Simulation eines 2-m-Yagi mit 5 Elementen mit NEC2

Warum vor dem Schneiden simulieren?

Das Schneiden von Aluminiumrohren für einen Yagi ist billig. Es falsch zu schneiden, festzustellen, dass die Verstärkung 1,5 dB unter dem liegt, was Sie erwartet hatten, und dann das Ganze neu aufzubauen — das ist teuer und nervig. Bei Arbeiten mit schwachem Signal bei 144 MHz, egal ob Sie EME (Earth-Moon-Earth Moonbounce) oder troposphärische Streuung verwenden, ist ein Verstärkungsfehler von 1 dB kein akademisches Rundungsproblem. Wenn Sie es mit einem EME-Pfadverlust von etwa 252 dB zu tun haben, ist jedes einzelne dB wichtig. Man spürt es im Grundrauschen.

NEC2 (Numerical Electromagnetics Code) ist seit etwa 40 Jahren der Referenzsimulator für Drahtantennen. Er löst die Integralgleichung nach der Momentenmethode (MoM) für die Stromverteilung auf Drahtstrukturen. Fernfeldmuster, Verstärkung, Front-zu-Back-Verhältnis und Impedanz am Einspeisepunkt werden in Sekundenschnelle erkannt. Das Antenna Sim-Tool bringt NEC2 direkt in Ihren Browser — keine Linux-Installation, kein Kompilieren des alten Fortran, nichts davon.

Das Design: 5-Element-Yagi bei 145 MHz

Warum 5 Elemente statt 3? Ein Yagi mit 3 Elementen auf 2 Metern liefert in der Regel eine Verstärkung von etwa 7,5—8 dBd mit einem Verhältnis von vorne nach hinten von vielleicht 20—22 dB. Das ist in Ordnung für lokale SSB-Arbeiten, aber nicht genug für EME, wo Sie jedes dB benötigen, das Sie aus einem einzigen Boom herausholen können. Das Verhältnis von vorne nach hinten spielt ebenfalls eine Rolle, da Grundgeräusche aus dem hinteren Kegel direkt Ihre Systemgeräuschtemperatur erhöhen — und das beeinträchtigt Ihre Fähigkeit, schwache Signale zu hören.

Ein gut optimiertes Design mit 5 Elementen erreicht eine Verstärkung von etwa 10 dBd mit einem F/B-Wert von 26—28 dB. Das ist eine deutliche Verbesserung von über 2 dB gegenüber der 3-Element-Version, was einer mehr als Verdoppelung der Sendeleistung beim Empfang entspricht. Bei einer Single-YAGI-Station ist dieser Unterschied enorm.

Simulationseingaben

Folgendes geben wir in NEC2 für das erste Modell ein:

Die Elementlängen folgen dem typischen Yagi-Muster: Der Reflektor ist am längsten, das angetriebene Element ist etwas kürzer und die Länge der Direktoren nimmt zunehmend ab, je weiter Sie sich bewegen. Der Durchmesser von 12 mm ist eine übliche Aluminiumrohrgröße — leicht zu beschaffen, steif genug für einen 2,3 Meter langen Ausleger und dick genug, dass Sie sich keine Gedanken über Windlasten machen müssen.

Für die reale Bodensimulation fügen wir Bodenparameter hinzu, die einen typischen Boden modellieren:

Diese Bodenparameter stellen einen durchschnittlichen Boden dar — nicht den schlechtesten, nicht den besten Fall. Wenn Sie sich auf sandigem Boden in Küstennähe befinden, ist Ihre Leitfähigkeit möglicherweise niedriger. Wenn Sie sich auf Lehm befinden, ist sie möglicherweise höher. Aber 0,005 S/m sind für die meisten Standorte ein vernünftiger Mittelweg.

Ergebnisse im Bereich Freiraum

Wenn wir die Antenne zuerst im freien Raum betreiben, erhalten wir eine saubere Basislinie, ohne dass Bodeneffekte die Zahlen durcheinander bringen. NEC2 gibt zurück:

Diese Einspeisepunktimpedanz von 47 + j3 Ω ist praktisch perfekt für eine direkte 50 Ω -Koaxialeinspeisung — kein passendes Netzwerk erforderlich, keine Balunverluste, über die man sich Sorgen machen müsste. Der gefaltete Dipol transformiert auf natürliche Weise den niedrigen Strahlungswiderstand eines parasitär belasteten angetriebenen Elements bis in den Koaxialimpedanzbereich. Dies ist einer der Hauptgründe, warum wir bei Yagis gefaltete Dipole anstelle einfacher Dipole verwenden.

Die Erhöhung des Freiraums folgt der Näherungsformel für die Yagi-Verstärkung als Funktion der Auslegerlänge:

Bei $L_\text{boom} = 2.3\,\text{m}$ und $\lambda = 2.07\,\text{m}$ bei 145 MHz ergibt das $G \approx 10 \log_{10}(8.56) \approx 9.3\,\text{dBd}$. Das ist eine grobe Schätzung. Das NEC2-Ergebnis von 10,1 dBd spiegelt die genauere Optimierung von Elementabständen und Längen wider. Die Formel berücksichtigt nicht die Feinabstimmung, die Sie mit dem Richtungsabstand vornehmen können.

Die Werte für die Strahlbreite geben Aufschluss darüber, wie nachgiebig die Antenne in Bezug auf die Ausrichtungsgenauigkeit ist. Eine E-Ebene-Strahlbreite von 38° bedeutet, dass Sie eine Neigung von etwa ±19° haben, bevor Sie 3 dB abfallen. Bei EME-Arbeiten, bei denen Sie den Mond verfolgen, ist das eng, aber mit einem ordentlichen Rotator handhabbar. Die meisten Betreiber geben das Signal am Ende sowieso manuell hoch.

Realer Boden gegen Freiraum: Die Überraschung

Jetzt wird es hier interessant. Schalte die Simulation mit σ = 0.005 S/m, εr = 13, und der Antenne in 6 m Höhe (etwa 2.9λ), ) auf echten Boden um und schon ändert sich das Bild dramatisch:

Die Bodenreflexion sorgt bei niedrigen Höhenwinkeln für eine Verstärkung von ca. 3 dB — genau das, was Tropostreuung und EME-Pfade benötigen. Der Mond befindet sich in der Regel zwischen 5 und 30° Höhe, wenn er von mittleren Breitengraden aus zugänglich ist, sodass der maximale Verstärkungswinkel von 12° genau im Sweetspot liegt. Diese Bodenverstärkung ist im Wesentlichen kostenlos. Sie erhalten sie nur, wenn Sie die Antenne auf der richtigen Höhe über dem Boden platzieren. Es ist derselbe Effekt, der mehrere Keulen in einer vertikalen Ebene erzeugt, wenn Sie eine beliebige horizontale Antenne über echtem Boden modellieren.

Das reduzierte F/B im realen Bodenfall ist darauf zurückzuführen, dass Bodenreflexionen an der Rückseite die Nullstelle teilweise ausfüllen. Im Vergleich zum freien Raum verlieren Sie etwa 7 dB von vorne nach hinten, aber 19,8 dB sind für die meisten Anwendungen immer noch mehr als akzeptabel. Die Feedpoint-Impedanz verschiebt sich leicht — Sie nehmen ein paar Ohm an Reaktanz auf —, aber Sie liegen immer noch unter dem VSWR von 1,15:1, was vernachlässigbar ist.

Für EME-Operatoren bedeutet dies, dass die effektive Systemverstärkung 13,4 dBd bei 12° Höhe beträgt, nicht der Freiraum 10,1 dBd. Dieser Unterschied von 3,3 dB verändert Ihre Berechnungen zum Link-Margin grundlegend. Die meisten Menschen vergessen, dies zu berücksichtigen, wenn sie eine EME-Station planen, und fragen sich dann, warum ihre Berechnungen nicht der Realität entsprechen. Verwenden Sie den RF Link Budget-Rechner, wobei die EIRP auf der realen Bodenspitzenverstärkung basiert, um das gesamte EME-Pfadbudget zu berechnen — andernfalls lässt Sie die Leistung unberücksichtigt.

Vergleich von 3-El mit 5-El auf dieser Höhe

Wenn wir die 3-Element-Version im gleichen NEC2-Setup (1,0 m Ausleger, gleicher Elementdurchmesser von 12 mm) verwenden, erhalten wir einen direkten Vergleich:

Das 5-Element gewinnt mit 2,5 dB an tatsächlicher Pfadverstärkung und 6 dB an Front-zu-Back-Verhältnis. Für eine Single-YAGI-Station, die EME versucht, EME zu verwenden, ist das 5-Element die vernünftigste Wahl. Die meisten seriösen EME-Operatoren kombinieren vier oder mehr von ihnen, um weitere 6 dB aus der Array-Verstärkung herauszuholen, aber selbst ein einzelnes 5-Element-Yagi lässt Sie mit einem ordentlichen Vorverstärker und einem geräuscharmen Koaxialkabel Ihre eigenen Echos vom Mond hören.

Diese zusätzlichen 1,3 Meter Auslegerlänge sind ein kleiner Preis für 2,5 dB. Mechanisch gesehen haben beide Antennen eine ähnliche Windlast — das Gewicht des Auslegers steigt, aber die Anzahl der Elemente nimmt nur um zwei zu. Wenn Sie ein 3-Element montieren können, können Sie ein 5-Element montieren.

Practical Build notiert die Simulationsoberflächen

Die Isolierung zwischen den Komponenten ist ausschlaggeben. NEC2 modelliert Elemente als durchgehende Drähte, die im Raum schweben. Wenn Sie Aluminiumelemente direkt an einem leitfähigen Aluminiumausleger montieren, schließen Sie das Element in der Mitte des Auslegers kurz ab und verstimmt die Anordnung vollständig. Sie verlieren die Verstärkung, die Feedpoint-Impedanz verschiebt sich und das Muster wird verzerrt. Isolieren Sie entweder jedes Element mit Kunststoffblöcken vom Ausleger oder verwenden Sie ein nichtleitendes Glasfaserrohr für den Ausleger — die Simulation geht von letzterem aus. Die meisten Bauherren verwenden Glasfaser, weil es einfacher und wetterfester ist als ein Haufen isolierender Bauteile. Abstand der angetriebenen Elemente. Der gefaltete Dipol benötigt einen Abstand von etwa 15 mm rund um den Zuführspalt. Wenn Sie es mit Befestigungsmaterial aus Metall überfüllen oder die Koaxialabschirmung das Element zu nahe am Einspeisepunkt berühren lässt, verschiebt sich die Impedanz. Das NEC2-Modell verwendet die Näherung von dünnen Drähten, und reale Auswirkungen auf den Elementdurchmesser werden anhand des Segment-Durchmesser-Verhältnisses berücksichtigt. Halten Sie das Verhältnis von Segmentlänge zu Durchmesser in Ihrem Modell über 4:1 — das Simulationstool warnt Sie, wenn Sie gegen diesen Wert verstoßen, aber es lohnt sich, es manuell zu überprüfen. Der Futterpunkt ist wetterfest. Die Simulation gibt Ihnen unter idealen Bedingungen 47 Ω an an der Einspeisung. In der Praxis können selbst 5—10 mm eindringende Feuchtigkeit an der Futterstelle zu einem Widerstandsverlust von 2—5 Ω führen. Das ist in der Simulation unsichtbar, aber sehr gut sichtbar, wenn es im Winter zu einer Verschlechterung der Blendenwerte kommt. Wasser im Koaxialstecker oder in der Nähe des gefalteten Dipol-Einspeisepunkts beeinträchtigt Ihre Leistung. Versiegeln Sie es ordnungsgemäß mit selbstverschmelzendem Klebeband und lassen Sie es durch Hitze schrumpfen, oder verwenden Sie ein geeignetes wetterfestes Gehäuse. Dies ist eines der Dinge, die die meisten Menschen überspringen und später bereuen, wenn sie versuchen herauszufinden, warum die Antenne nicht so gut funktioniert wie im September. Ausleger durchhängen und Element herunter. Ein 2,3 Meter langer Ausleger hängt aufgrund seines eigenen Gewichts und des Gewichts der Elemente durch, besonders wenn Sie Aluminium verwenden. Die Simulation geht von perfekt geraden Elementen in perfekter Ausrichtung aus. In der Realität wirken sich einige Millimeter Durchbiegung oder Absenkung der Elemente nicht negativ auf Ihre Leistung aus, aber 10—20 mm beginnen, das Muster zu verändern und die Verstärkung zu verringern. Verwende einen Ausleger, der steif genug ist, oder füge einen Dachträger hinzu, um alles gerade zu halten.

Simulieren Sie zuerst, schneiden Sie dann. Das Antenna Sim Tool liefert Ihnen das vollständige NEC2-Ergebnis — Verstärkung, Muster, Impedanz, Höhendiagramm — in weniger als einer Minute. Das ist viel billiger als ein Fehlschnitt oder eine Reihe von Elementen, die nicht dort ankommen, wo Sie es sich vorgestellt haben. Sie können die Elementlängen anpassen, Abstände anpassen und die Auswirkungen sofort sehen. Sobald Sie ein Design haben, das Ihre Verstärkungs- und Impedanzziele in der Simulation erreicht, schneiden Sie Metall.

Simulieren Sie Ihr Yagi mit NEC2