Simulation d'un Yagi à 5 éléments de 2 m avec NEC2

Pourquoi simuler avant de découper ?

Couper des tubes en aluminium pour un Yagi est peu coûteux. Faire une erreur, découvrir que le gain est inférieur de 1,5 dB à ce à quoi vous vous attendiez, puis reconstruire le tout, c'est coûteux et ennuyeux. Pour les travaux sur signal faible à 144 MHz, qu'il s'agisse d'EME (Earth-Moon-Earth moonbounce) ou de diffusion troposphérique, une erreur de gain de 1 dB n'est pas un problème d'arrondissement théorique. Lorsque vous faites face à une perte de trajectoire EME d'environ 252 dB, chaque dB compte. On le sent dans le bruit de fond.

Le NEC2 (Numerical Electromagnetics Code) est le simulateur d'antenne filaire de référence depuis une quarantaine d'années. Il résout l'équation intégrale de la méthode des moments (MoM) pour la distribution du courant sur les structures filaires, en crachant les motifs en champ lointain, le gain, le rapport avant-arrière et l'impédance du point d'alimentation en quelques secondes. L' outil Antenna Sim place NEC2 directement dans votre navigateur. Pas d'installation de Linux, pas de compilation d'anciens Fortran, rien de tout cela.

Le design : Yagi à 5 éléments à 145 MHz

Pourquoi 5 éléments au lieu de 3 ? Un Yagi à 3 éléments sur 2 mètres produit généralement un gain d'environ 7,5 à 8 dBd avec un rapport avant-arrière d'environ 20 à 22 dB. C'est bien pour le fonctionnement du SSB local, mais ce n'est pas suffisant pour l'EME, où vous avez besoin de chaque dB que vous pouvez obtenir à partir d'une seule flèche. Le ratio avant/arrière est également important, car le bruit de fond provenant du lobe arrière augmente directement la température du bruit de votre système, ce qui réduit votre capacité à entendre les signaux faibles.

Une conception à 5 éléments bien optimisée atteint un gain d'environ 10 dBd avec un F/B de 26 à 28 dB. Il s'agit d'une amélioration significative de 2 dB par rapport à la version à 3 éléments, ce qui équivaut à plus que doubler votre puissance d'émission à la réception. Pour une seule station Yagi, cette différence est énorme.

Entrées de simulation

Voici ce que nous introduisons dans NEC2 pour le modèle initial :

Les longueurs des éléments suivent le schéma typique de Yagi : le réflecteur est le plus long, l'élément entraîné est légèrement plus court et la longueur des directeurs diminue progressivement à mesure que vous avancez. Le diamètre de 12 mm est une taille de tube en aluminium courante : facile à trouver, suffisamment rigide pour une flèche de 2,3 mètres et suffisamment épais pour que vous n'ayez pas à vous soucier de la charge due au vent.

Pour la simulation en terrain réel, nous ajoutons des paramètres de sol qui modélisent un sol typique :

Ces paramètres du sol représentent un sol moyen, pas le pire des cas, ni le meilleur des cas. Si vous vous trouvez sur un sol sablonneux près de la côte, votre conductivité peut être plus faible. Si vous êtes sur terre battue, il se peut que ce soit plus élevé. Mais 0,005 S/m constitue un juste milieu raisonnable pour la plupart des sites.

Résultats en espace libre

Le fait de faire fonctionner l'antenne dans l'espace libre d'abord nous donne une base de référence nette sans qu'aucun effet de sol ne vienne perturber les chiffres. NEC2 renvoie :

Cette impédance de point d'alimentation de 47 + j3 Ω est essentiellement parfaite pour une alimentation coaxiale directe de 50 Ω : aucun réseau correspondant n'est nécessaire, aucune perte de balun à craindre. Le dipôle plié transforme naturellement la faible résistance aux rayonnements d'un élément piloté à charge parasitaire jusqu'à la plage d'impédance coaxiale. C'est l'une des principales raisons pour lesquelles nous utilisons des dipôles pliés sur les Yagis au lieu de simples dipôles.

Le gain d'espace libre suit la formule approximative du gain de Yagi en fonction de la longueur de la flèche :

§ 0§

Avec$L_\text{boom} = 2.3\,\text{m}$et$\lambda = 2.07\,\text{m}$à 145 MHz, cela donne$G \approx 10 \log_{10}(8.56) \approx 9.3\,\text{dBd}$. C'est une estimation approximative. Le résultat NEC2 de 10,1 dBd reflète l'optimisation plus précise de l'espacement et de la longueur des éléments. La formule ne tient pas compte des ajustements que vous pouvez effectuer avec l'espacement directeur.

Les chiffres de largeur de faisceau vous indiquent à quel point l'antenne est indulgente en matière de précision de pointage. Une largeur de faisceau de 38° dans le plan E signifie que vous avez une pente d'environ ±19° avant de baisser de 3 dB. Pour les travaux EME où vous suivez la Lune, c'est serré mais gérable avec un rotateur décent. La plupart des opérateurs finissent par augmenter le signal manuellement de toute façon.

Terre réelle contre espace libre : la surprise

Maintenant, c'est là que ça devient intéressant. Passez la simulation au sol réel avec σ = 0,005 S/m, et r = 13, et l'antenne à 6 m de hauteur (environ 2,9 λ), et l'image change radicalement :

La réflexion du sol ajoute un gain d'environ 3 dB à de faibles angles d'altitude, exactement ce dont ont besoin les trajectoires de troposcatter et d'EME. La Lune se situe généralement entre 5 et 30° d'altitude lorsqu'elle est accessible depuis les latitudes moyennes, de sorte que l'angle de gain maximal de 12° se situe juste au point idéal. Ce gain de sol est essentiellement gratuit ; il suffit de placer l'antenne à la bonne hauteur au-dessus du sol. C'est le même effet qui vous donne plusieurs lobes dans un plan vertical lorsque vous modélisez une antenne horizontale sur un sol réel.

Le F/B réduit dans le cas du sol réel se produit parce que les réflexions du sol dans le lobe arrière remplissent partiellement la valeur nulle. Vous perdez environ 7 dB d'espace entre l'avant et l'arrière par rapport à l'espace libre, mais 19,8 dB restent largement acceptables pour la plupart des applications. L'impédance du point d'alimentation change légèrement (vous captez quelques ohms de réactance) mais vous êtes toujours en dessous de 1, 15:1 VSWR, ce qui est négligeable.

Pour les opérateurs EME, cela signifie que le gain effectif du système est de 13,4 dBd à une altitude de 12°, et non de 10,1 dBd en espace libre. Cette différence de 3,3 dB modifie fondamentalement vos calculs de marge de liaison. La plupart des gens oublient d'en tenir compte lorsqu'ils planifient une station EME et se demandent ensuite pourquoi leurs calculs ne correspondent pas à la réalité. Utilisez le Calculateur de budget de liaison RF avec EIRP basé sur le gain de pointe réel pour calculer le budget complet du trajet EME, sinon vous laissez les performances sur la table.

Comparaison de 3-El et de 5-El à cette hauteur

L'utilisation de la version à 3 éléments dans la même configuration NEC2 (flèche de 1,0 m, même diamètre d'élément de 12 mm) nous permet d'établir une comparaison directe :

Les 5 éléments gagnent avec 2,5 dB de gain de trajectoire réel et 6 dB de rapport avant-arrière. Pour une station YAGI unique qui tente l'EME, le choix à 5 éléments est le minimum raisonnable. La plupart des opérateurs EME sérieux en empilent quatre ou plus pour obtenir 6 dB supplémentaires du gain de la matrice, mais même un seul Yagi à 5 éléments vous permettra d'entendre vos propres échos de la Lune avec un préamplificateur décent et un câble coaxial à faible bruit.

Cette longueur de flèche supplémentaire de 1,3 mètre est un petit prix à payer pour 2,5 dB. Mécaniquement, les deux antennes ont une charge de vent similaire : le poids de la flèche augmente, mais le nombre d'éléments n'augmente que de deux. Si vous pouvez monter un élément à 3 éléments, vous pouvez monter un élément à 5 éléments.

Notes de construction pratiques sur les surfaces de simulation

L'isolation entre les éléments et la flèche est importante Le NEC2 modélise les éléments sous la forme de fils continus flottant dans l'espace. Si vous montez des éléments en aluminium directement sur une flèche conductrice en aluminium, vous raccourcissez le point médian de l'élément par rapport à la flèche et désaccordez complètement le réseau. Vous perdrez du gain, l'impédance du point d'alimentation changera et le motif se déformera. Isolez chaque élément de la flèche à l'aide de blocs en plastique ou utilisez un tube en fibre de verre non conducteur pour la flèche — la simulation suppose que c'est ce dernier point. La plupart des constructeurs utilisent de la fibre de verre, car elle est plus simple et plus résistante aux intempéries qu'un ensemble de matériel isolant. Dégagement de l'élément entraîné. Le dipôle plié nécessite environ 15 mm de dégagement autour de l'espace d'alimentation. Si vous l'encombrez avec du matériel de montage métallique ou si vous laissez le blindage coaxial toucher l'élément trop près du point d'alimentation, vous modifierez l'impédance. Le modèle NEC2 utilise une approximation par fil mince, et les effets réels du diamètre des éléments sont gérés par le rapport segment-diamètre. Maintenez le rapport longueur/diamètre des segments supérieur à 4:1 dans votre modèle. L'outil de simulation vous avertira si vous ne respectez pas ce seuil, mais cela vaut la peine de le vérifier manuellement.

Étanchéité du point d'alimentation. La simulation vous donne 47 Ω à l'alimentation dans des conditions idéales. En pratique, même une pénétration d'humidité de 5 à 10 mm au point d'alimentation peut ajouter 2 à 5 Ω de perte résistive. Cela est invisible dans la simulation mais très visible lors de la dégradation du rapport F/B au cours d'un hiver. La présence d'eau dans le connecteur coaxial ou autour du point d'alimentation du dipôle plié nuira à vos performances. Scellez-le correctement avec du ruban adhésif auto-amalgamant et thermorétractable, ou utilisez un boîtier résistant aux intempéries approprié. C'est l'une de ces choses que la plupart des gens ignorent et regrettent plus tard lorsqu'ils essaient de comprendre pourquoi l'antenne ne fonctionne pas aussi bien qu'en septembre. Affaissement de la flèche et chute des éléments. Une flèche de 2,3 mètres s'affaisse sous l'effet de son propre poids et du poids des éléments, surtout si vous utilisez de l'aluminium. La simulation suppose que les éléments sont parfaitement droits et parfaitement alignés. En réalité, un affaissement de quelques millimètres de la flèche ou un affaissement des éléments ne nuiront pas à vos performances, mais 10 à 20 mm commenceront à modifier la configuration et à réduire le gain. Utilisez une flèche suffisamment rigide ou ajoutez une poutre pour que tout reste droit.

Simulez d'abord, coupez ensuite. L' outil Antenna Sim vous donne le résultat complet du NEC2 (gain, motif, impédance, graphique d'altitude) en moins d'une minute. C'est beaucoup moins cher qu'un boom mal découpé ou qu'un ensemble d'éléments qui ne résonnent pas là où vous le pensiez. Vous pouvez ajuster la longueur des éléments, ajuster l'espacement et voir les effets immédiatement. Une fois que vous avez obtenu un design qui atteint vos objectifs de gain et d'impédance lors de la simulation, vous coupez du métal.

Simulez votre Yagi avec NEC2