hamradioshop.ro
Articole > Software pentru radioamatori Litere mici Litere medii Litere mari     Comentati acest articol    Tipariti

Programul de simulare 4NEC2 şi Magnetic LOOP

Cristian Colonati YO4UQ

                Abstract

                Pentru constructorii de antene sau evaluatorii performanţelor unor antene existente programele de simulare au devenit un puternic instrument de lucru care poate economisi timp precum şi resurse materiale şi financiare. Încercăm să dăm un exemplu relevant de simulare pentru o antenă magnetică în banda de 7 MHz cu ajutorul programului 4NEC2.

 

1.       Cine este 4NEC2?

Programul 4NEC2 este unul din cele mai performante programe pentru simularea sau evaluarea parametrilor şi performanţelor antenelor. A fost creeat de olandezul Arie Voors şi se poate descărca gratuit ultima versiune V5.8.14 din http://www.qsl.net/4nec2/ precum şi tutoriale şi documentaţie de ajutor. Numărul utilizatorilor se aprolpie de 50.000.

După o decompresare „unzip” programul se instalează foarte simplu cu “setup” într-un folder din discul C:4nec2 cu generare de icon-uri pentru lansare din display. Programul dispune în subfolderul „models” de nenumărate modele de antene de la cele mai simple antene dipol până la aperiodice “beverage”, directive sau “fractal”.

Pentru cei interesaţi să facă un exerciţiu de lucru cu 4NEC2 cu propunerile deja simulate în pachetul “models” găsiţi o excelentă exemplificare în limba română în cartea lui Florin Creţu YO8CRZ “RADIOTEHNICA Teorie şi Practică” capitolul 6.9 pag. 128÷146.

2.       Dece o simulare cu 4NEC2 pentru o antenă magnetică?

Motivul este simplu. Se doreşte argumentarea cu cele mai performante instrumente de proiectare valabilitatea şi oportunuitatea unei astfel de opţiuni pentru o antenă magnetică în condiţiile de instalare şi funcţionare actuale în mediul citatdin. Performanţele sunt la fel de bune, dacă nu chiar mai bune, decât cele ale unor antene dipol sau filare simple montate în amplasamentele urbane

3.       Resurse.

Programul 4NEC2 oferă în C > 4nec2 > models > HFsimple > magnetic2 un exemplu simplu pentru o antenă de formă patrată în banda de 14 MHz, care poate fi însă folosit numai ca exemplu pur orientativ.

Un exemplu complex, real, care ţine cont de material, dimensiunile acestuia, calitatea solului, amplasare, etc. a fost elaborat de către KP4MD dr. Carol Milalzzo (YL) sub numele de “Universal Magnetic Loop Antenna NEC Model”. Fişierul pentru această exemplificare poate fi descărcat din http://www.qsl.net/kp4md din link-ul cu numele de mai sus.

În APPENDIX-ul din acestă pagină sunt date trei modele de antene magnetice universale care pot fi testate cu datele intrinseci sau li se pot modifica datele, parametrii constructivi, pentru a evalua un nou model dorit. Fişierele modelelor universale oferite se importă în foderul “models” din C > 4nec2 de unde se pot începe simulările pentru datele existente sau modificările pentru un nou model. Importul din pagina html se face cu click dreapta pe numele fişierului şi Save as... în C > 4nec2 > models > KP4MD ca folder nou creat pentru antene magnetice sau ori unde doriţi.

Mai simplu, pentru doritorii de exerciţiu, două din fişierele .nec pentru simularea unor antene magnetice cu orientare verticală sau orizontală sunt ataşate prezentului material de unde pot fi salvate şi incluse în folderul „models”. Fişierul complet parametrizat de către Carol KP4MD ne oferă un fişier .nec pentru o antenă magnetică portabilă funcţionând în banda de 7 MHz.

Pentru informare se prezintă tabelul cu valorile parametrilor constructivi ai acestei antene care sunt incluşi în fişierul de generare “input.nec”. După cum se vede în fişierul original toate dimensunile sunt date în unităţi de măsură anglo-saxsone “feet” şi “inch” (1 feet = 0,3048m, 1 inch = 25,4mm) atât pentru bucla principlaă cât şi pentru bucla de cuplaj, alimentare. Dimensiunile din paranteze şi cu asterisc sunt pentru antena magnetică orizontală.

 

Variable values

Main Loop

Coupling Loop

Loop diameter (input feet)

d=6.5

d2=1.84 (1.61)*

Loop radius (calculated feet)

r=3.25

r2=0.92 (0.80)*

Loop wire braid diameter (input inches)

dia=0.32

dia2=0.135

Loop wire braid radius (calculated feet)

rad=0.0133

rad2=0.00562

Loop wire outer diameter (input inches)

od=0.405

od2=0.195

Loop wire outer radius (calculated feet)

orad=0.0168

orad2=0.0081

Number of polygon sides (input)

n=18

n2=18

Angle increment (calculated as 360°/n)

inc=20

inc2=20

Segments per wire

seg=1

seg2=1

Height of loop center above ground (feet)

ht=15.25 (12)*

ht2=17.40 (12)*

Height of main loop base above ground (feet)

h=12

Distance between tops of loops (feet)

h2=0.19 (0.14)*

Operating frequency frq=7.05 MHz

frq

Resonating capacitance pF

c=53.7 (53.6)*

Capacitor Q=2000 (typical)

qc

Capacitor resistance Rc (calculated)

rc

                După lansarea programului din icon-ul de pe display şi deschiderea fişierului Open > magloop.net (6kB) din “models” urmat de apăsarea butonului care seamănă cu un calculator de masă (al cincilea de la dreapta la stânga) se pot constata, în fereastra Main [V5.8.14] care se deschide, următoarele calcule pentru parametrii principali:

MagLOOP_4NEC2_1.png

                Frecvenţa = 7,05MHz / Impedanţa = 50 ohmi / Bucla principală un poligon cu 18 laturi / Bucla secundară un poligon cu 18 laturi / Material bucla principală cablu coaxial RG8/U tresa / Material bucla secundară cablu coaxial RG58/U / Solul cu conductivitate medie / Puterea la intrare 100watt ş.a.

                Ca rezultate principale ale calculului, după ce s-a apăsat pe butonul “RUN nec” (indicaţie care apare când plimbaţi prompterul pe butoane): Puterea radiată = 56,57watt / Impedanţa = 49,8+j0,17 ohmi / SWR = 1 ş.a.

                Notă: O antenă magnetică similară ca material, portabilă, pentru o putere de 10watt în benzile superioare a fost prezentată de către YO3GGX – Dan cu titlul “Antenă portabilă tip buclă magnetică (Magnetic Loop)” în site-ul:

http://www.radioamator.ro/articole/view.php?id=814

4.       Rezultate.

Fiindcă nişte grafice şi poze sugestive furnizate de către 4NEC2 fac mai mult decât 1000 de cuvinte să trecem la treabă şi să prezentăm:

a.        O antenă magnetică are ambele tipuri de polarizare în modelul său de radiaţie. Cele două tipuri de polarizare, verticală şi orizontală, produc lobi de radiaţie diferiţi şi câştiguri spaţiale diferite în geometria “pattern”-ului antenei.

b.       Sunt prezentate în continuare grafic următoarele situaţii pentru câştigul specific al antenei magnetice:

-        radiaţia polarizată vertical cu reprezentările spaţiale şi secţiunile maxime în plan vertical şi orizontal (Ver-gain)

-        radiaţia polarizată orizontal cu reprezentările spaţiale şi secţiunile în plan vertical şi orizontal (Hor-gain)

-        radiaţia totală a antenei cu ambele tipuri de radiaţie şi secţiunile „pattern” în plan vertical şi orizontal (Tot-gain)

-        reprezentările spaţiale colorate iar culorile sunt însoţite în partea dreaptă a ferestrei de o scară care prezintă atenuarea în dBi faţă de radiatorul ideal.

-        ultimele două reprezentări grafice sunt legate de determinarea E [V/m] şi H [A/m] a câmpului radiant apropiat (near-field) faţă de distanţa până la antenă pentru a preveni radiaţiile nocive. Se poate determina pentru orice punct din spaţiul antenei. Este prezentată valoarea câmpului E de 22,16V/m şi H de 0,049 la distanţa de 4,5m.



MagLOOP_4NEC2_311.png

                                Forma spaţială a lobilor pentru radiaţia polarizată vertical şi secţiune in planul vertical

 

MagLOOP_4NEC2_322.png

                                Forma spaţială a lobilor pentru radiaţia polarizată vertical şi secţiune in planul orizontal

 

MagLOOP_4NEC2_23.png

                                                     Intensitatea radiaţiei cu polarizare verticală a antenei magnetice în dBi

 

MagLOOP_4NEC2_411.png

                                Forma spaţială a lobilor pentru radiaţia polarizată orizontal şi secţiune in planul vertical

 

MagLOOP_4NEC2_422.png

                                Forma spaţială a lobilor pentru radiaţia polarizată orizontal şi secţiune in planul vertical

 

MagLOOP_4NEC2_7.png

                                                     Intensitatea radiaţiei cu polarizare orizontală a antenei magnetice în dBi

 

 

 

MagLOOP_4NEC2_211.png

                                                Forma spaţială a lobilor pentru radiaţia totală şi secţiune in planul vertical

 

MagLOOP_4NEC2_222.png

                                                Forma spaţială a lobilor pentru radiaţia totală şi secţiune in planul orizontal



MagLOOP_4NEC2_a.png

Intensitatea radiaţiei totale a antenei magnetice în dBi

 

Notă: Fiind o antenă portabilă, construită din cablu coaxial RG8/U, condensatorul variabil, care prezintă o greutate care poate deforma forma circulară a antenei, a fost montat în partea de jos. Link-ul de alimentare a fost amplasat la partea superioară. Intensitatea curentului în buclă precum şi intensităţile câmpurilor electric şi magnetic E şi H sunt maxime la partea superioară a antenei.

 

O ultimă intervenţie şi un mic comentariu asupra unui parametru deosebit de comentat şi contestat pentru antena magnetică şi anume: câmpul radiant apropiat – Near Field – şi determinarea valorilor lui cu ajutorul simulatorului pentru antene 4NEC2.

Când apăsăm butonul Generate (F7) programul ne prezintă fereastra de mai jos de unde ne alegem situaţia de analizat pe care dorim să mergem. Toată expunerea de până acum a fost făcută pe opţiunea Far Field pattern”.

În continuare vom genera cu ajutorul programului şi valorile pentru opţiunea „Near Field pattern” pentru a determina valorile de câmp din apropierea antenei. Aşa cum se vede s-a ales spaţiul pe verticală între 0 şi 10 metrii cu pasul de 0,5m şi spaţiul în planul antenei (axa X care generează câmpurile cele mai mari) între -5 şi +5 metrii cu pas de 0,5.

MagLOOP_4NEC2_b.png
 

Near_field.png Near_field_H.png

 

                Câmpurile E şi H la distanţa de 4,5m au valorile de 22,16V/m respectiv de 0,049A/m ceea ce este rezonabil.

 

5.       Scurte concluzii.

Pentru proiectanţii şi constructorii de antene pentru radioamatori este util să evaluaze o eventuală nouă realizare cu ajutorul unor instrumente gratuite şi extrem de performante.

4NEC2 este un program relativ simplu şi prietenos cu o paletă bogată de exemple din care se pot învăţa multe aspecte din tainele antenelor şi ale propagării.

4NEC2 are şi dezvoltări mult mai sofisticate care însă se vor descoperii pe măsura utilizării lui şi a consultării documentaţiei şi a discuţiilor pe forum.

Cu acestă prezentare am făcut în continuare lobby” pentru Magnetic LOOP care este în definitiv o antenă ca oricare alta, cu un bun compromis între dimensiuni şi performanţe.

La prezenta expunere sunt ataşate fişierele magloop.nec şi maglooph_gh.nec pentru cei care doresc să testeze şi să se familiarizeze cu programul 4NEC2.

Este ataşat şi fişierul .pdf al expunerii pentru cei care doresc să-l salveze sau sa-l tipărească.

Vă urez lectură plăcută şi cât mai multe DX-uri.

 

Cristian Colonati YO4UQ

Articol aparut la 10-11-2014

5531

Inapoi la inceputul articolului

Comentarii (6)  

  • Postat de Morel - 4X1AD (4x1ad) la 2014-11-11 16:27:38 (ora Romaniei)
  • Multumiri Cristian pentru noul episod din odiseea antenei magnetic loop. Intr-adevar, o imagine/ diagrama/grafic/tabela... valoreaza cat 1000 de cuvinte.


    4NEC2 este un soft foarte bun, potrivit radioamatorilor cu o baza solida de cunostinte in materie de antene. Celor la inceput de drum in materie de programe de simulare de antene cat si celor cu profesii nelegate de domeniul electronicii/electrotehnicii/fizicii, le-as sugera sa inceapa cu programul MMANA-Gal, prietenos si simplu. Dupa cateva luni de familiarizare cu principiile simularii si cu interpretarea rezultatelor, se poate trece la 4NEC2, care este mai complex, mai performant si mai sofisticat.


    Exista o afirmatie in textul materialului: "Performanţele (antenei magnetic loop-nota mea) sunt la fel de bune, dacă nu chiar mai bune, decât cele ale unor antene dipol sau filare simple montate în amplasamentele urbane". Cred ca aceasta concluzie ar trebui sustinuta de o comparatie a Gain-ului, F/B, impedantei si a unghiului de elevatie al unui model de antena magnetic loop vs. modelul antenei (mono)filare presupusa inferioara celei magnetic Loop. Totul peste Real Ground si la Real Height. As alege pentru comparatie un dipol in 1/2 Lambda sau scurtat, un Windom, un LongWire sau un RandomWire.


    73


    Morel


    4X1AD ex,YO4BE

  • Postat de Ioan Mircea Radutiu - YO3AOE la 2014-11-14 20:26:03 (ora Romaniei)
  • Multumim! pentru noul articol,mai ales in sensul in care deschide noi perspective de cunoastere in domeniul atit de divers,interesant si mai ales important al antenelor noastre.Desi-din cite am inteles eu din lecturi anterioare-Morel nu este un adept chiar infocat al antenelor magnetice,si eu asi fi de parere ca ar fi extrem de util un tabel comparativ intre citeva-macar doua-trei-antene clasice si una magnetica,din care sa se poata trage niste concluzii,chiar daca valorile tabelare ar fi calculate-determinate tot cu acelasi program de simulare prezentat.Este absolut evident ca la realizarile practice-concrete vor aparea unele abateri fata de rezultatele obtinute din/prin simulari,dar in nici un caz cu un ordin sau mai multe de marime,deci am putea sti unde ne situam cu parametrii antenei in cauza.73!,Nelu-YO3AOE

  • Postat de Morel - 4X1AD (4x1ad) la 2014-11-14 21:43:21 (ora Romaniei)
  • @YO3AOE: expresia "adept infocat" este cam prea emotionala intr-un domeniu tehnic, ingineresc. Antena magnetic loop este o solutie salvatoare pentru cei care locuiesc in locatii extrem de problematice, in care nu se pot instala antene cu impact vizual mare (atat ca dimensiuni cat si ca aspect), care provoaca impotrivirea vecinilor.


    In afara de avantajul gabaritului redus, antena magnetic loop are si un raport S/N bun, ceea ce o face utilizabila la receptie si in anumite cazuri de interferente. In opinia mea, avantajele ei se opresc aici si nu are rost sa creeam noi mituri despre performante nemaivazute. Nu ducem lipsa de legende urbane din diversele epoci de aur, devenite nesustenabile din clipa in care cunoasterea si informarea noastra a avansat serios. Este mai rational tehnic sa comparam performantele antenei magnetic loop cu cele din categoria ei (antene foarte compacte). Adica sa dam Cezarului ce-i al Cezarului, dar nimic mai mult.


    Si daca tot amintim de comparatii, cred ca nu este un lucru trivial de facut datorita complexitatii parametrilor principali care caracterizeaza performanta electrica si de radiatie ale antenelor noastre. Trebuie stabilita si ponderea acordata fiecarui parametru (evident functie de destinatia antenei si asteptarile noastre). O antena poate avea un raport S/N bun dar sa aiba un castig puternic negativ fata de o antena de referinta. O alta poate da excelente rezultate la emisie in benzile inferioare dar aproape imposibil de utilizat la receptie; alta are un SWR si BW modeste dar o directivitate foarte buna; alta are un castig mediocru dar un raport F/B foarte bun. Iar sirul de exemple poate merge foarte departe. In esenta, si comparatiile trebuie nuantate.


    Cred ca seria de articole ale lui YO4UQ este un Vade Mecum excelent pentru cei care (de nevoie) cauta solutii foarte compacte si doresc sa inteleaga atat functionarea deloc rutiniera a unei antene magnetic loop, cat si micile secrete de calcul si de constructie. Sa nu uitam ca YO4UQ a fost si primul care a abordat aici in mod ingineresc problematica hazardui potential pus de antenele foarte apropiate de factorul uman.


    73


    Morel 4X1AD ex.YO4BE

  • Postat de Ioan Mircea Radutiu - YO3AOE la 2014-11-15 03:07:09 (ora Romaniei)
  • Da,perfect de acord cu cele spuse-scrise de Morel, mai ales ca pe vremuri am experimentat si eu o asemenea antena magnetica pentru banda noastra de 10m,unde mi-a mers foarte bine,desi am folosit-o destul de putin.Dupa parerea mea,ceea ce cistiga antenele magnetice din punctul de vedere al spatiului (mic) ocupat si usurintei de construire-instalare,pierd prin banda foarte ingusta si deci implicit prin necesitatea permanenta de re-acordare prin tele-comanda,care adauga complicatii constructive restrictive.Personal am ajuns sa fiu eu un adept infocat-hi! al antenei cadru mare orizontal,care imbina gama foarte larga (evident numai cu un adaptor de antene) cu o receptie extrem de silentioasa,in sensul de un raport semnal-zgomot foarte bun,avind si un zgomot propriu foarte mic,comparabil numai cu al antenelor in bucla inchisa de tipul dipol repliat, beam sau quad,avantaj mare mai ales in mediul urban aglomerat si extrem de poluat radioelectric. 73!,Nelu-YO3AOE

  • Postat de Florin - YO8CRZ la 2014-11-15 23:40:19 (ora Romaniei)
  • Mulțumiri pentru noul articol. Doar un scurt comentariu (completare) legat de comportarea la recepţie a unei antene magnetice. Diagramele de radiație prezentate de YO4UQ arată atât câştigul total al antenei cât şi separat câștigul pentru polarizare verticală şi orizontală. Diagrama de radiaţie în plan orizontal arată modul diferit în care o antena magnetică răspunde la undele polarizate vertical şi orizontal. Imaginile 3D color sunt foarte sugestive. Aici este secretul pentru care o antena magnetică (corect executata) permite anularea cu 40dB sau mai mult a unui interferator local- cu polarizare bine definită şi caracteristica practic omnidirecțională pentru semnalele venite prin reflexie ionosferica. După reflexia ionosferică undele, indiferent de polarizarea cu care au fost emise, devin polarizate circular sau eliptic. Din această cauză pentru undele reflectate de ionosferă caracteristica antenei care trebuie considerată este cea care dă câștigul total. Câștigul total al antenei este practic suma câștigurilor pentru polarizare verticala si orizontală. In cazul antenei magnetice, diferența de comportare funcție de polarizarea undelor asigura posibilitatea rejecției zgomotelor produse local (daca nulul din diagrama este orientat pe direcția semnalului interferator), in timp ce semnalele ionosferice nu sunt afectate indiferent de direcția din care vin. 73 Florin YO8CRZ

  • Postat de Morel - 4X1AD (4x1ad) la 2014-11-16 12:36:14 (ora Romaniei)
  • @YO8CRZ: intr-adevar, Florin, si eu am profitat de nulurile accentuate si am folosit o antena magnetic loop (amplasata pe bloc pe un suport de 4m si rotita cu un mic rotor TV) pentru a permite cat de cat receptia printre armonicilor de 50Hz provenite de la izolatorii a doua retele de 6KV si una de 100KV amplasate la 30, respectiv 150m de casa mea. In scurtele perioade de acalmie (dupa curatarea periodica a izolatorilor), semnalele receptionate de antena magnetica erau cu multe puncte S mai slabe decat antenele mele filare (slopere, W3DZZ, Inv.Vee, LW de 42m) amplasate intre cei 4 piloni pe care am reusit sa-i montez pentru beamurile de HF.


    Semnalele de la antena magnetic loop erau mai slabe chiar si decat cele produse de patru din cele cinci antene de zgomot folosite intr-un alt sistem de noise cancelling JPS (acum TimeWave) ANC-4. Vorbesc de trei RandomWire foarte scurte si joase, un LW si un vertical scurtat, fara radiale. Doar bastonul vertical de doar 3m producea un semnal asemanator sau ceva mai slab (si mai zgomotos) decat al antenei magnetic loop. Acum, ultima mea varianta de magnetic loop se afla ascunsa in balconul unui amic care locuieste intr-o locatie total restrictionata pentru antene si este fericit ca poate face si el ceva legaturi, in special in CW si moduri digitale.


    73


    Morel, 4X1AD ex.YO4BE

    Scrieti un mic comentariu la acest articol!  

    Opinia dumneavoastra va aparea dupa postare sub articolul "Programul de simulare 4NEC2 şi Magnetic LOOP"
    Comentariul trebuie sa se refere la continutul articolului. Mesajele anonime, cele scrise sub falsa identitate, precum si cele care contin (fara a se limita la) atac la persoana, injurii, jigniri, expresii obscene vor fi sterse.
    Comentariu *
     
    Trebuie sa va autentificati pentru a putea adauga un comentariu.


    Opiniile exprimate în articole pe acest site aparţin autorilor şi nu reflectă neapărat punctul de vedere al redacţiei.

    Copyright © Radioamator.ro. Toate drepturile rezervate. All rights reserved
    Articole | Concursuri | Mica Publicitate | Forum YO | Pagini YO | Call Book | Diverse | Despre Radioamator.ro | Contact