich auf einem Nebenmaximum. Diese Uefahr ist bei vielelementigen UKW-Yagis extrem gro.6, auch wenn das gleiche Programm bei KW-Antennen mil wenigen Elementen (und Variablen) vemiinftige Resultate lief em mag. Optimierer konnen allerdings beim Feinschliff eines schon fast ausgereizten Entwurfs sehr hilfreich sein. Hier wird wieder deutlich, wie wichtig eine gute Benutzeroberfliiche fiir eine Entwurfssoftware ist, weil manuelle Eingriffe und schnelle Anzeige der Auswirlrungen erforderlich sind.

DUB US 4/1991 15

Technical Reports: Yagi Simulation: CAD-Software for Evaluation nnd Development

3.2 Leistungsvergleiche

Wenn man die Giite einer Simulation oder Optimierung iiberpriifen will, mu6 man sie mit allgemein akzeptlenen Bezugsdaten vergleichen. Im Prinzip miIBte man also die hetreffende Antenne autbauen und auf einer PrllzisionsmeBstrecke vermessen. Auch solche Messungen haben allerdings ihre Grenzen. Beispielsweise sind lange VHF/UHF· Yagis in aller Regel zu gro6 filr Abso!berhallen und miissen deshalb im Freifeld gemessen werden. Die niichsten Abschnitte sollen Anhaltspunkte filr die zu erwartende Genauigkeit geben.

Freifeldmessuogeo

Wenn Diehl besondere Anforderungen an die Genauigkeit gestellt werden, wie bei der Kalibrierung von Gewinnormalen, wird auf Antennenme.Bpllitzen nach der BIA-Norm 136 verfahren. Diese Norm Jegt Mindestanforderungen an diverse Parameter fest, so beispielsweise an die Feldhomogenitlit: weniger als 0.5 dB Variation im Drehvolumen des Me.Bobjekts. Man findet kaum eine Amateur-MeBstrecke, bei der diA<: Grundforderung erfilllt oder auch nur gepraft win!. AWi eigener Erfahrung 5Chiitzen wir die Genauigkeit, die bei guten professionellen Freifeldmessungen erzielt wird, etwa wie folgt:

Gewinn ( verglichen mit Gewinnormal ) 6ffnungswinkel und Lage von Nebenkeulen Amplituden von Neben· und Riickkeulen im Bereich

0 ... -10 dB -10 ... -20 dB -20 ... -30 dB

+/-0.2 dB +/-0.5 Grad

+/-0.5 dB +/-1 dB +/-3 dB

Details, die mehr als 30 dB unter der Hauptkeule liegen, konnen nur als Schiitzungen gelten. Der FuBpunktwiderstand kann leicht auf 1 % genau gemessen werden.

Amateunnessungeo

Wie bereits in der Einleitung erwllhnt, weichen Amateur-Antennemnessungen oft weit vonelnander ab. Dafilr gibt es viele Griinde. Eine gute Einfiihrung in die Antennemne.6pra:xis hat F. Brown in der QST ([1 D veroff'entlicht, sie soil hier nicht wiederholt werden. Die folgende Checkliste sollte aber helfen, die gn'lbsten Fehler zu vermeiden.

Felcllnbomogenltit: Wini meist durch ungeniigenden Abstand zur Signalquelle und/oder Bodenreflexionen hervorgerufen. Verursacht ungenaue Gewinn· und F/B-Werte.

Selt.Uche Felclvenerruna: Wird durch Reflexionen an spiegelnden Objekten wie Gebil.ude, Ziiune, Masten etc. erzeugt, die ungewollt von der Signalquelle mitangestrahlt werden. Ergibt verzerrte Diagramme.

lnatabllltlit: Drift von Frequenz, Signalleistung, Empflinger-Verstiirkung, Schreiber-Nullage, Bodenreflektivitiit ( Feuchtigkeit! ) etc. zeigt sich in schlechter Reproduziemarkeit von MeBwerten und Diagrammen. Kann zum Teil durch ratiometrische Me.Bmethoden ausgeschaltet werden.

Nlcbtllneerltit: Abweichung von Verstiirkern, Me.6instrumenten, Schreibern usw. von der angegebenen Kr:nnlinie, meist durch Obersteuerung oder ungeniigendes Signal·Rausch-Verhiltnis bedingt. Ruft falsche MeBwerte und gestauchte Diagramme hervor.

DUBUS 4/1991 16


Eichfehler: Fehlmessungen durch zweifelhafte Gewinnormale, alte oder fehlangepaBte Diimpfungsglieder o.li.

Menschliche Fehler: Nichtberiicksichtigung von Fehlanpassung, Kabeldiimpfung, Ausrichtfehler und, und, und.

Es wlire unfair, zu behaupten, daB Amateurmessungen mit fast professioneller Genauigkeit schlichtweg unmoglich sind, viele der bier geschilderten Fehlerquellen treten bei jeder Art von Messung auf. Aber wenn nicht die Me.Bstrecke und die Geriite durch sorgf3ltige Testmessungen, am besten minels professionell vermessener Antennen und Gewinnormale, mehrfach iiberpriift und ffir korrek:t befunden wurden, kann man die Ergebnisse nicht ernst nehmen.

Kalibrierte Computersimulation

Aus den genannten Griinden ist es schwierig, "Papierdaten" durch Messungen zu verifiziern. Das Erscheinen der NEC-Software (Numerical Electromagnetics Code) ([2]) anfangs der achtziger Jahre weckte Hoffnungen, dieses Programm als sekundliren MaBstab heranziehen zu konnen. Durch Kanlile des Forschungi>instituts der Deutschen Bundespost konnte eine Kopie dieses erstaunlicherweise nicht gehei · men Werkes beschafft und durch DJ9BV "geziihmt" werden. Das Prograrnmpaket, das seinerzeit nur auf GroBrechnern lauffiihig war, wurde dann einer Reihe sorgfliltiger Tests unterzogen. Dabei wurden die· Rechenergebnisse mit Metlplatzresultaten bekannter Genauigkeit verglichen, die als Abfallprodukt der friiheren Arbeit DL6WU's am genannten Institut vorlagen. Die Obereinstimmung erwies sich als hervorragend. Der Gewinn und die Hauptkeule wurden mit einer Genauigkeit reproduziert, die innerhalb der MeBgenauigkeit eines guten FreifelmeBplatz.es lag, Frequenzabweichungen waren geringer als 0.5%. Die Amplituden und Positionen der grc)Beren Nebenkeulen stimmten auf 1 dB bzw. 0.5 Grad mit den Messungen iiberein. Dabei war eine leichte Tendenz zur Uberschiitzung der ersten Nebenzipfel und eine deutliche Abnahme der Obereinstimmung mit steigender Winkelablage von der Hauptkeule zu beobachten. Die Speiseimpedanz zeigte Obereinstimmung auf ca. 5%. Einige der Abweichungen sind sicher damit zu erk:liiren, daB bereits die Ubersetzung der mechanischen Dimensionen einer Antenne in Computer-Input Fehlerquellen enthiilt - so sind beispielsweise Elementhalter, Boomkorrek:tur, Dipolgeometrie, Leitfiihigkeit nur schwer im Modell zu erfassen. Man muB vermuten, daB diese Obersetzungsfehler bereits in der gleichen GroBenordnung wie die intemen Rechenungenauigkeiten liegen. In diesem Licht besehen ware es moglicherweise sogar fairer, nur Computerergebnisse untereinander zu vergleichen. Auf jeden Fall kann nach dieser kritischen Untersuchung NEC als sekundlirer VergleichsmaBstab empfohlen werden. Da es inzwischeu auch als PC-Soflwaie erhli!Uich isl, stehl tlarnil cine wellweit einheilliche Ve1gleichsl.Ji1Sis zur Verfiigung, die jeder Hinterhof-oder Hamtagungs·"Messung" haushoch iiberlegen ist. Bei sorgfiiltiger Konversion der Eingabedaten sind die Ergebnisse von einer Qualitiit, die mit professionellen Messungen vergleichbar ist und, ein weiterer Vorteil, weltweit jederzeit 100% reproduzierbar sind. Trotz.dem sollte nie vergessen werden, daB auch die NEC-Berechnungen nur endlich genau sind und deshalb Streiterei um das letzte Zehntel-dB Gewinn oder die Tiefe einer Nullstelle unsinnig ist.

References/Literatur

(1] F. Brown, "Antenna Gain Measurements", QSf, November 1982, pp. 35-37 and December 1982, pp.27-31

[2] GJ. Burke, A.J. Poggio, "Numerical Electromagnetics Code (NEC) - Method of Moments", NOSC TD 116 , Vol.1: Program Description-Theory,Vol. 2: Program Description - Code, Vol. 3: Users's Guide, San Diego, January 1981

DUD US 4/1991 17



• Rainer Bertelsmeier; DJ9BV •• Gunter Hoch, DL6WU

(Part Ill)

4. Programmbeschreibung/Description of Programs

4.1. Bewertung'lgrundlagen fiir die Softwarequalltit

Um einen Vergleich derverschiedenen Programme zu ermiiglichen, wird ein Klassifikationsschema angegeben, in dem die relevanten Eigenschaften der Simulationsprogramme beschrieben werden. Damit wird ein Vergleich ihrer Eigen~chaften ermoglicht.

Die inhaltliche Beurteilung der Programme, d.h. der Vergleich der Simulationsergebnisse untereinander und in Relation zu MeBwerten folgt in Kapitel 5, Folge IV. Der Funktionsumfang beziiglich der Simulationsaufgabe wird in der Tabelle dargelegt. Die Erliiuterung der einzelnen Funk:tionen ist dort zu entnehmen.

Im Punkt Leistungsumfang werden maxi male Zahl der Elemente der zu simulierenden Yagi und die normierte Geschwindigk:eit angegeben. Falls die Methode eine segmentierte Momentenmethode ist, wird angenommen, daB pro Yagielement 10 Segmente zur Modellierung benutzt werden. Die Geschwindigk:eit wird an Hand einer 10 Element Testyagi ermittelt. Die Angabe erfolgt in Sekunden Rechenzeit.

• ••

Gluecksburger Str. 20, D-2000 Hamburg 50 Gerspren:zweg 24, D.fJJOO Darmstadt

DUBUS 1/1992 49

Zur Beurteilung der Softwarequalitiit unter Software-Engineering Aspek:ten sind folgende Punkte relevant:

1. Benutzerinterface 2. Funktionsumfang 3. Fehletbehandlung 4. Dok.umentation

4.1. Guidelines for the Evaluation oC Software Quality

For easy comparison of the different programs a classification scheme has been developed. All relevant properties of the programs are given in a table to allow quick comparison of features and functionality. But the validation of the programs in comparison to each other and real world measurements will be provided in Chapter 5, Part IV.

For comparison of simulation speed the calculation time is given for the case of a 10 element test yagi. In case of segmented moment method 10 segments are used per element (100 segments total). Time is given in seconds on a 16 MHz AT-386 with 387 copr=or.

The software quality will be evaluated according to the following main categories;

1. Userinterface

Yagi Simulation: CAD-Software for Evaluation and Development by DJ9BV&DL6WU

2. Functional Properties 3. Error Handling 4. Documentation

4.1.1 Benut7.erlnterface

Oas einfachste Benutzer-lnterface besteht darin, dem Programm die Simulationsaufgabe durch einen Eingabe-Datenfile mitzuteilen und nach Ab· lauf die Ergebnisse numerisch in einem Ergebnisfile einzusehen. Diese Art nennt man Stapelverarbeitung (Batch) und ist nicht Stand der Technik. Sie ist sehr schwierig zu bedienen und verlangt lange Einarbeitungszeiten des Benut:zers. Die numerischen Simulationsergebnisse sind zudem schwierig zu interpretieren.

Zeitgemii.Be Benutzerinterfaces sind interaktiv und meniigesteuert. Der Benutzer formuliert die Simulationsaufgabe in einer problemporientierten Darstellung am Bildschirm und erhalt die Ergebnisse ebenfalls problemorientiert. D.h. die Ergebnisse werden als graflsche Darstellungen (Rlchtdla· gramm, VSWR versus Frequenz, Gewinn versus Frequenz) dargestellt. Die Befolgung folgender Regeln macht ein interaktives Benutzerinterface gut:

• Die Meniis sind hierarchisch strukturiert. Man geht vom Allgemeinen zum Speziellen vor.

• Gleiche Oaten werden nicht mehrmals (in verschiedenen Meniis) erfaBt.

• Die Meniis sind adiiquat, d.h. sie enthalten einerscits nicht Eingabcfcldcr, die nicht zum Kontext gehOren. Andererseits ist eine unnotige Aufsplittung von Eingabefeldem, die zu einem Kontext gehOren, hinderlich.

• Jedes Menii oder Eingabefeld muS eindeutig verlassen werden konnen. Dazu gehO· ren Abbruch, Zuriickgehen und Weiterverzweigen.

• Die Bedeutung von Funktionstasten oder anderer speziellen Tasten darf sich in der Meniihierarchie nicht andem. Bedeutet z.B. <Escape> Abbruch einer Operation. muS das fiir alle Teile des Meniihierarchie gelten.

• Standardwerte (Defaultparameter) werden getrennt erfaBt und gelten allgemein solan-

DUBUS 1/1992 50

ge, bis sie ver.lndert werden. Sic sind nach Neustart des Programms weiterhin verfilg· bar.

• Die Navigation im Meniibaum erfolgt iiber Cursor-Tasten und Betiitigung der <Retum>-Taste oder besser iiber Anwahl mit

einer Maus und anklicken. • Eine Help-Funktion gibt dem Benutzer

Auskunft iiber die Eingabefunktionen des jeweiligen Kontext, in dem er sich gerade befindet.

• Benutzereingaben von Werten miissen auf Validitlit iiberpriift werden. D.H. falsche Zahlen oder physikalisch sinnlose Werte mii&~en zuriickgewiesen werden, um unn6-tige Programmlaufe mit fehlerhaften Dateil zu vermeiden.

• Bin Kontext-Speicher· Verfahren erleichtert die Navigation in Meniibiiumen. Das Sy· stem speichert jeweils die letzte Selektion in jedem Pull-Up Menii im Meniibaum. Das erleichtert die Bedienung bei Wieder· holungen sehr.

Die Ergebnisdarstellung erfolgt iiber Grafiken und nicht iiber Zahlenkolonnen • Ein Bild sagt mehr als tausend Worte·. Jedes Ergebnis, seien es Zahlen oder Grafiken, muS auf Papier gedruckt oder noch besser auch als Datei zur spateren Verarbeitung gesichert werden ki.innen.

4.1.1 User Interface

A simple user interface is a batch processing interface. The user edits a datafile, which contains the description of the simulation task, i.e. the yagi structure and the calculations requested. After run· ning the software the results are stored in an output file, where one will find the results in numerical form.

A more adequate user interface is based on a bit mapped graphics-screen, which is in use on PCs and workstations. It's interactive and menu driven. The user can input his data in a problemoriented way and will get the results on the screen. For technical problems the software will display the results in form of graphs. The case of yagi simula· tion requires plots of patterns, gain versus frequency and soon.


An interactive user interface should be program- wert ist die Ausgabe der Strombelegung med according to the following rules: der Elemente.

• Umgebung: M1ndestens .l'reiraum 1. The menus (screens) are structured hierarchally (Top down). When following the menu tree the user will proceed from general items to more detailed items.

2. Menus are adequate and not redundant: They provide or request exactly the information, which is needed in a certain problem context.

3. Each menu or input field can be entered, left and escaped with the same mechanism, for example special keys or function keys. The meaning of these special keys must not change over the whole menu tree.

4. Default values, which are relevant for a session, can be entered Separately and are valid for a session. They can be stored on disk for later use.

S. Navigation in the menu hierarchy is performed by cursor keys or mouse click selection and activation by typing the <Return> key and/or a highlighted character.

6. lo each menu the user can activate a help function, which gives advice for this speci. al context.

7. All value or number inputs from the uset

must be validated by the software. Wrong numbers must not enter the system.

8. All results have to be displayed in a problemoriented fashion. Graphs are better than numbers.

9. All results and input data can be stored on disk for later use or modification

10. All results and input data can be printed

4.1.2. Funktionsumfang

Der Funktionsumfang muB alle zur Problemstellung relevanten Funktionen umfassen. Bei der Problemstellung Yagi11imulation gehOren dazu:

• Geometric: Mindestens planare Yagis (Alie Elemente in einer Ebene) mit Di pol als Strahler. Wiinschenswert sind MehrfachReflektoren und Yagigruppen.

• Elektrische Parameter: Die Erniittlung des Richtdiagramms mindestens in der horizontalen und vertikalen Ebene, Ermittlung der internen Verluste und damit auch des Gewinns, Eingangsimpedanz. Wiinschens-

DUBUS 1/1992 51

4.1.2 Functional Requirements

The following functions are considered as minimal requirements for a yagi simulation software:

1. Specification of geometry: 2-dimensional structures with a dipole feeder

2. Simulation results: pattern. input impedance, losses, gain

3. Environment: free space

Valuable additional features are: 1. Geometry: 3-dimensional structures for

multiple reflectors and Yagi arrays 2. Simulation: current profile 3. Environment: conducting surface

4.1.3 Fehlerverbalten

Das Fehlerverhalten betrifft das Auftreten von fro.. grammfeblem (intern) und die Reaktion von Programmen auf feblerhafte Oaten.

Art und Umfang von Programmfeblern entscheiden iiber den Nulzen von Programmen. Jedes Auf· treten von Programmfehlem (Fal!!ehe F.~hniae

bei Testtilllen, Abbruch wegen Adressierungsfeh· ler oder nicht abgefangener Betriebssystemmel· dung, Totschleifen) gehOrt zu denAusschluBbedingungen, d.h. solche Programme sind nur von geringem Nulzen und sollten nicht eingesettt werden. Die Fehle!behandlung im Fall von fehlerhaften Oaten ist entscheidend fiir die Handhabung des Programms. Schlecht sind solche Programme, die bei falschen Oaten mit einem Betriebssystemfehler zwangsweise beendet werden oder sogar wegen Adressierungsfehler das Betriebssystem selbst zum Absturz bringen -1st nur bei DOS moglich, da DOS weder Speicherverwaltungs noch Speicherschutzmechanismen enthilt-. Gut sind Programme, welcbe die Eingabedaten bereits aufGiiltigk:eit iiberpriifen und bei Rechenfehlem (z.B. Division durch Null) eine Fehlererholuni (Exception Handling) durchfiihren, indem sie die Betriebssystemmeldung abfangen und dem Benulzer in lesbarer Form zur Verfiigung stellen, oboe das Programm abzubrechen.


4.1.3 EIT'Or Handling

Errors in software can arise because of internal program errors (bad programming) or handling of erroneous data.

It's required that the software is free from internal errors as addressing errors or deadlocks. Further it's required that the software performs an exception handling in case of data errors. In case of error dumb programs exit to the operating system level or go into a loop. Good programs with exception handling perform an error detection and interception. The cause of the error is displayed on the screen to inform the user and the program goes into its initial state.

4.1.4 Dokumentation

Die Dolrumentation soil folgende Informationen umfassen

1. Alie notigen Hinweise zur einwandfreien Installation

2. Aile ni'ltigen Hinweise iiher F.ingAheparnmeter und deren Bedeutung sowie die Bedienung der Meniis mit den Bedeutungen von spe7.iellen Ta.<;ten

3. Format von externen Dateien 4. Beispieleingabedateien und Beispielsimu

lationen 5. Darstellung des verwendeten Simulations

verfahrens 6. Grenzen des Simulationsverfahrens

Die Dolrumentation kann auch ONLINE , d.h. in Form von Help-Meniis im Programm vorhanden sein.

4.1.4 Documentation

The documentation should cover the following items'

1. Installation procedure 2. Description of the menu structure, all me-

nus and operation of the menus 3. Sample data files and sample simulations 4. Format of external files S. Description of the simulation method used 6. Limitatioos of the simulation method

DUBUS 1/1992 52

Documentation can be ONLINE in form of help functions.

4.2 KIBMifikationen/Classifications

4.2.1 NEC-II

NEC-II ist der Klassiker unter den Antennensimulatiomprogrammen und gleich2:eitig von der funktionalen Vielfalt und Genauigkeit der Verfahren her gesehen das beste Programm. Es wurde am Lawrence Livermore Laboratory fiir rein wissenschaftliche Zwecke zum Ablauf auf GroBrechnern entwickelt. Ein Benutzerinterface ist daher praktisch nicht vorhandeo, da cs fiir xeine Stapc:lverarbeitung konzipiert wurde. Man editiert die komplexen Eingabedateien, bringt das Programm zum Ablauf und anal ysiert die Ausgabelisten von Zah

l en. Diese anspruchsl~ und nicht interaktive Programmumgebung ist typisch fiir wissenschaftliche Programme der 80-er Jahre auf GroBrechnem. Fiir Laienbenutzer ist das Programm praktisch nicht geeignet, da die Einarbeitungszeit hoch und das notwendige Verstindnis fiir die Modellierungsauf· gabe hoch ist.

Die Vielfalt der Funktionen ist sehr hoch. Das gleiche gilt fiir die Dimensionalitit. Die Standardversion kann 300 Segmente und Oberflic:hen behandeln. Von DJ9BV wurde bei der Obenragung auf UNIX-Systeme diese Zahl auf 4096 erh6ht, so daB auch gi:0.6te Antennengruppen simullen wer· denk6nnen.

In 4 Jahren Arbeit mit diesem Programm sind in der Anwendung auf ca. 500 verschiedene Simulationsaufgaben (Yagis, Parabolspiegel, Feedhorner) keine erkennbaren Programmfehler aufgetreten. Daher kann das Programm in dieser Hinsicht aJs reifbetrachtet werden. Auch die Oberein.•timmung zwischen Messung und Simulation ist zumindest fiir Yagis sehr hoch.

Die Dolrumentation ist sehr umfangreich (900 Seiten ) und schlieBt sowohl die Bedienung, die physikalische Oruodlage der Verfahren, die verwendeten NaheNngen als auch den Programmcode ein.


Klasslfikation Antennensimulationsn ...... ramme Name NEC-II Version from 11.IV.1981 CDC7600, migrated to F77 UN-

IX from DJ9BV (Version 2/19871 Hersteller/Distributor NIA- Nicht verfiiabar Hardware SUN-3WS Conrocessor Yes Disnlav Adanter Yes Drucker/Printer Various Betriebssvstem/rm..ratim1 Svstem UNIX SUN OS 4.1 Sneiche · · 'emo"'' R""'· 1? Ml:I

Plattennlatzbedarf/Disk Snace 4MB Methode/Method: Moments Simulalions-Funktionen fYa<ris):

Geometrie 3-dim Multiole Reflektoren ves StrahlerJFeeder anv structure AnoaBlllieder/Matchinll anv structure Boomkorrektur!Rr..mmcorr. no Ya '.Arra"" ves

Umgebung/Environment free space, perfect and imperfect conducting surfa-ce <Sommerfeld F .

Elektrische Parameter Richtfaktor/Directivitv ves Richtdia~amm/Pattem 1ves

Skineffekt ves lm ..... .rlanz ves

Sonderfunkt./Speclal FUnctlons COordinate Transforms, Rings, Surface Patches, Networks, Transmission Lines, Coupling, Near Fields, Multiple Feedpoints, Loads, Frequency Sween

Leistun.,,.umfanalPeatures Max. Zahl der Elemente 400 < 4096 &e'"'""nts \ Geschwindiakeit/Sne.ed (sec) 35

Benutzerinterface/Userinterface Batch Parameterein1Z11helParam.-lnnut Batch Er1ZebnisdarsteUunaJT)jsnlav of Result Batch

Num. Erl!"enbisse/Numerical Results Batch Diallramm/Pattern Batch

Strombele011nll/Currents Batch Print Screen/Plot no Heln..Funktion no

Dokumentation Umfana fSeiten VPalles 900 Dalles -------Oualitlit/Oualitv excellent

Bekannte Pehler/Bugs no

DUBUS 1/1992 53


Die obigen Ausfiihrungen legen nahe, NEC-II zum Bewenungsstandard beziiglich der Simulationsqualitlit zu machen.

NEC-II is the most elaborate antenna simulation program today. lt.'s very powerful and rather accurate. It was developed during the seventies at Lawrence Livermore Laboratory in California. It's main purpose is to run on mainframes for scientific and military use. The rather simple user interface -batch type - is typical for scientific programs on mainframes. For amateurs this programs is rather complicated to use. The potentiiil user requires a substantial insight into antenna simulation problems and quite a long time to master the complicated input formats.

NEC-II has a lot of functions for general antenna simulation problems. Only a few of the available functions are needed for yagi simulation problems. The original version was programmed for a CDC-7600 computer and could handle 300 segments and surface patches. This is sufficient to model up to 30 yagi elements if 10 segments are provided for an element.

In 1987 DJ9BV migrated this software to a SUN-3

workstation, which runs a F77 compiler under the UNIX operating system. During this migration a modification of the internal data structures changed the maximum number of segments to 4096. This allows for the simulation of even the largest antenna systems.

After S YCllili of work with NEC-II not a single programming bug could be detected. Also the agreement between simulation and real world measurements proved to be very good.

The documentation consists of nearly 900 pages und describes not only the user interface with sample problems but also the code and the theory behind the code.

All these features enable NEC-II to be the simula-

4.2.2 NEC-81

NEC-81 isl eine Anpassung von NEC-II fiir die Verwendung auf PC's unter dem DOS-Betriebssystem. Wegen der engen Speicherbegrenzung von DOS mu6te der Platz fiir die lnteraktionsmatrix der Segmente auf 8100 ( entspricht maximal 90 Segmenten) beschriinkt werden. Werden mehr Segmente beniitigf, wird die Matrix auf die Festplatte ausgelagen. Das erh6ht die Bearl:leitungszeit um die Zeit fiir die notwendigen Plattenzugriffe. Die Maximalzahl fiir die Segmente betriigt 300.

Als zusiitzliche Funktionen gegeniiber NEC-II gibt es Helixantennen und diverse Ausgabeoptionen, u.a. auch ein geeignetes Ausgabeformat fiir Plotprogramme.

Durch die Anderung wurde auch ein Bug (Bekannter Programmfehler) generien. Er betrifft die Berechnung des Skineffekts fiir kleine Leitfilhigkei· ten. Diese erfolgt falsch.

Fiir die Bedienung gilt das bei NEC-Il gesagte. D.H. das Programm ist fiir Laien praktisch unbedienbar.

NEC-81 Is a migration of NEC"II to the DOS operating system using a Microsoft FOIITRAN compiler. Because of the severe limitations in memory space only 90 segments can be allocated in memory. Above this number (up to 300) a software paging uf the interdctiun matrix onto the disk is

activated. This takes quite a lot of time.

New functions in comparison to NEC-II are models for helix antennas and some output options, which are helpful for external plot programs.

Because of a programming mistake during the migration a bug has been generated. Skin losses are not calculated accurately if the conductivity specified is below a cenain value. This programming bug could be debugged and fixed by DJ9BV, but is not fixed in the distribution versions of either NEC-PC from K6STI or from ACES.

tion quality standard and serve as the comparison The user interface is the same as with NEC-II. It's standard for more simple programs. nearly unusable for amateurs.

DUBUS 1/1992 54

Yagi Simulation: CAD-Software for Evaluation and Development by DJ9BV &DL6WU

Klasslftkadon Antennenslmuladonsnrnnramme <Classlfkadon) Name Version Hersteller/Distributor

Hardware Conrocessor Di-lav Adanter Drucker/Printer Betriebssvstem in....ratino Svstem 5""'ichelbeda"llVlemorv R..,,.

Platten,..latzbedarf/Disk Snace Methode/Method: Simulations-Funktionen t'Yanic\: Sonderfunkt.ts~hial Functions Leistun~umfanglt:eatures

Max. Zahl der Elemente/No. of El.

Geschwindiokeit/S-ed (sec) Benutzerinterfacen Tserinterface Dokumentation Bckanntc Fchlcr/B)Jgli

4..2.3 NEC-PC

NEC-PC wurde von K6STI aus NEC-81 abgeleitet (auf 600 Segmente erweitert) und um einen Pre· processor fiir die Dateneingaben sowie einen Post. processor fiir die Ergebnisdarstellung erweitert. Der Preprocessor YN.EXE konvertiert Datenfiles (* .yag), die von dem interaktivem Programm YO erzeugt wurden, in das Eingabeformat fiir NEC-81. Damit sind die Eigenschaften der leichten Definition von Yagis, die mit YO gegeben sind, auch fiir NEC-81 nutzbar. Der Postprocessor NP.EXE liest das komplexe Ausgabeformat von NEC-81 und wandelt es in ein 1''ormat um, das von der Grafikausgaberoutine PLOT.EXE interpretiert werden k:ann.

Damit wird zwar aus NEC-81 kein interaktives Programm, aber trotzdem sehr einfach bedienbar, da es die in YO vorhandcncn MOglichkeiten der einfachen Datenein· und ausgabe nutzt. Weiterhin ist damit auch NEC-81 als Verifikator fiir MN oder YO nutzbar, da diese Programme ungenauer als

NEC-81 simulieren.

DUBUS 1/1992

NEC-81 NEC-81from26.XIl.89 flncludes Source) Public Domain: ACES (Parts of NEEDS2.0 pack:a· lne\ AT Ives

DOS 540kB 2MB Moments see NEC·II See NEC-II

30 (300 segments) standard. Special Versions up to 1280 se""'ents 50 See NEC-II SeeNEC·II Wrong calculation of skin l~ for small conduc-tivities of the material

55

Der Nachteil der Verwendungvon YO als Frontend ffir die Dateneingabe besteht darin, daB auoh alle Beschrinkungen von YO fiir NEC-PC giiltig sind. D.h. es konnen nur planare Yagis (2-dimensional) ohne Mehrfachreflekloren dargestellt werden. Desgleichen konnen Sonderformen wie Logperiodic·Antennen, die ohne weiteres von NEC-PC si· mulien wen:len kOnnten, nicbt dargestellt werden.

NEC-PC Is a modification ofNEC-81 by K'8TL He added a frontend to convert datafiles which are compatible with YO and MN (• .yag) into NEC· format and a postprocessor which converts NECoutput file into the input format of his plotting utility PLOT.EXE. This converts NEC-81 into an easy facility to verify results from YO or MN.

Because the YO-editorisusedtogeneratethe •.yag files the same restrictionsofYOwhicb apply to the geometry of yagis(2-dimensional etc.) also apply to NEC-PC. But if you know the input format of NEC-81 you can use all facilities of NEc-81 of course.


KlassiDkation Antennenslmulationsnmoramme <Classification) Name Version Hersteller/Distributor

Hardware rnnrocessor 11icn)~v Adaoter Drucker/Printer Betriebssvstem/OnPratin11 Svstem S~icherbedarf/Memo"' Rea. Plattenolatzbedarf/Oisk Soace Methode/Method: Simulations-Funktionen <Yai.ris ); Sonderfunkt./Snecial Functions Leistunosumfanomeatures

Max. Zahl der Elemente/Max. No. of El. Geschwindi"""it (sec)

Benutzerinterface/Userinterface

Parameterein2abe/Param.-Inout Eroebnisdatstelluno/()iimlav of Result

Num. EraenbisselNumerical Results Dial!:famm!Pattem Strombelem•n.,/Currents

Print Screen/Plot Heln-Funktion

Dokumentation Umfan2 lSeiten \IP32es 0.1aJitlit1nnalitv

Bekannte Fehler/Bugs

4.2.4 RADICAL

Meniistruktur:

Der Toplevel der Meniistruktur ist problemgemiB. Der eingebaute Editor ist Jeider konfus strukturiert und selu umstlindlich zu bedienen. Die Wcrte f"w die Geometrie, Elementliingen, -durchmesser, -abstiinde oder -positionen werden in getrennten Un· termeniis erfasst. Das verwim nur. Der Bildschirm eines Untermeniis wird nicht immer bei Verlassen des Untermeniis geliischt, so daB der Bildschirm optisch iiberladen wird. Das ist fiir die Bedienung sehr ungiinstig.

lst die Rechnung einmal gestartet, kann sie nicht mehr abgebrochen werden.

DUBUS 1/1992

NEC-PC NEC-2V1.03 Brian Beezley, K6STI, 507-112 Taylor St., Vtsta, CA92084 AT ves Hercules. EGA VGA Needle HP-Laseriet DOS S40KB 2MB Moments See YO (Limited bv Conversion Utilitv YN.EXE) See YO

SeeY0(50) 53 See YO for data in/-output, but Batchoriented else· where See YO See YO screen/tile ves no ves no

10 oood SeeNEC·Sl

56

Die grafischcn Darstelluogco weisco zum Teil Fehler in der Achsenbeschriftung auf.

Funktionen:

In den Ausgabeparametem fehlt die Eingangsim· pedanz. Weiterhin fehlt die Ausgabe der Strombelegung, ein wichtiges Hilfsmittel zur Beurteilung von Yagidesigns. Yagigruppen tronnen nicht gerechnet werden. Aile Elemente miissen gleichen Durchmesser aufweisen. Das ist eine unrealistische Einschriinkung.

Fehlerverhalten:

Fehlerhafte Oaten werden abgefangen. Es gibt praktisch keine MOglichkeit das Programm zum Crash zu bringen.

Yagi Simulation: CAD-Software for Evaluation and Development by Di9BV &DL6WU

Klasslfikatlon AntennensimulntionsnmanimmP. {Clns~lfic9tion) Name Version Hcrstellcr/Distributor Hardware Conrocessor Disnlav Adanter Drucker/Printer Betriebssvstemtl1neratinu Svstem S""icherbedarf/Memorv Rea. Plattenolatzbedarf/nisk Soace Methode/Method: Simulations-Funktionen (Ya1ris\:

Geometrie Multinle Reflektoren Strahler/Feeder Anoa62Iieder/M atchin2 Boomkorrektur/Bommcorr. Yal!i l!Tlltmen/ Arra vs

Umaebun.,.rr:;nvironment Elektrische Parameter

Richtfaktor/Directivitv Richtdiaaramm/Pattern Skineffekt Im,,..nanz

Sonderfunkt./S,,..cial Functions Leistunm:umfanolPeatures

Max. Zahl der Elemente/No. of EL Geschwindi ukeit/S,,..ed< sec)

Benutzerinterface/Userinterface ParametereinizabelParam.-lnnut Er<'ebnisdarstellun"'tnisnlav of Result

Num. Er2enbisse/Numerical Results Diaaramm !Pattern Suumbele!luniu'Current:;

Print Screen/Plot Hel"-Funktion

Dolcumentation Umfan11 rseiten )/Pa2es Oualitiit/Onalitv


Dokumentatlon:

Die Dokumentation ist v<illig unzureichend. Weder die Bedienung noch das Verfahren sind nur ans1112-

weise ausreichend dokumentiert. Besonders my-

Oll'RU5; 1/1992

RADICAL 1.12 Yoshivuki Takevasu JA6KXO Yokohama AT w I and w lo (Mit und ohne) EGA Needle DOS < SOOkB 400kB Modified method of moments from D. Pozar

2-dim no dinnle no no no Free snace

ves ves ves no GIT-ratio

38 7 sec Interactive. Menudriven Inbuilt Editor Screen Screen Screen Granh Vektunlia11:ram

ves no

6

noor no

57

steri<is erscheinen die Ergebnisse fiir die Verluste und die Rauschtemperatur der Antenne. Weder das Verfahren noch die zugrunde!iegende Annnahmen


iiber Himmelstemperatur oder Materialkonstanten wie Leitfiihigkeit sind erwahnt.

Menu Structure:

The top level of the menu tree is adequately structured. The inbuilt editor is difficult to operate and does not have a clear structure. Parameters to specify a yagi are scattered over several submenus. Also the input mechanism is very uncomfortable. The output graphs show errors.

Functions:

The ouput parameters calculated are lacking the input impedance No current profile can be displayed. No arrays can be simulated.

Error handling:

Erroneous data is checked. No crashes have been observed.

Documentation

The documentation is insuffcient. Neither operation nor the simulation technique is described. Escpecially mysterious is the calculation of values for noise temperature and GIT. No secondary in· formation is given.

4.2.S YAGIMAX

Meniistruktur:

Die Meniistruktur ist !eider nicht suggestiv und etwas verworren. Z.B. liegen Ausgabeoptionen wie die Alternative zwischen Polar· und Kartesi· scher Darstellung auf einer Ebene wie der Start der Simulation. Die Eingabe von Oaten ist nicht konsistent realisiert. Mal muB man die Zahleneingabe mit <Return> quittieren • das ist verniinftig ·, mal erfolgt die Aktion direkt nach der Eingabe einer Ziffer • das ist unverniinftig, da man Eingabefehler nicht mehr korrigieren kann - . Gut ist die Moglichkeit, ein Design zu skalieren.

Der Eingabe-Editor ist sehr gut: Alie zusammengehorigen Parameter der Geometrie sind auf einem Bildschirm und konnen gemeinsam editiert werden. lnline-Edit ist vorhanden.

Der Simulationslauf kann nach dem Start nicht abgebrochen werden.

DUBUS 1/1992 58

Funktionen:

Da keine Verluste gerechnet werden, ki:innen die entscheidenen Probleme bei Hochgewinnyagis, nllmlich der ausgewogene KompromiB zwischen hohem Richtfaktor und noch niedrigen Verlusten, nicht mit diesem Programm gelost werden. Weiter-

' hin fehlt die Ausgabe der Strombelegung, ein wichtiges Hilfsmittel zur Beurteilung von Yagidcsigns. Die Berechnung von Yagigruppen erfolgt iiber die phasenrichtige Multiplikation der Einzeldiagramme. Das ist nur eine Nllherung, da nicht die gegenseitige Verstimmung durch Verkopplung der Elemente erfaBt wird. Eine einfache Optimierungsfunktion kann einzelne Elementlangen auf Gewinnmaximum optimieren.

Wegen der fehlenden Funktionalitlit kann das Programm fiir ernsthafte Yagisimulationen nicht genutzt werden. Vom Gebrauch wird abgeraten.

Fehlerverhalten:

Fehlerhafle Oaten werden abgefangen. Es gibt praktisch keine Moglichkeit das Programm zum Crash zu bringen.

Dokumentation:

Die Dokumentation ist sehr sparsam und vi:illig ungeniigend.

User Interface:

The structure of the menu hierarchy is not clear or suggestive. The input of data is not handled in a consistent manner. One of the few good items is the structure editor.

Functions:

Because losses are not calculated, the real problem of high gain yagis on VHF /UHF, i.e. the tradeoff between losses and directivity, cannot be tackled. No current profile is available. The missing functions don't recommend this program for Yagi simulation.

Error Handling:

Good checking of wrong numbers. No crashes have been observed.


Klasslfikation AntennenslmulatlonsonJ1!ramme <Classification) Name Version Hersteller/Distributor Hardware Coorocessor Disolav Adaoter Drucker/Printer Betriebssvstem/On..ratin!! Svstem S""icherbedarf/Memorv Rea. Plattennlntzbedarfll"\isk Space

Methode!Method: Simulations-Funktionen <Ya!!is):

Geometrie Multinle Reflektoren Strahl er/Feeder AnnaBalieder/Matchinl! Boomkorrektur!Bommcorr. Ya n/Arravs

Um!!ebunolPnvironment Elektrische Parameter

Richtfnktor/Directivitv Richtdiauramm/Pattem Skineffekt lmoedanz

Sonderfunkt./S""cial Functions Leistun.,,.umfano!Peatures

Max. Zahl der Elemente/No. of El. Geschwindi okeit/S""ed r sec)

R.-nutzerinterface/Userinterface ParametereinszabelParam.·lnout Ernebnisdarstellunarnisnlav of Result

Num. Enzcnbissc/Numerical Results Diairramm/Pattem Strombele011nt1/Currents

Print screen/Plot Heln-Funktion

Dokumentation Umfansz (Seiten )/Pa!!es Oualitat/Oualitv


4.26 YAGIANALYSIS

Meniistruktur:

Die Menustruktur isl iibersichtlich nach Problemgruppen geordnet. Jedes Eingabefeld kann editiert

DUBUS 1/1992

YAGIMAX 2.15 Lew Gordon. K4VX. Public Domain AT w/ and w/o <Mit und ohne) EGA/VGA Needle DOS 4 and hi2her <500KB <lMB lm"*'danzmatrix

2-dim no dinnle

··-

no no ves (1-R va<ris) Free Soace

vcs

ves no ves

.. --------------,c-,--,.-

45 4 sec Menudriven. interactive Inbuilt editor Screen Screen Screen Granh no ves no

3 bad no

oder abgebrochen werden. Die Navigation im Me· niibaum erfolgt iiber eine Maus. Help·Funktionen sind fiir die Untermeniis vorhanden. Die Bedeu· tung von Kommandos bleibt innerhalb der Menustruktur konstant. Standardwerte werden in einem getrennten Menii erfaBt. Dazu gehOren MaBein·

59


Klassifikation Antennensimula tionsorooramme (Classification) Name Version Hersteller/Distributor

Hardware C'nnrocessor Disolav Adanter Drucker/Printer Betriebssvstem/nn..ratina Svstem "'-icherbedarf/Memorv Rea. Plattenolatzbedarf/Disk Soace Methode/Method: Simulations-Funktionen <Yagjs):

Geometrie Multiple Reflektoren Strahler/Feeder Anoa8ol; eder IM atchim:r Boomkorrektur/Bommcorr. Ya-'-·--nJArravs

Um2ebun11/Environment __ gJektris<;i)e Parameter

Richtfaktor/Directivitv Richtdiaaramm/Pattem Skineffek:t Im,.,.,danz

Sonderfunkt./S,,...dal Functions Leistun.,sumfaniz/Features

Max. Zahl der Elemente/No. of El. Geschwindiul<eit/S~ed (sec)

Benutzerinterface/Userinterface Parametereingabe/Param.-Inout Eraebnisdarstellunolnisnlav of Result -

Num. Ernenbisse/Numerical Results Dia11ramm/Pattem Strombele011n~Currents


Dok:umentation Umfano <Seiten\IPa<>es Oualitiit/Onalitv

Bekannte Fehl er/Bugs

heit, Reflektorstruktur, Boomkorrekturan und die Art der Eingabe der DirektotpOSitionen und zwar wahlweise Abstand oder Position. Die Geometric wird nicht in einem Menu erfa8t. sondem in zwei

DUBUS 1/1992

YAGIANALYSIS 3.0 Beta 2 SG Software, Box 179, S-92300 Storuman, Swe-den AT ves Hercules. CGA VGA Needle DOS < 'iOO KB

<500KB Moments with intemal segmentation

2 1!.2 dim ves dinole. folded dinole no 'Yes (NBS and DL6WU) ves Free Soace

ves ves ves ves Sweeo

38 25 sec Menudriven. interactive Inbuilt editor Screen Screen Screen Granh Screen Graoh

1ves .

no

11 medium no

getrennten fiir Reflektor und Speiseelement sowie in einem Direktorrnenii getrennt nach Langen und Abstand.

60


Das Reflektor/Driver Menii ist dreifach vorhanden und somit redundant. Das ist verwirrend und umstandlich. Aul3erdem milssen zwei Menils bedient werden, um die Direktorlangen und -abstii.nde zu erfassen.

Nach dern Start kann ein Simulationslauf nicht abgebrochen werden.

Funktionen:

Aile notwendigen Funk:tionen sind vorhanden. Die Berechnung von Yagigruppen erfolgt iiber die phasenrichtige Multiplikation der Einzeldiagramrne. Das ist nur eine Nliherung, da die gegenseitige Verstirnrnung durch Verkopplung der Elemente nicht erfa.Bt wird.

Feblerverhalten:

Fehlerhafte Oaten werden nicht abgefangen. Starlet man das Programm, ohne Oaten einzugeben oder zu laden oder mit falschen Oaten, erfolgt ein Programmabbruch. Es erfolgt kein ExceptionHandling auf Prograrnmebene, sondern das Prograrnm muB neu gestartet werden. Bei der Oaten· eingabe ist die Reihenfolge wichtig. Wlihlt man zuerst das Untermenii 'Boomcorr', erfolgt ein Prograrnmabbruch. Aktiviert man die 'PRINT SCREEN' Funktion, ohne da/3 der Drucker ONLINE ist, geht das Programm in eine Schleife.

Oas Fehlerverhalten ist vlillig ungenogend.

Dokumentation:

Die Dokumentation ist sehr sparsam. Die Installation ist ausreichend beschrieben. Die Bedienung ist einfacher durchVersuch und Irrtum als durch Lesen der Dokumentation zu lemen. Sie enthlilt keinerlei Angaben iiber das verwendete Verfahren und seine Genauigkeit b:i:w. Orem:cn. Nur die Art der Boomkorrektur ist dokumentiert. Die zugehiirigen Datei· en werden nicht im Format beschrieben. Aul3erdem wird nicht zwischen Ergebnis- und Vorgabedaten getrennt. Das ist sehr ungeschickt und unstrukturiert. Beispielsimulationen sind vorhanden.

Handling:

Der Kopierschut:i: der gelicfertcn Diskette verlangt, daB zum Betrieb des Programm dauemd die

DUBUS 1/1992 61

Originaldiskette vom Rechner lesbar sein muB. Das ist keine elegante L.Osung.

User Interface:

The menu tree is well structured. The meaning of special keys is consistent. lnline edit functions are realized. A mouse helps navigation very much. Weak point are the redundant menus for reflector and driven elements (3 times !) and the splitting of the structure editor into separate menus for length and distances.

Functions:

All necessary function are realized. The current profile can be displayed. Multiple reflectors and yagi arrays are supported.

Error Handling:

Erroneous data is not checked. Wrong data or wrong handling leads immediately to a crash. If you activate the PRINT SCREEN function and the printer is not ready the programm loops. There is no exception handling: all errors result in crashes. The error handling is not acceptable and makes operation of the program annoying.

Documentation:

Documentation is sparse. There are no informations about the simulation technique nor the limit· ations of this technique.

Handling:

Copy protection requires the insertion of the original diskette. This not elegant and annoying.

4.2.7MN

MN ist kein eigenstlindiges Simulationsprograrnm, sondem im Grunde nureine Benutzeroberfliiche fiir MININEC3. Daher weist es beziiglich der Simulationsqualitiit die gleichcn l..eistungs· merkmale wie MININEC3 auf, ist aber wegen seiner Benutzeroberfliiche auf Yagisimulatlon beschrllnkt, obwohl MININEC3 beliebige Strukturen simulieren kann.


Klasslfikation Antennensimulationsorouramme fClassification) Name Version Hersteller/Distributor

Hardware Conrocessor Disnlav Adanter Drucker/Printer Betriebssvstem/IHv>ratinu Svstem s-Aicherbedarf/Memo-· RA~. Plattennlatzbedarf/Disk Soace Methode/Method: Simulations-Funktionen fYa<>is): Sonderfunkt./S,,..cial Functions Leistunm.umfan,,roeatures

Max. Zahl der Elemente/No. of EI. Geschwindi "lreitts~ed r sec\

Benutzerinterface/Userint~rfa_~_ _ ------------------------------------~-----

Parameterein crabelParam. -Innut Eroebnisdarstellun"rnisnlav of Result

Num. Eroenbisse/Numerical Results Dia.,,.,.ammlPattem Strombele~·n"'Currents

Print Screenll>lot Heln-Funktion

Dokumentation Umfano fSeitell)/Paoes n.' ali tii tf ()11 ali tv


Meniiltruktur:

Das Menu ist nicht interaktiv, d.h. man editiert einen Yagi-Spezifikationsfile, der dann zur Ausfiihrung gebracht wird. Die Ergebnisse kann man sich auf dem Bildschirm ansehen. Ein Editor fiir die Eingabedaten wird mitgeliefert, kann aber <lurch einen beliebigen Texteditor ersetzt werden. Der Editor jedoch erlaubt die einfache Spezifikation von Yagistrukturen und hilt damit das komplizierte Eingabeformat von MININEC vom Benutzer fem. Fehlermeldungen werden erst bei der Obergabe der Dateien an MININEC erzeugt und sind so unspezifisch, da5 es oft einige AnUlufe braucht, bis die Struktur akzeptiert wird. Das Hauptmenii ist gegeniiber MININEC leicht erweitert und erlaubt die Eingabe von Frequenzbereichen und -schritten.

DUBUS 1/1992

MN 3.54 Brian Beezley, K6STI, 507-1/2 Taylor St., Vista, CA92084 KI wt and w/o fMit und Ohne) HGC CGA EGA VGA Needle DOS 512 KB

Moments fUnderlvin!! Pro"""m is MININEC3) See MININEC 3 See MININEC3

13 f26 for svmmetrical antennas)/127 nulses) 180 semi-interactive Datafile with editor Screen Screen and outnut file Screen Granh Screen Granh and file ves no

35 oood Systematic Frequency Offset (ca. 0.8 %)

62

Funktlonen:

Die Grundfunktionen sind die gleichen wie bei MININEC, das jedoch in seiner Originalform wenig anwenderfrcundlich ist. MN erlaubt ein erbeblich vcreinfachtes Eingabeformat und die Speichcrung der Dateien fiir Korrek:tur und Wiederverweodung. Die VIEW-Funktion zeigt nicht die Liste der Koordinaten wie bei MININEC, sondem eine (drehbare) Projcktion des Anteoncnmodclls. Die graphische Ausgabe der Diagramme entspricht der von YO und NEC PC. Die Ausdrucke der Polar· dlagramme erscheinen auf den meisten Druckem oval. Da Skin-Verluste nicht gerechnet werden konnen (ist nur iiber den Trick der Einfiigung von Widerstandslasten bei MININEC3 moglich) und wegen des systematischen Frequenzfehlers von ca.

Yagi Simulation: CAD-Software fur Evaluation aml Dcvclupmcnl by DJ9BV&DL6WU

1 % bei VHF-Yagis ist MN fiir die Simulation von optimierten Yagis problematisch.

Fehlerbehandlung:

Fehlerhafte Eingabedaten werden mit einer meist wenig aussagekrliftigen Meldung abgewiesen. Ab· stiirze wurden nicht beobachtet.

Dokumentation:

Die Dokumentation ist umfassend und enthiilt zahlreiche Beispiele und Tips fiir die Installation.

MN is not 11 slmul11tlon software in its uwn right but rather a user interface for MININEC.

Menu Structure:

The menu is not interactive but simple and straightforward. An editor is provided but any other text

editor could be used. This means that there is no help given in structuring the dimension file. Rather unspecific error messages arc generated when the files are handed over to MININEC and it may take several round trips to the editor until the format is correct. The main menu is an extended MININEC

menu and allows specification of frequency ranges and steps.

Functions:

The basic functions are identical to MININEC which in the original form is hard to handle, to put it mildly. MN allows input of dimension files in a greatly simplified format and stores these files for reuse. A view function is provided which instead of displaying the list of coordinates like MININEC shows a (rotatable) projection of the antenna model. The plot routine is the same as in the YO and NEC PC programs. The printouts of polar plots appear oval on most printers. Because MN cannot simulate skin losses and shows a systematic frequency shift of roughly 1 percent it should be used with extreme care for the simulation of optimized VHF-yagis.

Error handling:

Erroneous input data are rejected and error messages generated, indicating the error type. No crash was observed.

DUBUS 1/1992 63

Documentation:

The documentation is comprehensive and contains numerous examples and installation hints.

4.2.7YO

Die Software YO (Yagi Optimizer) iiberschreitet den Funktionsumfang eines Simulationsprogramms, denn sie enthlilt einen automatischen Optimierer. Dies ist ein sehr interessantes Werkzeug, das in der Hand eines erfahrenen Entwicklers sinn· volle Ergebnisse hervorbringen kann. Es war zwar offensichtlich fiir den Entwurf von Kurzwellenyagis mit wenigen Elementen gedacht, ist aber schnell und mlichti11: geoug, um damit auch an VHF/UHF-Antennen zu arbeiten. Obwohl der Ex· perte weitere Optionen wie das "Einfrieren" von Teilstrukturen wiinschen wiirde, isl mit der Vielzahl der einstellbaren Parameter bereits jetzt ein kritischer Umgang erforderlich. Die Optimierungsziele Gewinn, Diagramm, Bandbreite und Impedanz miissen sorgfiiltig ausbalanciert werden. Die Ergebnisse hlingen stark von der Qualitlit des vorgegebenen Rohentwurfs ab. Der OptlmierungsprozeB kann jederzeit unterbrochen werden, um von Hand Vorgaben undAbmessungenzu korrigieren. Der Fortgang der Optimierung wird auf dem Bildschirm laufend in Form von charakteristischen Oaten und Rohdiagrammen bei bis zu drei Frequenzen, sowie Skizzen der Antennengeometrie und Strombelegung sichtbar gemacht.

Eine Optimierung kann nicht besser sein als die zugrundeliegeode Simulation. Es kann keinesfalls erwartet werden, daB der Optimierer selbsttlitig das 'ideale' Design einer Yagi findet. Wer ohne tiefgehendes Verstlindnis der Funktion von Yagis mit diesem Werkzeug arbeitet, wird bestenfalls gute Plots auf dem Bildschirm aber kaum gut funktioniereode Antennen erhalten.

Menlistruktur:

Das Menii ist deutlich auf die Optimierungsaufgabe ausgerichtet. YO erwartet als Ausgangspunkt eine Llste von Dimensionen. Diese kann entweder mit dem mitgelieferten einfachen Editor geschrieben werden oder <lurch Aufruf und Ablinderung eines vorhandenen Antennenfiles, der interaktiv


Klasslfikation Antennensimulationsnl"Ollramme (Classification) Name YO Version 4.1

Hersteller/Distributor Brian Beezley, K6STI, 507-1/2 Taylor St., Vista, CA92084

Hardware AT rnnrocessor w/ and w/o (Mit und Ohne) Disnl av Adanter HGC CGA ruu ynA

--~·-~·--

Drucker/Printer needle Betriebssvstem/l"lnPratinll Svstem DOS S..,..icherbedarf/Memo~• Rea. 300KB Plattenolatzbedarf/Disk Soace Methode/Method: Moments ??? (Is not sure. Speed indicates impe-

dance matrix method with sinusoidal current profi-le\

Simulations-Funktionen <Yaois): Geometrie 2-dim

Multinle Reflektoren no Strahler/Feeder dinnle and 2-dinnle feed AnoaBg(ieder/Matchin"' beta "'amma T Boomkorrektur/Bommcorr. no Yaoi n/Arravs Ive.~ 2 vaois vertiC'Jll

Um11:ebunl.!!Environment Free Soace and ""'rfect conductinll earth Elektrische Parameter

Richtfaktorlnirectivitv 1ves Richtdiaoramm/Pattem ves Skineffekt 1ves lm""danz 1ves

Sonderfunkt./S,,,.cial Functions <mtimizer Scalinll. Ta"'"r Sweeo Leistun0<:umfanll/Features

Max. Zahl der Elemente/No. of El. 50 Geschwindillkeit (sec) < 1

Benutzerinterfacen '··-'-terfaC'£ Menudriven. Interactive . Parameterein11abe/Param. -lnout inbuilt screen editor Eroebnisdarstellunl?/Disolav of Result screen

Num. ErgenbisselNumerical Results screen Dia21"amm/Pattem screen uraoh Strombeleorrn11/Currents screen llranh

Print Screen/Plot ves Helo-Funktion ves

Dokumentation Umfang <Seiten'"'a11es 35 Onalitat/Oualitv aood

Bekannte Fehler/Bugs Inaccurate for small element distances, low input impedance and large diameter.

DUBUS 1/1992 64


eiweitert, skaliert, umbenannt werden kann u.s.w. ohne den Originalsatz zu zerstoren. Der Befehlscode ist auf Geschwindigk.eit ausgelegt. In den meisten Fallen erfolgt die Aktion direkt nach Eingabe eines Zeichens, die jeweils aktiven Tasten sind hervorgehoben. Es sind so viele PJausibilitlits· priifungen eingebaut, daB es sehr schwierig ist einen irreparablen Fehler zu machen. Hilfstafeln und Optionsmeniis konnen als Overlayfenster aufgerufen und wieder weggeriiumt werden. Ein Notizblock kann jederzeit aktiviert werden, um Arunerkungen am Datenfile anzubringen. Das Umschalten zwischen Editieren, Rechnen und Graphik is.t einfach unci •chnell - ciie Softwore triigt

die Handschrift eines Antennenentwicklers.

Es bleiben wenige Wiinsche offen, aber die Unterstiitzung einer Maus konnte die Handhabung noch eleganter machen. Als nachteilig wird der K.opierschutz empfunden, der verhindert, daB das Prngramm auf mehreren PC gleichzeitig verfiigbar ist. Er fiihrt bei manchen DOS-Versionen zu Problemen.

Funktionen:

Nach Angaben des Urhebers wird ein schneller Algorithmus veiwendet, dessen Abweichungen von langsamercn aber genaucrcn Vcrfahn:n durch K.orrekturfaktoren ausgeglichen werden. AuBer bei Antennen mit sehr niedriger Eingangsimpedanz oder sehr klelnen Elementabstlinden (Hlnweis in der Dokumentation!) • das kannjetzt schon voiweg gesagt werden - ist die Obereinstimmung mit NEC fiir Gewinn und Diagramm ausgezeich· net, fiir die Impedanz nicht ganz so gut. Das gilt allenlinp fiir iltere Verslonen als YO 4.0 nlcht.

Dicke und diinne Elemente werden gleich gut modelliert, gestufte Elementdurchmesserund Monta· geplatten konnen beriicksichtigt werden. Die Boomkorrektur mu6 von Hand vorgenommen werden, eine Korrelctnrformel (nl .liWlJ/G'.'lSRK) ist

angegeben. Die Umrechnung auf andere Frequen· zen oder Elementdurchmesser ist einfach moglich. Ein Giitefaktor fiir den Gewinn wird durch Vergleich mit einer wlihlbaren Gewinnkurve berechnet. Man kann ein Frequenzband vorgeben und Graphen f'llr G, FIB, Z und SWR zeichnen (assen. Die Richtdiagramme konnen polar oder karthe·

DUBUS 1/1992 65

sisch in verschiedenen Ma6stiiben dargestellt wer· den, ein schneller Wechsel zu einem Vergleichsdiagramm ist moglich. Die Leitfiihigkeit der Elemente

kann man numerisch eingeben oder aus einer, Werkstofftabelle wlihlen. Die Bodenleitflihigkeit wird, wenn gewiinscht, beriicksichtigt. Die Be· rechnung gestockter Antennen ist nur fiir symmetrische Stockung in der H-Ebene moglich. Die Yagi·Struk.turen miissen eben sein und nur einen Reflek:tor enthalten. Doppeldipole sind zulllssig. Fiir Benutzer, die an der Genauigkeit der Ergebnisse zweifeln, wird eine K.ontrolle mit NEC empfoh· Jen (siehe 4.2.1). Sie zeigt, daB bei der Gewinnma· Yimien111g in der Regel ciie letrten 2 bis 3 Zehntel

dB irrelevant sind. Man hiite sich daher vor Gewinnfetischismus !

Dok.umentation:

Eine umfassende Dok:umentation wird a1s Textdatei mitgeliefert. Sie enthlilt Beispiele, Installationshinweise und viele weitere Optionen, die anstelle cler Standardwerte eingesetzt werden kbnnen.

Handling und Probleme:

Das Copy-Protection Schema ist nicht sehr gliick· Heh. Es kann leicht passieren, da8 die Originaldis· ketten unlesbar werden und man den Schliissel nicht zuriickspeichem kann. Das sollte anders ge· loot werden. Die Polarplots werden leider auf dem Drucker nicht kreisfOrmig, sondem sind gestaucht und verzerrt.

The YO (Yagi Optimizer) soft.ware exc.ds the function of a simulation program because it inclu· des a self-optimizer feature. This is a very inter· esting tool which can produce sensible results if handled by an experienced designer. It was obviously intended for shortwave Yagis with few ele· ments but is fast and powerful enough to work on nmltielement VHF /UHF antenna.q. Although the

expert would desire additional features like "free· zing" parts of the structure there are already many panuneters which require careful control. Optimization targets are gain, pattern, impedance and bandwith, a balance must be defined and is quite critical. Results depend strongly on the quality of the initial design.


It cannot be expected that the optimizer will find the best yagi design automatically. The potential user needs a deep understanding of the function of yagis to be able to develop an optimum yagi, which functions in the real world also.

The automatic search can be interrupted any time to change dimensions or parameters manually. The progress of the optimization is continually displayed on the screen, showing antenna geometry, current profile, sketch diagrams and characteristic figures at up to three frequencies.

Menu Structure:

The menu is clearly oriented towards optimization, YO expects a file with dimensions to start out from. This c.an either be written using the simple editor supplied or by calling up and modifying an existing file which can be extended, scaled, renamed etc. without destroying the original. The command input is designed for speed. In most cases the action immediately follows the keystroke, active keys are highlighted. There are so many plausibility checks that it is hard to cause catastrophic failure. Help tables and auxiliary menues can be called up as overlay windows and cleared away again. A notepad is furnished to add remarks to the dimension file. Shifting between editing, calculating and graphical modes is quick and simple - this software reveals the hand of an antenna designer. Few wishes remain, but support of a mouse could make the handling even more elegant. A certain drawback is the copy-protection which does not permit running the program on more than one PC at a time and can cause problems with some DOS versions.

Functions:

According to the author a fast algorithm is used and correction factors are applied to make results agree more closely with slower but more accurate computations. Except with very low impedance arrays or extremely close element spacing (a warning is included in the documentation) agreement with NEC-II is excellent for gain and pattern, somewhat less for impedance. This was not true foi· eadie1· version of YO.

Thick and thin elements are modelled equally well, taper and mounting brackets can be taken into

DUBUS 1/1992 66

account. Boom correction must be applied separately, an equation(DL6WU/G3SEK) is provided in the documentation. Scaling of frequency and element diameters is easily done. A figure of merit is calculated by comparison to a selectable standard gain curve. A frequency band can be defined and graphs of G, FIB, Zand SWR drawn. Plots can be done in numerous sets of scales and coordinates and comparison plots switched in for reference. Element conductivity can either be entered numerically or chosen from a table of standard materials. Ground may be specified. Stacks can only be calculated for symmetrical H-plane arrays. Yagi structures must be plane, only a single reflector is permitted. Double dipoles can be treated. For users who have doubts in the accuracy of the approximations the author recommends cross-checking with NEC (see 4.2.1). Doing so reveals that the last 2 or 3 tenths of a dB in gain maximization are irrelevant in most cases. So beware of gain-fetishism!

Error Handling:

Most possible errors are detected by the numerous plausibility controls before they can do harm. No crashes were encountered in months of intensive use.

Documentation:

A comprehensive documentation is provided as a text file. It contains examples, installation hints and many further options which may be substituted for the standard values used in the program as supplied.

One weak point is the missing description of the simulation method used. Only some vague remarks about a method of moments algorithm are given. Because of the high speed of YO it's more probable that a normal impedance matrix method is in use, which assumes a sinusoidal current distribution on the elements. The secret of the accuracy may be a careful calibration of the algorithm to NEC-II by means of fudge-factors, which can compensate for the inherent limitations of the simulation method used.

Handling and Problems:

The copy protection scheme can lead to problems. Either the distribution diskette gets unreadable or


there are problems to copy the token back to the original diskette. This should be done in another way. Polar plots on the printer are not circular but di stoned.

4.2.8 MININEC3

Diese Software wurde im Naval Ocean Systems Center von den gleichen Leuten wie NEC-II ent· wickelt und ist als Public- Domain-Programm oh· ne Dok:umentation verbreitet worden. Das Hand

buch ist nur iiber U.S.·Regierungsdienststellen er· Mltlich. Zur Zeit seiner Entwicklung vor ca. 10 Jahren war MININEC ein grol3er Schritt vorwiirts gegeniiber den Programmen vom Lawson-Typ, da es erstmals die Momentenmethode auch PC·Be· nutzem zuganglich machte. MININEC3 win:! in einigen Variatonen verwendet. Die bekanntesten sind MN und El.NEC, die MININEC3 in eine Meniiobertlliche integrien haben. Mittlerweile ist MININEC3, wie man deutlich sagen mufl, veraltet und kann allenfalls noch in Benutze1SChalen wie MN sinnvoll angewandt werden.

Men0struktur:

MININEC ist eigentlich ein Stapelprogramm. Es liest aber keine vorgefenigten Eingabedateien und speichen sie auch nicht. Die Oaten miissen von Hand eingegeben werden und gehen nach dem Programmlauf verloren • natiirlich auch bei Fehlem. Die einzige Andeutung eines Meniis ist ein Halt nach der erfolgreichen Priifung der Eingabe· datei mit der Moglichlceit, aus einer Refehliste dP.n gewiinschten Umfang der Berechnung zu wihlen. Die Ausgabe geschieht in Form von Listen.

Funktionen:

Obwohl erstaunlich viele der in NECvorhandenen Berechnungsmoglichkeiten auch in MININEC verfiigbar sind (wie Vlelfachspeisung, komplexe Erregung, Belastung von Segmenten. idealer oder nichtidealer Boden) ist die Verwendbarkeit durch die geringe Zahl zuliissiger Leitersegmente stark eingeschriinkt. Nimmt man den Standardwert von 10 Segmenten pro Elemem an, kann man Yagis mit mehr als einem Dutzend Elemente our noch als

. Monopole iiber einer Jeitenden Ebene modellieren. Das verdoppelt die Kapazitit und ist auch bei

DUBUS 1/1992 67

kleineren Antennen zu empfehlen, da die Rechenzeit auf ein Vienel sinkt. MININEC beriicksichtigt Endeffelcte nicht, der Strom am Elementende wird immer als null angenommen. Dicke Elemente werden vermutlich deshalb weniger genau berechnet und es existien ein genereller Frequeuzfehler zwl· schen 0.5 und 1 %. Die Laufzeiten auf PC vom XT·Typ konnen im Stundenbereich Jiegen, deshalb gehOrt die am Anfang jedes Laufs gegebene Zeit· scMtzung zu den wenigen angenehmen Ziigen des Programms. Der Lauf kann jederzeit abgebrochen werden.

Fehlerbehandlung:

Diese fehlt fast vc5llig. Es gibt lecliglich eine Syntaxpriifung der Eingabedaten, die zu Meldungen wie "too many pulses" fiihren kann. Programm· schleifen sind nicht ausgeschlossen.

Dokumentation:

Zur getesteten Version lag lcein Handbuch vor. Nach friiheren Ausgaben zu uneilen ist die Doku· mentation umfangreich und, da an den Wissen· schaftler gerichtet, schwer verstlindlich.

This software was designed for PC-me by the developem of NEC-II at the Naval Ocean Systelll8

Center and distributed as Public Domain software without documentation. The handbook is obtaina· ble through U.S. Government channels only. Atthe time of appearance about ten years ago MININEC was a great step ahead in comparison to the Lawson type programs because it made method-of-moments computation accessible to PC users. It must be clearly stated, however, that it is outdated and can only be recommended for use within a shell like MN.

Menu Structure:

MINININEC is a batch program but does not read or save input files. These must be entered manually and are discarded after the execution and, of course, if the program detects an error. The only trace of a menu is a stop after reading and accepting the input data where one can choose from a set of commands what the computation should contain . Output is in the form of lists.

Yagi Simulation: CAD-Software for Evaluation and Development by DJ9BV &.DL6WU

KlasslOkation Antennensimulationsn~ramme fClassiOcation) Name Version Hersteller/ Hardware r ........ rocessor Disnlav Adanter Drucker/Printer Betriebssvstem n....ratinu Svstem S""icheibedarf/Memorv R""· Plattennlat:zbedarf/Disk Snace Methode/Method: Simulations-Funktionen rYa<Yis \:

Geometrie Multinle Reflektoren Strahler/Feeder Anna6nliedertt.A atchino Boomkorrektur/Bommcorr. Ya..; n/Arravs

UmnebunnlPnvironment Elektrische Parameter

Ri,.htfaktor""il'l'.ctivitv Richtdiaaramm IPattem Skineffekt Im -

Sonderfunkt."'""'cial Functions Leistun""umfannn<eatures

Max. Zahl der Blemente!No. of Bl. Geschwindi nlreit"'""'ed (sec\

Benutzerinterface/Userinterface Parametereinaabe!Param.-lnout Eroebnisdarstellunnlrlisnlav of Result

Num. Ernenbisse ""umerical Results Dia""atn""IPattem Strombe(e~·nalCurrents


Dokumentation Umfanu fSeitenVPa11es l"\na)itiitlnnalitv


Functions:

Although astonishingly many features of NEC are available in MININEC (like multiple feedpoints, complex excitation, loading of segments, perfect or imperfect ground) the function is severely limit-

DUBUS 1/1992

MININEC 3.13 ACES Public Domain/Part of NEEDS 2.0 AT ves n/a needle DOS 500KB

Moments with Pulse-Basisfunctions

3-dim ves anv structure anv structure no ves. but limited bv small number of semnents Free Snace and conductino earth

IV~J,:,

'"CS no

Ives

13 C26V127 semnents ca.200

direct/intemretative

file file file no no

50

'"ood systematic frequency offset (ca. 0,8 %)

68

ed by the low number of segments that can be specified. If one considers ten segments per element as standard, Yagis with more than a dozen elements can only be modelled as rows of monopoles above a ground plane. This procedure doubles the capacity and is helpful with short arrays

Yasi Simulation: CAD-Software for Evaluation and Development by DJ9BV&DL6WU

because it cuts computation time by four. MINI· NEC does not treat end effects, it assumes currents at element ends to be zero. This may be the reason why thick elements are not modelled too well and a general rrequency offi:et between 0.5 and 1 %

exists.

Run times on XT type PCs can be in the hours range, an estimate of expected time is one of the nicer features. Computation may be disrupted.

Error Handling:

This is practically non-existent. Except for a syntactical check of input data which may result in messages like "too many pulses". Little help is given . Loops are possible.

Documentation:

No handbook of the version tested was at hand but judging from the earlier versions information is comprehensive but hard to understand because it wa.q aimed at ~cienti~l>L

4.2.9ELNEC

ELNEC besteht aus einem modifiziertem MINlNEC3 und einer Benutzeroberfliiche, welche die Bedienung vereinfacht und Bildschirmausgaben unterstiitzt.

Meniistruktur;

Das Menii besteht nur aus einem Bildschirm, der nir.ht w1'it1'r in Pop-UP Unt1'rmen11~ VP.l?W1'igL

Die Ergebnisse kann man sich auf dem Bildschirm ansehen, in eine Datei ablegen oder drucken. Ein Editor fiir die Eingabedaten ist integriert. Der Editor erlaubt Spezifikation von Yagistrukturen , hat aber, da er allgemein gehalten ist, die kompliziene Eingabestruktur von MININEC beibehalten. Das erleichtert die Spezifikation von Yagi-Strukturen nicht.

Die Bedienung des Meniis ist uniibersichtlich, umstiindlich und schwierig.

Funktionen:

Die Grundfunktionen sind die gleichen wie bei MININEC, erlaubt aber ein vereinfachtes Eingabeformat und die Speicherung der Dateien fiir Kor-

DUBUS 1/1992 69

rektur und Wiederverwendung. Die VIEW-Funktion zeigt nicht die Liste der Koordinaten wie bei MININEC, sondern eine Projektion des Antennenmodells.

Als zusiitzliche Funktionen gibt es die Mo!}lichkeit, leitenden Boden mit frei wii.hlbarer Leitflihigkeit zu rechnen. Weiterhin werden Skin-Verlust gerechnet, sogar fiir magnetische Materialien. Der Vergleich der Ergebnisse fiir Skin· Verluste mit NEC-II zeigt eine exzellente Ubereinstimmung.

Fehlerverhalten:

Die Eingabedaten werden gepriift und bei fehler· haften oder unsinnigen Eingabe zuriickgewiesen. Abstiirze wurden nicht beobachtet.

Dokumentation:

Die Dolmmentation ist umfassend und enthiilt zahlreiche Beispiele und Tips fiir die Installation.

ELNEC ist based on a modified MININEC3 code and an interactive user interface on top.

Menu Structure:

The user interface is realized as a single screen. The user has to type in commands. A selection of allowed commands is highlighted on the screen. An

integrated editor enables the user to specify, store and recall description of antenna structures in terms of wires (MININEC like). The editor is general and not adapted specially to yagi structures. That makes specification of yagi structures somewhat cumbeISOme.

The operating of the user interface is complicated, cumbersome and prone to mistakes. It's not suggestive or easy.

l<'unctions:

The basic functions are as in MININEC3. But any data can be stored, recalled and modified. VIEW· and PLOT functions are integrated. The main ad· vantage in comparison to MININEC is added code for calculating semiconducting earth and - especi· ally valuable for VHF-yagis- skin losses even for magnetic materials. This can be considered as a major improvement. Comparison with NEC.II shows an excellent agreement for the loss figures.


Klasslftkation Antennensimulationsnrnoramme <Classification) Name Version Hersteller/Distributor Hardware r,,.,rocessor Dhmlav Adaoter Drucker/Printer Betriebsswtem!Ooeratin11 Svstem Sneicherbed•ri'JUemorv RP.ii, Planenolatzbedarf/Oisk Soace Methode/Method:

Simulations-Funktionen (Yams): Geometrie

... Mu.J.l!Rle Retlektoren Strahler/Feeder Anoa62lieder/Matchin11 Boomkorrektur/Bommcorr. Ya. :Arra vs

Ume:ebunofrlnvironment Elcktrische Parameter

RichtfaktorJnirectivitv Richtdia.,,...mmJPattem Skineffekt Jm ..... .ianz

Sonderfunkt.IS.,...r.ial Functions ·-Leistun""'umfanofrleatures

Max. Zahl der Elemente/No. of El. Geschwindi l!kei"''- --" (sec)

BenutzerinterfacelT 'serinterface Parameterein...,be/Param.-Inout Eroebnisdarstelluna/Oisolav of Result

Num. Enzenbisse/Numerical Results Dia11ramm/Pattem Strombelem•n11/CUrrents


Dokumentation Umfana <Seiten \IPal!es

_Qqalitiit/0.1alitv Bekannte Pehler/Bugs

F.rror handling:

Enoneous input data are rejected and error messages indicating the error type are generated. No crash was observed.

OUBUS 1/1992

ELNEC 2.08N Rov Lewallen W7EL jlJ

w/and w/o n/a needle.HP Lascrict DOS 500KB

Moments with Pulse-Basisfunctions, enhanced MININEC3 code

3-dim ves anv structure anv structure no ves. but limited bv small number of oulses Free Soace and earth with anv conductivitv

ves ves ves ves Scalinl!

13 (26)/127 Pulses 200

Menu Driven

screen screen screen screen ves no .. -·

75 1oood

Documentation:

The documentation is comprehensive and contains numerous examples and installation hint~.

70


(A Case Study and Performance Report) Rainer Bertelsmeier, DJ9BV1

Giinter Ho<'h, DL6WU2

(Part IV)

5. Evaluation of Simulation Quality

5.1 Descripliun of Evaluation Procedure

To evaluate the perfonnance of the simulation programs, experimental data are compared with simulation results. Experimental data are horizontal pattern and gain. Horizontal pattern is weighted morP. th•n g•in, because pattern measurements are easier to perfonn with good accuracy than gain measuremens. Furthermore patterns are very sensitive to frequency shifts but gain is not.

The comparison between measured and simulated pattern is done by visual inspection. A more scientific approach would be to calculate the cross correlation between the patterns. This requires the availabilty of the pattern as numbers. This is not the case for the cases selected and for amateur purpose the visual comparison method is accurate enough. The match quality is expressed qualitatively in categories (Excellent,Good, Medium, Fair, Poor).

For each test antenna the pattern comparison and the gain comparison are performed for the measuring frequency and for a 'best-match' frequency, which is found by running the simulation at a frequency which gives the best match between the measured and the simulated pattern. This approach proved to be very sensitive, because it easily unveils shortcomings of the simulation method used.

Additionally a judgement for the validity of the simulated input impedance is given, which is based on tknown VSWR behaviour of the practical antennas. This judgement is qualitative only.

After all the following data is shown for each testcase:

1. Measuring Frequency (/m:) - Measured pattern - Measured gain - Simulated pattern - Simulated gain

2. 'Best-Match' Frequency(fop1) - Simulated Pattern

1 Gluecksburger Str. 20, D-2000 Hamburg 50 2 Gersprenzweg 24, D-6100 Darmstadt

DUBUS 3/1992 42

Yagi Simulation: CAO-Software for Evaluation and Development by DJ9BV&DL6WU

. "' "' 8 c.

"' ~ il N

T=f f----f ...

' .... J

I ~ '-----···-····

l ___ ~ w -

Azimuthal Angle, degrees

Bild/Figure 1: NBS-12: Measured Pattern

- Simulated Gain - Simulated Input Impedance

5.2 Programs

The following Programs have been investigated:

1. NEC-PC Version 1.04 2. YO 4.23 running in the NEC calibration

mode 3. MN3.0 4. YAGIANAL YSIS V3.3 5. YAGIMAX V2.15 6. RADICAL Vl.12 7. ELNEC V2.08N

DUBUS 3/1992 43

.. ·1'

-ts : .,, -25 :

- '.JU ~ ' '

-35 : ... -45

·58

llllS-12 OCttl

-100• -HG" -u11• -w· -ze• ze• 68" 1ee· 11e· 188° 8 dB : 1Z, 9Z dlld 488 , 808 tli1

E-l'la11t1 FtteS!"lcc

Bild/Figure 2: Simulation hy NEC-PC: NBS12


IQIS-12

" - 5

-IA

-15 :

-2fl :

·ZS

_,. .

-35 : 0 . .. . I -18

-'45 ''

-91 -188" -H8° -189" 4.8° -ze• 28" 68" 1118"

9 dB 11.'JS d.Bd

Bild/Figure 3: Simulation by YO: NBS-12

NEC-PC was selected, because of the simpl,; h"ndling nf * .yog fiJ.,s, which or<C

input into YO. The differences to NEC-81 and NEC-II are negligible.

5.3 Selected Cases

Decause of our restrictions in space and in

the possible amount of work to be done the comparison cannot be done on all antennas, where experimental data is available. Selecting a group of relevant samples, suited to identify the limitations of the various simulation methods inspected was not an easy task.

After all the following group of test antennas were selected:

• Case 1: 12-El Yagi, NBS-12, for 400 MHz

• Case 2: 6-El Yagi. Lyngby-Design. for432 MHz

• Case 3: 21-El Yagi, TONNA, for 432 MHz

• Case 4: 23-El Yagi, TONNA, for 1296 MHz

• Case 5: 37-El Yagi, DL6WU Design, for 1296 MHz

The following guidelines served as selection criteria. All test antennas have been

UUHUS 3/1992

dB

" - 5

-te

-IS '

-Zfl :

-25

-311 : .

-3S : ... -45

12 ele "8S

-5" -1118" -14S" -tBlr -68" -ZR" 21" 68° 188'

8 di::: 11.58 did

Bild/Figure 5: Simulation by MN: NBS-12

AN !ENNA NAME : NBS-12 Frequency: 100 11Hz

3 ,,. --:.. .. .I. L. ' 1. I. __ 1_ l

5 \ 0 ~B~ 12 .02 dBd

10r-t---t-"';l--+--t--+-+---t--4~t--t-+-+--+--+--+--+-j -£-ra'tter~

IS

20

~ -

. .. \\-, .. _,..,... -, __ -+-_ .. -+-... ~~-+-+-+-+· ......... ., ____ ----+·-·+-.-1 - ·_;_>-'

. . .. \ /"

35 I· . : ---- . ... --1 . . . :-...'. ...

:: rl·-t·-·······+•"M-+---+---+--+---+-+r-\· -h/4-• ••-1-..--+. -+-+.-.-+,-.. -!-.--+ .. ~ ..

SB ~~··~· ·~ .... ·~ ... _._'~'. - _\,_,·. -'-f_ .. '--.L--'-..L--'---l--'-....L.....J

Bild/Figure 4: Simulation by YAGIANA: NBS-12

.---------ladlCil ---------File ltaM • nbs!Z.MD E-plane

!~"""'

Mt

!RI···

!ll ' ' .

F~N ~1\'1, 1;.f\11 I . lll

Bild/Figure 6: Simulation by RADICAL: NBS-12

44


measured repeatedly and well established results are available:

1. Case 1 has normal elements (0.0085wl) and is well known.

2.

3.

Case 2 is a vt:ry critical design similar to the Chen-Cheng antenna (2] and has been developed in Denmark[!]. It's very narrow band, critically tuned and provides 'super-gain', which is more than an equal length DL6WU Yagi. The critical tuning will easily unveil frequency offset problems. Case 3 has been measured many times on antenna gain contests, has a low input impedance (12.5~)) and

~111 ..

H -39··

~·

_,,, . :---------·r·- .. -... _" ___ .. ; ____ .. ,, .... : .,.

Jtoflttl\i.Jmt AT 13.51 DBI . r IL!: rtBSlZ ;

• "' .. Bild/Figure 7: Simulation by YAGIMAX: NBS-12

should unveil inaccurate input impedance calculation, which leads to wrong results for gain.

4. Case '1 is a homogenous yagi, has thick elements (0.013A). . ..

····-···-··-

Table I· Casel rNBS· 121 Position f mm l Half Length.l1mnJ_

0 150

300 ······· 450 600 7~0

900 1049 1199

1349 1499 1649

Environment: Element-Diameter: Feeder: Measuring Frequency: Measured Gain: Measured Pattern:

180.63 168.64 161.89 155.52 152.52 149.15 146.15 146.15 146.15 146.15 149.15 152.52

Free Space 6.37mm Dipole 400.0MHZ 12.2dBD Figure 1

.

158 .· · ...

a det.

211. "'

""

Bild/Figure 8: Simulation by ELNEC: NBS-12

fi:ase 5 has electrical thick elements (0.017A) and has the same function as Case 4. Additionally this antenna has electrically short elements 1 because of the element taper. Therefore all programs which assume a sinusoidal current distribution on the element will fail to compute the correct pattern. Short elements have a significant distortion in the current profile and therefore have a different contribution to the overall pattern, which results from the superpositon of all fields of the element currents.

The shortest elernenl }ui::; u length of only 0.33wl which implies a significant distortion in the current profile compared with a sinusoidal distribution.

DUBUS 3/1992 45


5.4. Case 1: 12 el-Yagi

5.4.1 Dimensions

Table 1 shows the mechanical parameters.

5.4.2 Results

NEC-PC:

Pattern Match is good onfm. Gain difference is -0.2dB. Frequency offset for best pattern match is -0.l %.

At fopt pattern match is excellent.

YO:

Pattern Match is good on fm . Gain difference is -0.25dB. Frequency offset for best pattern match is +U.13%. Atfopt pattern match is excellent.

MN:

Pattern Match is pooron/m. Gain difference is -0.55dB. Frequency offset for best pattern match is +1.4%.

At fopt pattern match is good.

YAGIANALYSIS:

Pattern Match is pooronfm . Gain difference is -0.18dB. Frequency offset for best pattern match is -0.5%.

Atfopt pattern match is good.

CASE 1: NBS-12 YAGI on 400 MHz

Pattern: Figure 1 Data: Table 1

Program Simulation @ f m =400MHz Simulation@ f opt

Pattern· Gain[dBD] z fop1,[MHz] Pattern· Gain[dBD] z Match Match

NEC-PC Fig. 2: 12.02 19 9+j*1.6 199.6 Good 12.0 20+j*2.3 Good

co--

YO Fig. 11.95 18.8+j*l.4 400.5 Good 11.98 18.6+j*2.7 3:0ood

MN Fi11. 5: Poor 11.58 22-i*ll 406.0 Good 12.0 NIA ·-·--YAGIANAI Fig. 4:poor 12.02 398.0 Good 12.01 YSIS -·-YAGI MAX Fi11.7: Fair 11.37 24.4-i*15.3_ 401.5 Good 11.5 23.7-i*l2.6 RADICAL Fi11. 6:Poor 10.85 NIA 410 Fair 11.65 NIA ELNEC Fi11. 8:Poor 11.65 24-i*14.5 405.5 Good 12.0 22.4+i*O

YAGIMAX

Pattern Match is fair on fm . Gain difference 1s -0.83dB. Frequency offset for best pattern match is +0.4%.

At fopt pattern match is good.

DUBUS 311992 46

Yagi Simulation: CAD-Software for Evaluation and Development hy D.J9RV&DL6WU

RADICAL Pattern Match is poor on fm . Gain difference is -1.4dB. Frequency offset for best pattern match is +2.5%. Atfopt pattern match is fair.

ELNEC Pattern Match is poor on fm . Gain difference is -0.SSdB. Frequency off""' for best pattern match is + 1.4%. At fopt pattern match is good.

5.5 Case 2: Lyngby Yagi

The 6El Lyngby Yagi has been developed at the University of Lyngby, Denmark, to demnnstr"te the facilities of optimizing antenna software. It's characteristic is similar to the Chen-Cheng Yagi. They feature extremely low input impedance ( < 10 Ohms), critical narrow band tuning and controlled current

.. s : .. '

-18 : '

-ts :. -ZB :

·ZS

·311 :.

-48 : ..

4" ..

"'

LWIGllY-6 Ol!C)

-tea• -Ha" -1111• -f.8" -2tr m· f,11" lfll" Ha• 1118" II di = U.O DI 432.5118 Ilk

E-Pl1.ne fl'"Cl!Spai:e

Bild/Figure 9: Simulation by NEC-PC: LYNGBY-6

profile.

------DATA- Case1 rr ,vn1>bv Yauii

PositiogLm.ml Halt' Length Imm! 0 164 - ........

173 157 339 150 617 146 902 145 1166 147

Environment: Free Space Element-Diameter: 5.2mm Feeder: Dipole Measuring Frequency: 412.'iMHZ

Measured Gain: 10.SdBD* Measured Pattern: Figure 9 * Because of mismatch problems during the

measurement measured gain is too low

.. -It

{!;fl_·. '·. ·--~--- '

'"' f ( "" ""

.· ""

Bild/Figure 10: Simulation by ELNEC: LYNGBY-6

The gain is about 11.25 dBD, which is higher than for normal Yagis with the same length.

5.5.1 Dimensions

The following table display the mechanical parameters:

DUBUS 3/1992 47


dB

I I ·· 30+------f---11_,1---+-I

i' I I 1 I I I I I I I

I I I

I

' I I I I I I I -1 I I I I I I I I

I I I (I , , 11 I I I I II II

- 50 ...._ ___ __, II

o• 30' 60' 90' 120' 150' e 18

Bild/Figure 11: LYNGBY-6: Measured Pattern

DUBUS 3/1992 48


... .. - 5 .

-11 '

l5 .

_,. -ZS

-:II ·, -38

-15 . . . -35

-41 :. .

..... .

.,. -1JIB• -ue• -I.Ill" -f.8" -21• 21• £.81 t•• 149• 188•

e ill= U.t9... 432.588 ltb E Plane F!'eCSl'fllct:

"" -111:i- -148" -1111r -GB" -21• 21· y• 1111• 1111· 1BB" " d.D = 11.sa m 13Z.S1111 ma

E Pl•11e FreeSpace

Bild/Figure 12: Simulation by YO: LYNGBY-6 Bild/Figure 13: Simulation by MN: LYNGBY-6

5.5.2 Results

NEC-PC

Pattern Match is fair on fm . Gain difference

is +0.24dB. Frequency offset for best pattern match is -0.35%. Atf~pt pattern match is good.

dB

3 .. ['.,_ .

0

10

15

20

25

:l0

40 >--l--t

Al1tENt1A HAl1E: LYHGBY6 FrequenC\J; 432, 5 m-fz

\ I I J I

.. ., ..... · --- - -B ~B"' 11.56 dBd ..

... . ., . / ...

·····\/"\· I \ .......... ,, ('.

. \

YO Pattern Match is fair onfm. Gain difference

is +0.24dB. Frequency offset for best pat-

I 45>-~-+···-+····--l···~r--t--+-+--<.rt.-. .;~.-.-1---+"-+-+-.. 4--l····-···-l-·-1 58 L. ____ _

·r-~~~-,-~~-,--?T~~~~~~~~~ • -3

-1$0 ... : .......... : ... ,. ....... :_, ........ " .......... ! .............. : .. ..

' : ~l1m Ar 1Z.:ze DB~ · · . rru;: LvrtGDY6 .

~r~!~ 2-·~ -...,.~-:....,to-:_,.;=-7. =;,.;.----, .. ;--;.---.;~~""!!

Bild/Figure 14: Simulation by YA GIANA: L YNGBY-6

tern match is -0.18%. At/opt pattern match is good.

MN

Pattern Maleh b puu1 uufm. Gaiuliifferern.:e

is -0. 75dB. Frequency offset for best pattern match is + 1.3%. At /opt pattern match is good. Impedance on fm is not plausible.

YAGIANAL YSIS

Pattern Match is fair onfm. Gain difference Bild/Figure 15: Simulation by YAGIMAX: LYNGBY-6 is +0.3dB. Frequency offset for best pattern

match is -0.6%. At fopt pattern match is good.

DUBUS 3/1992 49


-------~-RAd!Ca! ---------9 YAGIMAX

f!ill •• ..

!RI···

!ti •..

Pattern Match is pooron/m. Gain difference is -1.25dB. Frequency offset for best pattern match is + 1. 7%. At /opt pattern match is

good. Impedance on fm is not plausible.

RADICAL Pattern Match is pooron fm . Gain difference is -1.7dB. Frequency offset for best pattern match is +2.4%. At fopt pattern match is

good.

ELNEC

Bild/Figure 16: Simulation by RADICAL: LYNGBY-6

Pattern Match is pooronf m. Gain difference is -0.76dB. Frequency offset for best pattern match is +1 %. At/opt pattern match is good.

Impedance on fm is not plausible.

CASE 2: LYNGBY-6 YAGI on 432.5 MHz

Pattern: Figure 11 llam: Tahle 2

Program Simulation@ fm =432.SMHz Simulation @ fopt

Pattern- Gain[dBD] z fopt,[MHz] Pattern- Gain[dBD] z Match Match

NEC-P!,'; ... ...... fig, 9: Fair 11.49 7.2+i*9.8 431.0 Good 11.41 8.6+i*3.1 YO Fig. 12:f)1i~ 11.49 9.5+i*4.6 431.7 Good 11.41 10.3+i*l.7 ............... -.. ·-·-MN Fig. 10.5 17.5-j*18.6 438.0 Good 11.37 9.6+j*0.7

13:Poor YAGIANAJ Fig. 14:Fair 11.55 6.6+j*12.6 430.0 Good 11.42 8.7+j*l.3 YSIS ·- ···················· ·······-···--··· YAGIMAX Flg.15:Poor 10.0 22.9-i.20.4 440 Good 11.39 10.8+i•o

RADICAL Fig. 9.55 NIA 443 Good 11.45 NIA 16:Poor

ELNEC Fig. 10.49 16.8-j*15 437 Good 11.25 10.2+j*O lO:Poor

5.6 Case 3: Tonna-21

The TONNA-21 is a standard amateur antenna for 432 MHz, which is on the market since more than 10 years. Pattern and gain were measured very often. Features of this design are low input impedance of 12.5 Ohms, to match directly to a folded dipole with 50 Ohms, high gain and very high FIB. Gain measurements vary from 15.1to16dBD with a mean value of 15.6 dBD

5.6.1 Dimensions

See Table 3.

DUBUS 3/1992 50


Table 3*: Case 3 (21EITonna)

-... Element Position Half Length

fmml fmml lL .. 0 176.5

FEED 13? 160 01 187 159 ... _

D2 255 154 D3 440 149 04 623 149 -··· D5 823 146.5 D6 105? 146.5 D7 1328 146.5 ..

D8 1598 141.5 D9 1868 141.5 DlO 2138 1A 1 "

Dll 2408 141.5 --·· 012 2678 141.5 D13 2948 139

D14 3218 139 015 3488 139 D16 3758 136.5

·······--

D17 4028 136.5 D18 4298 134 D19 4568 134

Environment: Free SpHce

Element-Diameter: 4mm Feeder: Dipole Measuring Frequency: 432.0MHZ Measured Gain: 15.6dBD Measured Pattern: Figure 17 • Given are the free space element lengths

5.6.2 Results

NEC-PC

" - s ---lll! .

-1S :

-21t .

-ZS

_., .

-lS ~

-48

-45 :·

.,,. -II.If' -148• -181!1' -68" -28' 28" 68" 11111° 148" Ultr

8 l8: tS.75 Al 432.00B 11b. free Spu:e

Bild/Figure 17: Simulation by NEC-PC: TONNA-21

mttA-Z1 di •...

- s :· -tu :

-1'

-lfl :-. '

-ZS > _., -35 :

-48

-4' . .. -tRR" -1.u1· -1•· -f.8' -21• :ar

I ti.II ~ 15.68 U4 r.a• 188" 148° lllft 0

43Z .DBB llh fl"'llf: Srt1ce

Bild/Figure 18: Simulation by YO: TONNA-21

Pattern match is medium on fm . Gain difference is +.15dB. Frequency offset for best pattern match is

-0.12%. Atfopt pattern match is medium.

YO Pattern Match is fair onfm. Gain difference is +0.08dB. Frequency offset for best pattern match is +0.4%. At fopt pattern match is medium.

MN Pattern Match is fair on fm . Gain difference is +U.18dB. Frequency offset for best pattern match is + 1 %. Atfopt pattern match is medium.

DUBUS 3/1992 51


E-DIAGRUIM. l(lGARITHMISC

4 3 2 · M H l i 1 · Elfmfnl f$fT (TOtjt.IA)

-4

-50dB

-1eo ·160 ·14D ·120 ·100 ·80 ·60 -40 .zo• o •20 t40 •60 •SO +100 +120 +140 •160 +1ao0

AIH~NNEN RICHT DIA GRAMM (Winkolgrade)

Bild/Figure 19: TONNA-21: Measured Pattern

" - s -19

-IS

-211

...... -45 :

_,,, .

-1111• -1<11r -uwr -fi8" -21• za• fill' um• 149• 188' I 41 ~ t'S.42 Ha 132."88 fib

108

1211 ... · · · t d8 · · · . . <Ah1li)}Zll and anootate plot

· · · . 68 CP)rint screen . Trac.,: C1D1S1R

. . . - . ' Ang other to tttt,

.0..-211 .... ····· ········ .. : . 38

.· . ·i_•>-iiA#~ · .. · ... wLlLJ .•.•... ·. : •••. ·Rd ...

.·' .·

·. ,.···

Bild/Figure 20: Simulation by MN: TONNA-21 Bild/Figure 21: Simulation by ELNEC: Tonna-21

DUBUS 3/1992 52


YAGIANALYSIS Pattern Match is medium on fm . Gain d1f·

ference is + .28dB.

YAGIMAX Pattern Match is fair on/ m. Gain difference

is -0.66dB. No better frequency could be found. Impedance on fm is not plausibk.

RADICAL

Bild/Figure 22: Simulation by YAGIMAX: TONNA·21

Pattern Match i~ pooronfm. n"incliff"r"""" is -1.15dB. Frequency offset for best pattern

match is + 1.8%. At /opt pattern match is good.

ELNEC p=~------- .. dlc.1 --------~ Pattern Match is fair onfm . Gain difference

is -0.16dB. Frequency offset for best pattern

match is + 1.4%. Impedance on f m is not plausible.

File lial"le FTZ1-1.W I-plane

~.~ ..

~········ \;\ tm•··

r!l'I ..

~-,, . . . . iii . Iii . . . i Fui·111anl &a.hr • 1&.tr'}Bl

Bild/Figure 23: Simulation by RADICAL: TONNA-21

Pattern Match is good on fm . Gain dif·

ference is +.15dB. Frequency offset is +0.23% for best pattern match. On fopt

pattern match is excellent

YO Pattern Match is poor on fm . Gain dif·

ference is +0.16dB. Frequency offset for besl pallcrn mal<:h is+O. 7%. At fopt pat

tern match is good.

MN

Pattern Match is poor on fm . Gain dif·

ference is ·0.75dB. Frequency offset for best pattern match is 2.5%. Atfopt pattern

match is medium.

DUBUS 3/1992

5.7 Case 4: 23EI Tonna on 1293MHz

5.7.1 Dimensions

See Table 4.

5. 7.2 Results

NEC-PC

AHTEtfHA HflME: TOHttA21 frequency: 432 l'IHz

Bild/Figure 24: Simulation by YAGIANA: TONNA-21

Y"gi Simnl>tinn: C:AD-Softw>re for Ev>luatinn and Development by DJ9BV&DL6WU

CHART NO. 220 SCtENTIFIC·ATV.NTA, INC ~Tl,, .. NTA, ij[ORIJI~

F"RO.JtCT

ENGRS.

REMARKS r I i T""""'~ ?"> .-<i '\1µHz

Bild/Figure 25: TONNA-23: Measured Pattern

CASE 3: TONNA-21 YAGI on 432.0MHz

Pattern: Fieure 19 Data: Table 3 ·······-··

Program Simulation @fm "'432.0MHz Simulation @/opt

Pattern· Gain[dBD] z fopt ,[MHz] Pattern- Gain[dBD] z Match Match

NEC-PC Fig. 17: 15.75 11.2-j*19.5 432.5 Medium 15.77 l0.6-j*18.3 Fair

YO Fi1:1. 18:Fair 15.6 10.4-i* 13 433.5 Medium 15.7 9.3-i*lO

MN Fig. 15.88 NIA 436 Medium 15.78 20:Poor

---------·--------~----~-----·

YA GIANA, Fig. 15.88 6.6+j*12.6 436.0 Good 15.78 YSIS 24:Medium YAGIMAX Fig.22:Fair 14.94 15·i*28 NIA

DUBUS 3/1992 54

Yagi Simulation: CAD-Software for F.valnntion and Development by DJ9BV&DL6WU

Z3 Eleoocnt formalt'lwl tM£C) lllt"

....

...._. ' 4'fU !'

9 di = 16.ZS iBd. :zta•

... ...

,..

' 1281

.. ' l!il"

1Z93.M9 lllz

Bild/Figure 26: Simulation by NEC-PC: TONNA-23

IH=U..21iDI 1293.l!llB llb:

Bild/Figure 27: Simulation by YO: TONNA-23

RADICAL Fig. 14.45 NIA 2l:Poor -

ELNEC Fair 15.44 15.3-i*28.9

Table4*: Case4 (23E1Tonna)

----·-· Element Position Half Length

rmm1 fmml R 0 57.5 FEED 34_ 51 Dl 62 49.5 ··-

02 94 48 D3 161 47.5 04 228 47 05 295 46.5 --.. -06 375. 46 D7 464.5 45.5 D8 554 45 D9 643.5 45 010 733 45 011 822.5 45 012 912 45 013 1001.5 45

------ -

D14 1091 45 DJS 1180.5 45

016 ·- 1270 45 -------017 1359.5 45 -------j)18 ... 1449 :1:,5 019 1538.5 45 D20 1628 45 D21 1703 45 --····

Environment: Free Space Element-Diameter: '.lmm Feeder: Dipole Measuring Frequency: 1293MHZ Measured Gain: 16.ldBO Measured Pattern: Figure 17 * Given are the free space element lengths

440 15.45 fair NIA

438 15.84 Good 9.5-17.9

DUBUS 311992 55


CASE 4: TONNA-23 YAGI on 1293MHz

Pattern: Figure 25 Data: Table 4 -.. ········--····-··-·-··-----

Program Simulation @f m =1293MHz Simulation@ f opt

Pattern· Gain[dBD] z fopt ,[MHz] Pattern- Gain[dBD] z Match Match

NEC-PC Fig. 26: 16.25 11.9-j* 12.3 1296 Good 16.18 12.1-9.9 Good

YO Fig. 16.26 11.4-j* 16.4 1305 Gnod 16.37 12.2-j*9 27:Poor

MN Fig. 15.35 1325 Medium 28:Poor

YAGIANAI Fig. 15.81 12-j*4.7 1288 Good 16.04 11-j*8.4 YSIS 29:Medium YAGIMAX Fig.30:Poor 15.12 l 7.3-i*29.6 NIA RADICAL Fig. 14.45 NIA 1345 Fair 16.25 NIA

31:Poor ELNEC NIA

YAGIANAL YSIS Pnttem Match is medium on fm . Gain difference is 0.3dB. Frequency offset for best pattern match is

-0.6%. Atfopt pattern match is good.

YAGIMAX Pattern Match is poor on fm . Gain difference is -1.0dB. No best match frequency could be found. Impedance on f m is not plausible.

RADICAL Pattern Match is poor on fm . Gain difference is -l.65dB. Frequency offset for best pattern match is 4%.

ELNEC 23 ele Vagi ~ch F9FT 330' 30'

Free Az

Not available, because antenna is too large for ELNEC.

5.8 Case 5: 37El DL6WU on 1296MHz

5.8.1 Dimensions

The dimensions are in Table 5.

5.8.2 Result~

Measurements Measured Pattern is in Fig. 31.

NEC-PC

Pattern Match is good on fm . Gain difference is

-0.2dB. No frequency offset.

DUBUS 311992

300' &O'

9!1'

120°

710~

1J ~ 15.35 dDd 12%.000

Bild/Figure 28: Simulation by MN: TONNA-23

56

Yagi Simulation: CAD-Software for Evaluation and Developme_l)t by DJ9BV&DL6WU

dB Alf!EHl1A HAME: IOHHA23 Frequency: 1293 MHz

!51--1--t----+-+-+-+-+-+-+-+--+---+---+---+-+-+-+-i

Bild/Figure 29: Simulation by YA GIANA: TONNA-23

··~---~--~~--~---~-, . 4· 4

-··

.....•........ 1 ................ J ....... [. Jmw1f.1m BT 11."26 11ai . FILE: 1UttA23 .

Bild/Figure 30: Simulation by YAGIMAX: TONNA-23

FllP. Hit1"'f! ::: lnnn~n.RAD E .. plane

Forward Gain= 16.6 dBi

... · .... ···

':··········'

Fill Ratio • 25.6 dB

Bild/Figure 31: Simulation by RADICAL: TONNA-23

DUBUS3/1992 57

Table S*: Case S (37EL DL6WU)

----Element Position Half

[mm] Length

R 0 FEED 50 Dl 68 D2 110

D3 160 D4 218

D5 283 D6 353 ___ ,_,

D7 47_6 D8 502

Q2 582 DlO 665 Dll 751 Dl2 841 D13 933 D14 1025 DIS 1117 D16 1209 D17 1301 D18 1393 D19 1485 D20 1577

D21 1669 D22 176_1 D23 1853 D24 1945

D25 2037 D26 2129 D27 2221 D28 2313 D29 2405 D30 2497 031 ?.'i89

D32 2681 D33 2773 D34 2865 ~--.. -D35 2957

Environn1ent;

Element-Diameter: Feeder:

rmml 55 53 48 47.25 4(i,5 45.75 ----

·-----

·----

45 44.5 44 43.5 43

43 42.5 42.5 42 42 42 41.5 41.5 41.5 41 41

41 40.5 40.5 40.5

'f_Q 40 40 40 39.5 39.5

·----------

39 5

39.5

39 39 39

Free Spa<.;e 4mm Dipole

Yagi ~imnlation: CAD-Software for Evaluation and Development by DJ9BV&DL6WU

--- ,_' f f.TTERN MEA5UREMEN1

AN1'ENNA TYPE: ff (r 0 Mt.ASURE ~'f'' .c•c:E;.S,,_UL"T-"S----1

1-•R.cEccO.c.u.:_EN..CC'-'--------~"'-'V"--'v'-----if-~E:-suREMENT Pll.!.r ,~£~'------< MANUFACTURER· MF"A~UA:EM~Nt FRE.C: £ OWNER GAIN ( d8d)

STATED SPECIFICilTIONS av MANUFACTURER: 3 dB ~ 8£AMWJ OT H

GAIN (d&d) 3 d9·BE4MWIOTH FIB RATIO

f/B RAT 10 MAX SWR: SWR AT MEAS. ,RfQ. :

Ii 'in' - - ..

1.~- .. ~ {J .,

- - .E.

" ... .. - :;;; ~

~ ~

- o~ ,. f-

·- f...-~- - ....., f-

~

le ... .. --

" -· --• 0

N

---- "' ---- ,_ -·- - ·- 2

~

-"' ..

--z -~ ~

--0 -----

-- -:::: ... ~ --

§! - ---~ 0

!!! 0 2

RELATIVE flELD STRENGTH (dB) '

HASLEV, JUNE 1985

Hild/Figure 32: WU-37: Measured Pattern

DUBUS 3/1992 58

Yagi Simulation: CAD-Software for Evaluation and Development by UJ'IHV&ULoWU

_,. -1'

_,, -ZS

-38 :

-35 :

~48 .

-<S

"" -me• -He" -tee· --l.lt" -21· 29• 8 di 18 .116 cUhl

i>-Pltonc

. . ' ' ' '

. . rv'· ....... ,·.·· .. ···.······• ..

. . ·. ·· ...

1>11" 1111• 1'18• U18" 12%.008 rtll

free s,..,.,,

Bild/Figure 33: Simulation by NEC-PC: WU-37

" - s :

-18

-IS

_,. -ZS

-311

-35

-48

-« _,,,

-198" -MR" -188" -68" ··28" 29• 68" u111r 148" 188" 8 di= 16.56 II&! tZ'J6.llOU Pitz.

E-Plan" t ...... S", .......

Bild/Figure 35: Simulation by MNH: WU-37

" s .

_,, -1'

_,.

~:-v\. • · .. :: ....•.. - -:. : .. ···•· -<IS : ____ :_ .: ·-·.

-511 : ' - ' .. -"" . -111t• -t48" -1.B&" -{,8• -za• m•

8 ., 17 ,28 did E Pl•n•

(,

. ••

. te• 181,. 148" 188*

12'6 .8811 1lb: '""'"!<I"'~

Bild/Figure 34: Simulation by YO: WU-37

YO Pattern Match is poor on fm . Gain difference is -1.0dB. Frequency offset for best pattern match is + 1.1 %. At fopt pattern match is good.

MN Pattern Match is poor on fm . Gain difference is

-1.74dB. No best match frequency could be found.

YAGIANALYSIS

Pattern Match isgood on fm . Gain difference is +O. ldB. No frequency offset.

YAGIMAX

Pattern Match is poor on fm . Gain difference is -0.35dB. No best match frequency could be foum.l.

Impedance on f m is not plausible.

RADICAL Antenna was not investigated.

CASE 5: WU-37 YAGI on 1296MHz Pattern: Figure 32

Data: Table 5 ····-··-

Program Simulation @ fm =1296MHz Simulation@ fopt

Pattern- Gain[dBDl z fnpt ,[MHz] Pattern- Galn[dBD] z Match Match

NEC-PC Fig. 33: 18.06 47.2-j*9.9 8.6+j*3.1 Good

DUBUS 3/1992 59


YO Fig. 17.28 38.9-j*2.7 1310 Good 34:Poor

MN Fig. 16.56 NIA NIA 35:Poor

YA GIAN Al Fig. 18.4 43.3-j*S.2 YSIS 37:Good YAGIMAX Fig.36:Poor 15.74 NIA RADICAL NIA NIA ----···--··

ELNEC NIA

19 Freqttency; 1296 MHz

I··· ... · ·0 dB" 'ta.4' dBd ·

' ' ' I .. · E-Fattern · · I· I ·I

1s I . 50

Bild/Figure 37: Simulation by YAGIANA: WU-37

-ut ... ., .... .,.:., .. "'""":

'

........ : .............. : ............. ············•· .... ··'·········· ,., ... ·'············· : : : ll»llili.1m or 11 .ee

FIL! : IJUZ3..37 -911 -u -311 • 311 - - 129

Bild/Figure 36: Simulation by YAGIMAX: WU-37

DUBUS 311992 60

17.77

• -·

37.4-j*0.4

.. NIA

Yagi Simulation: CAD-Softw~re for Evaluation and Development by DJ9BV&DL6WU

6. Comparison ot" Result~

Table 6: Result•

ANT Measurement Simulation

NEC-PC YO MN ... Gain i>atterE F A Gain Patten )ITset'!I A Gain 1>atter11 )ITset'!I A Gain Pattern )ITset'!I

Nl:lS- 12.2 Fig. 1 400 -0.18 Good -0.1 -0.25 Good +0.13 -0.55 Poor +1.4 12 LYN- 11.25 Fig. 10 432.5 +0.24 Fair -0.35 +0.24 Fair -0.18 -0.75 Poor + 1.3 GBY

--·······

TON- 15.6 Fig. 19 432 +0.15 Fair -0.12 0.0 Fair +0.4 +0.18 Poor +1.0 NA-21 . ···- . ·- ·····-

TON- 16.l Fig. 24 1293 +0.15 Good +0.23 +0.16 Poor +0.7 -0.85 Poor +4.0 NA-23 .;.;......;:.-.....

WU- 18.3 fig. 31 1296 -0.24 Goorl 0 -LO poor 1.1 -1.74 Poor NIA 37

ANT Simulation

-········--

YAGIANALYSIS YAGIMAX RADICAL ELNEC -----------

A Gain DatterE )ITset':! A Gain Patten OITset A Gain Pattern [)tTset'!I A Gain Pattern )tfset'!I

-·--- --·-------· NBS- -0.18 Poor -0.5 -0.83 Fair +0.4 -1.35 Poor +2.5 -0.55 Poor +1.4 12 LYN- +0.3 Fair -0.6 -0.25 Poor +1.7 -1.7 Poor +2.4 -0.76 Poor +l.04 GBY ... TON- +0.28 Mediur ID -0.86 Fair NIA -115 Poor +1.85 -0.16 Fair +1.4 NA-21 -TON- -0.3 Mediur IJ-0.6 -0.98 Poor NIA -1.65 Poor 3.8 NIA NA-23 ------·--WU- +0.1 good 0 -1.0 poor NIA NIA NIA NIA NIA NIA NIA 37

Table 7: Mean Values ---·· - ---Prog Measurement versus Simulation

Ar: Offset% Patte~

NEC 0.02 -0.07 1mod to medium YO -0.17 +0.43 Fair MN -0.93 2.0 . J'por YA +0.04 -0.34 ;Medium to Fair YM -0.78 +LO Poor RAD _;;;;....;;;;;.; __ -1.46 +2.63 Poor EL -0.49 +1.2R Fair to Poor

DUBUS 311992 61


7. Conclusion

7.1 General

The range of computer programs offered to the amateur who seeks support in Yagi design work runs from very simple to highly sophisticated, although the differences are not always visible at first sight.

Presently it appears that only a full-fledged method-of-moments computation applying higher order approximation plus treatment of end effects and resistive loss can lead to results matching the accuracy of good measurements. The only program of this type available to amateurs is NEC in the PC version. Unfortunately, it is slow and the available user surfaces are not very well suited for experimentation and design work. The great value of NEC lies primarily in its function as a standard against which the results of fast design programs can (and must) be checked. The precision of NF.C: simulations has been treated in the chapter on antenna measurement, the results were fully confirmed by the examples selected for the comparison test. The program will therefore not be further evaluated in this chapter.

7.2 Evaluation of Yagi Software

7.2.1 YO

Only the simulation part of YO is considered here, remarks on the optimizer part are to be found in chapters 4. and 8.

The method of computation is not known but it appears that a full-element (unsegmented) approach is used in combination with carefully chosen correction factors for element diameter and current distribution on short elements. Computation is fast and astonishingly precise for short and medium-length antennas. The somewhat less satisfactory results on long, tapered Yagis show up the limitations of this procedure. The user surface is excellent. YO data files can be automatically converted into NEC input files and NEC output plotted with the YO plot routines. This is perhaps the best feature of the software. The above-mentionned correction factors which m•tch the results closely to NFC can he switched to provide a match to MININEC. The author himself discourages the use of this mode. The findings on MN/MININEC in this test underline his recommendation.

7.2.2 MN/MININEC

Although element segmentation and a method-of-moments algorithm are employed, MININEC and its derivatives are disappointingly inaccurate. Obviously this is caused by the use of faster and less space-consuming approximation procedures and the missing treatment of end effects. A large frequency error, poor pattern fidelity and the low number of permissible segments make the software unacceptable for work on medium-sized or long VHF Yagis. There are applications in the modelling of small irregularly shaped antennas like groundplanes, vees or the like; MN eases the statement of such geometries. By and large, however, this software is obsolete.

7.2.3 YAGI ANALYSIS

Like in the case of YO no information was available on the computation methods. Probably a similar approach is employed. The program is fast and relatively accurate, the surface is user-friendly. Except for the missing bridge to NEC this software is in a class with YO.

DUBUS 3/1992 62


7.2.4 YAGIMAX

The simplistic computation based on full elements and sinusoidal current distribution makes this program by far too inaccurate for serious design or simulation work. Especially on long arrays with correspondingly short elements the deficiencies of this approach become obvious, patterns are reproduced so poorly that

no best match frequency could be determined. The user surface leaves a lot to be desired.

7.2.5 RADICAL

This is the least accurate software in the test. What has been said about YAGIMAX is true for Radical to an even higher degree. Furthermore no feed impedance is calculated - the program can hardly be termed more than a toy.

7.2.6ELNEC

Like MN this is basically MININEC in a more user-friendly

package. Results are in the same class though not identical, probably due to a different choice of some parameters.

7.3 Ranking

The results of the comparison test clearly group the software packages into three classes:

1. The assumed position of NEC as precision standard was confirmed. 2. YAGI ANALYSIS and YO show that surprising precision can be obtained with simpler and faster

algorithms through appropriate correction factors. From a practical point of view YO is to be preferred because of its link to NEC.

3. Astonishingly enough the MININEC-based programs are not or only slightly more accurate than the simplistic ones based on uncorrected half-wave element calculation. The members of this group can not be recommended for serious work.

7. Schlu6betrachtung

7.1 Allgemeines

Die Reihe der Computerprogramme, die dem Amateur fiir den Entwurf von Yagis zur Verfiigung stehen, reicht von sehr einfachen bis zu hochentwickelten Produkten, wobei die Unterschiede nicht immer auf den ersten Blick zu erkennen sind.

Gegenwiirtig scheint es, daB nur der Einsatz der Momentenmethode in Verbindung mit Niiherungsverfahren hOherer Ordnung sowie der Behandlung von Endeffekten und Widerstandsverlusten zu Ergebnissen fiihrt, die iihnlich genau wie gute Messungen sind. Das einzige fiir Amateure zugiingliche Programm dieses Typs ist NEC in der PC-Version. Leider ist es langsam und die verfiigbaren Benutzeroberfliichen sind fiir Versuchs- und Entwurfsarbeit wenig geeignet. Der groBe Wert dieser Software liegt eher in ihrer Funktion als Normal, mit dem die Ergebnisse schneller Entwurfsprogramme abschlieBend gepriift werden k6nnen (und miissen). Die Genauigkeit von NEC-Simulationen wurde im Kapitel iiber Antennenmessungen (3.2) behandelt, die fiir den Test ausgewiihlten Beispiele bestiitigen die dort gemachten Anssagen. Das Programm wird deshalb in diesem Kontext nicht weiter behandelt.

DUBUS 3/1992 63


7.2 Bewertung der Yagiprogramme

7.2.1 YO

Nur der Simulationsteil von YO wird hier betrachtet, Bcmerkungen zum Optimierer finden sich in Kap. 4 und 8.

Das Rechenverfahren ist nicht bekannt, abcr cs bcstcht Grund zur Annahmc, dal3 unscgmcnticrte Ganzelemente berechnet werden mit sorgfaltig gewiihlten Korrekturen fiir die Elementdicke und den Strombelag auf kurzen Elementen. Die Berechnung ist schnell und zumindest bei kurzen und mittellangen Antennen erstaunhch genau. Vie etwas weniger befriedigenden Ergebnisse bei langen gestuften Yagis zeigen die Grenzen des Verfahrens auf. Die Benutzeroberfliiche ist ausgezeichnet. YO-Datenfiles konnen automatisch in NEC-Eingabefiles gewandelt werden und NEC-Ausgabedaten in das YO-Plotforrnat. Das ist eins der interessantesten Leistungsmerkmale dieser Software.

Die oben genannten Korrekturfaktoren kiinnen so umgeschaltet werden, daB eine Anpassung der Ergebnisse an MININEC erzielt wird. Der Urheber rat jedoch selbst von diesem Mode ab; die Resultate des vorliegenden Tests unterstreichen seine Empfehlung.

7.2.2 MN/MININEC

Obwohl die Momentenmethode und segmentierte Elemente verwendet werden. sind MININEC und seine Abkommlinge enttiiuschend ungenau. Offensichtlich liegen die Griinde in der Anwendung schnellerer und weniger speicheraufwendiger Niiherungsverfahren und dem Verzicht auf die Berechnung von Endeffekten. Der grol3e Frequenzfehler, die geringe Wiedergabetreue der Diagramme und die geringe zulassige Gesamtzahl von Segmenten machen diesen Typ Software fiir den Entwurf mittellanger und !anger UKW-Antennen ungeeignet. Sie ist brauchbar fiir die Modellrechnung an kleinen, unsymmetrischen Antennen, wie Oroundplanes und Vs, deren Oeometrie sich in MN recht gut fonnulieren lii13t, im groBen und ganzen sind aber MININEC-basierte Programme iiberholt.

7.2.3 YAGI ANALYSIS

Wie im Fall von YO war keine Information iiber das verwendete Rechenverfahren zu erhalten, wahrscheinlich ist es diesem iihnlich. Das Programm ist schnell und relativ genau, die Benutzerobertliiche ist anwenderfreundlich. Bis auf die fehlende Anbindung an NEC ist es in der gleichen Klasse wie YO.

7.2.4 YAGIMAX

Das einfache Rechenverfahren auf der Basis von Halwellenelementen mit sinusformigem Strombelag macht dieses Programm viel zu ungenau fiir ernsthafte Entwurfs- und Simulationsarbeit. Besonders bei langen Arrays mit entsprechend kurzen Elementen treten die Fehl er dieses Verfahrens deutlich zu Tage, die Diagrammc sind so ungcnau, dal3 die Frequenz der besten Ubereinstimmung nicht festgestellt werden konnte. Auch die Bedieneroberflache laBt viele Wiinsche offen.

7.2.5 JlAI>ICAL

Was iiber YAGIMAX gesgt wurde, gilt in noch hoherem MaBe fiir RADICAL, es ist das ungenaueste Programm im Test. AuBerdem fehlt die Berechnung von Eingangsimpedanzen - das Programm ist kaum me hr als ei n Spielzeug.

DUBUS 3/1992 64


7.2.6ELNEC

Wie MN ist dies dem Grunde nach MINI NEC in einer benutzerfreundlicheren Verpackung. Die Resultate sind iihnlich, aber nicht identisch, offenbar sind manche Parameter anders gewiihlt.

7.3 Reihung

Die Ergcbnissc des Vcrgleichs gruppieren die Softwa1cpak.clc gauL klar in drei Guppen:

1. Die vermutete Position von NEC als VergleichsmaBstab wurde voll bestiitigt. 2. YAGI ANALYSIS und YO zeigen, daB bei entsprechender Korrektur auch mit einfacheren und

schnelleren Rechenverfahren erstaunliche Genauigkeit erzielt werden kann. Vom praktischen Standpunkt ist YO vorzuziehen, da es an NEC angebunden werden kann.

3. Uie MININEC-basierten Programme sind erstaunlicherweise nicht odernurwenig genauer als die Simpelverfahren auf der Basis von unkorrigierten Halbwellenelementen. Von der Anwendung der Software dieser Gruppe fiir ernsthafte Arbeit muB abgeraten werden.

8. Proposals for Software Enhancements

8.1 YO

During the evaluation YO proved to very stable. No crashes or similar problems have been observed.

Functions:

On the functional side there are several deficiencies which make the use of this program somewhat difticult. lt's the only software which provides an optimizer. The optimizer is based on a steeppest gradient search algorithm. This method - as all others - is inherently 'shortsighted'. This means it can only find local optima. Without guidance from the user this optimizer, when operating in free run mode, will produce lots of structures which are optimal in a mathematical sense - it maximizes the gain function - but which are 'nonsense' designs from a electrical point of view. These 'non-working' structures' exhibit strange current profiles. low distances between parasitic elements and so on It's an absolute must to have an opportunity to envolve the electrical know how of the user about practical Yagi design into the design process. This implies facilities for interactive control of the optimizer. This should be:

Interactive Control:

1. Control of input impedance: The current tradeoff menu is insufficient. Required is a specification of a wanted input impedance (or a range) which serves as a constraint for the optimizer.

2. Control of sidelobes: The current tradeoff menu is insufficient. Required is a specification of a wanted sidelobe suppression (or a range) which serves as a constraint for the optimizer.

3. Control of the structure: It should be possible to define elements or group of elements. which are not alJowed to change by the optimizer. This would allow to tweak an already good design by adding a few elements or changing only some element dimensions without loosing the good design because the optimizer tries to change everything. This selective approach would be much hetter than the current 'total' optimisation approach which leads to 'impossible' Yagis.

Output:

An indication of the Joss factor (Effciency) would be valuable, because it would allow a judgement about the sensivity of the design1

.

1 This is based on the fact that overoptimi.zed Yagis have an abnormal loss factor.

DUBUS 3/1992 65


Structure definition: It should be possible to specify multiple reflectors.

Verification: The investigation clearly shows that MININEC and all similar programs have an insufficient accuracy for VHF-Yagis. This program is obsolete and even the usefulness for HF-Yagis is in doubt. It should be discarded as a verification tool because YO itself is much better. Only the verification by NEC-PC makes sense. This should be made clear in the documentation.

Apparently this is not clear in the US, as the many articles about MININEC applications show [2,3,4 ].

8.2 YAGIANAL YSIS

Some improvements from Version 3.0 to 3.3 are noticable. No crash problems have occured, except a hangup if you try to output a plot without a plotter. Also the program is mu<.:h faster.

Some functions are not implemented:

• Change of geometry input to position defintion of elements: Under the menu 'OPTIONS' one can select the submneu 'POSITION' but only a beep happens. This function is not implemented. The input of yagi geometry in terms of distances between directors is rather annoying, because in most cases the position of parasite elements is specified. This option is therefore very much needed.

• Also the submenu 'Driver Type' is not implemented. • Also the submenu Result-Grnph' uuJe1 menu 'Results' is not implementeJ.

Proposal: Either implement the functions or drop the submenu.

We would like the following functional improvements:

• Plot resolution is rather course and should be made user selectable • A~ a output medium a HP LaserJet (PCL) should be supported. • The plot should be printable to a file for further processing • The geometry should be printable

DUBUS 3/1992 66

Documents

Yagi Simulation: CAD-Software for Evaluation and Developmentthe-eye.eu/public/Books/Electronic Archive... · On the structural layer antennas are described by their geometry and the