NEC2による5エレメントの2m八木のシミュレーション

カットする前にシミュレートする理由

八木用のアルミチューブの切削は安価です。それを間違えて、ゲインが予想より1.5dB低いことに気付いて、全体を再構築すると、費用がかかり、面倒です。144 MHz の弱信号処理では、EME (地球-月-地球ムーンバウンス) を行うか、対流圏散乱を行うかにかかわらず、ゲインの 1 dB 誤差は学術的な四捨五入の問題ではありません。252 dB 前後の EME 経路損失を扱う場合、1 dB のすべてが問題になります。ノイズフロアではそれを感じます。

NEC2（数値電磁気コード）は、約40年前からリファレンスワイヤアンテナシミュレータとして使用されてきました。ワイヤー構造上の電流分布のモーメント法 (MoM) 積分方程式を解き、遠方界パターン、ゲイン、前後比、給電点インピーダンスを数秒で出力します。Antenna Sim ツールを使うと、NEC2 をブラウザに直接インストールできます。Linux をインストールする必要も、古い Fortran をコンパイルする必要もありません。

デザイン：145 MHzの5エレメントの八木

なぜ3要素ではなく5要素なのか？2メートルの3エレメントの八木は、通常、約7.5〜8 dBdのゲインを実現し、フロントとバックの比率はおそらく20〜22 dBです。ローカルSSBの作業にはこれで十分ですが、1回のブームから得られるすべてのdBを必要とするEMEでは十分ではありません。フロントとバックの比率も重要です。バックローブからのグランドノイズは、システムのノイズ温度を直接上昇させ、弱い信号を聞く能力を低下させるからです。

十分に最適化された5素子設計では、F/Bが26～28dBの場合、約10 dBdのゲインが得られます。これは、3 素子バージョンと比較して 2 dB 以上という有意義な改善です。これは、受信時の送信電力が 2 倍以上になることに相当します。単一八木ステーションの場合、その差は非常に大きいです。

シミュレーション入力

初期モデルで NEC2 に入力している内容は次のとおりです。

エレメントの長さは典型的な八木パターンに従います。リフレクターが最も長く、駆動エレメントがわずかに短く、方向に進むにつれてダイレクターの長さが徐々に短くなります。直径12 mmは一般的なアルミニウムチューブのサイズで、調達が容易で、2.3メートルのブームにも十分な剛性があり、風荷重の心配がないほど十分な厚さです。

実際の地盤シミュレーションでは、一般的な土壌をモデル化する地盤パラメータを追加します。

これらの地盤パラメータは平均的な土壌を表しており、最悪の場合でも最良の場合でもありません。海岸近くの砂質土壌では、導電率が低くなる可能性があります。粘土の上では、もっと高いかもしれません。しかし、ほとんどの場所では 0.005 S/m が妥当な中間点です。

自由空間の結果

最初にアンテナを自由空間に配置すると、接地効果によって数字が台無しになることなく、きれいなベースラインが得られます。NEC2 は以下を返します。

47+j3 Ω のフィードポイントインピーダンスは、基本的に50 Ω 同軸フィードの直接供給に最適です。マッチングネットワークは不要で、バラン損失の心配もありません。折り畳まれたダイポールは、寄生負荷がかかった駆動素子の低い放射抵抗を同軸インピーダンス範囲まで自然に変化させます。これが、八木アンテナに単純なダイポールの代わりに折り畳みダイポールを使用する主な理由の1つです。

自由空間ゲインは、ブーム長の関数としての八木ゲインの近似式に従います。

145 MHzの $L_\text{boom} = 2.3\,\text{m}$ と $\lambda = 2.07\,\text{m}$ の場合、これは $G \approx 10 \log_{10}(8.56) \approx 9.3\,\text{dBd}$ になります。これは大まかな見積もりです。NEC2 の 10.1 dBd という結果は、素子間隔と長さのより正確な最適化を反映しています。この式では、ダイレクタの間隔でできる微調整は考慮されていません。

ビーム幅の数値から、アンテナのポインティング精度がどれほど許容できるかがわかります。Eプレーンのビーム幅が38°ということは、3 dB下がる前に約±19°の傾斜があることを意味します。月を追跡するEMEの作業では、きついですが、まともなローテーターがあれば扱いやすいです。とにかく、ほとんどのオペレーターは結局手動で信号をピーキングすることになります。

リアルグラウンド対自由空間:サプライズ

ここが面白いところです。シミュレーションを σ = 0.005 S/m、 εr = 13の実際の地面、高さ6 m（約 2.9λ), ）のアンテナに切り替えると、状況は劇的に変わります。

地面の反射により、低い仰角で約3 dBのゲインが得られます。これはまさに、対流散乱経路とEME経路に必要なものです。中緯度からアクセス可能な場合、月の標高は通常5～30°なので、12°のピークゲイン角がスイートスポットにちょうど合います。このグラウンドゲインは基本的に自由です。アンテナを地表から適切な高さに設置するだけで得られます。これは、実際の地上で水平アンテナをモデル化したときに、垂直面に複数のローブが生成されるのと同じ効果です。

実際のグラウンドの場合のF/Bの低下は、バックローブのグラウンド反射がヌルを部分的に埋めるためです。空き領域と比較して前面から背面への損失は約 7 dB ですが、それでもほとんどのアプリケーションでは 19.8 dB が許容範囲を超えています。給電点のインピーダンスはわずかに変化し、リアクタンスが数オーム増加しますが、それでも1.15:1 VSWR未満であり、無視できる程度です。

EME事業者にとって、これは12°の標高での実効システムゲインが13.4dBdであり、自由空間の10.1dBdではないことを意味します。この 3.3 dB の差は、リンク・マージンの計算方法を根本的に変えます。ほとんどの人は、EME ステーションを計画するときにこの点を考慮することを忘れてしまい、なぜ計算が現実と一致しないのか疑問に思います。RF リンク・バジェット・カリキュレータ と実際のグラウンド・ピーク・ゲインに基づいて EIRP を組み合わせて使用し、EME パス・バジェット全体を計算します。そうしないと、パフォーマンスを犠牲にしてしまいます。

この高さでの3-Elと5-Elの比較

同じ NEC2 セットアップ (1.0 m ブーム、同じ 12 mm エレメントの直径) で 3 素子バージョンを実行すると、直接比較できます。

5素子の方が、実際のパス・ゲインが2.5dB、前面と背面の比率が6dBという利点があります。EMEを試みる単一八木局の場合、5素子構成は最低限の妥当な選択肢です。ほとんどの本格的なEMEオペレーターは、4台以上を積み重ねてアレイのゲインをさらに6dB引き出します。しかし、5エレメントの八木を1台使用しても、まともなプリアンプと低ノイズの同軸ケーブルがあれば、月からのエコーを聞くことができます。

ブームの長さが1.3メートル増えるということは、2.5dBにしてはわずかな代償です。機械的には、両方のアンテナの風荷重は同じです。ブームの重量は増えますが、エレメント数は2つしか増えません。3素子を取り付けることができれば、5素子を取り付けることもできます。

シミュレーションサーフェスの実用的なビルドノート

エレメントからブームまでの絶縁材料 NEC2 では、エレメントを空間に浮かぶ連続ワイヤとしてモデル化します。アルミニウム素子を導電性アルミニウムブームに直接取り付けると、素子の中点をブームまで短絡させ、アレイを完全にデチューンすることになります。ゲインが失われ、フィードポイントのインピーダンスがシフトし、パターンが歪んでしまいます。ブームの各エレメントをプラスチックブロックで絶縁するか、ブームには非導電性のファイバーグラスチューブを使用します。シミュレーションでは後者を想定しています。多くの建築業者がファイバーグラスを使っているのは、たくさんの絶縁金具よりもシンプルで耐候性に優れているからです。 駆動素子のクリアランス 折り畳まれたダイポールには、フィードギャップの周囲に約15 mmのクリアランスが必要です。金属製の取り付け金具を詰め込んだり、同軸シールドがエレメントにフィードポイントに近づきすぎたりすると、インピーダンスがシフトします。NEC2 モデルは細線近似を使用しており、実際の要素直径の影響はセグメント直径比によって処理されます。モデルでは、セグメントの長さと直径の比率を 4:1 以上にしてください。これに違反するとシミュレーションツールから警告が出ますが、手動で確認する価値があります。 フィードポイントの耐候性 シミュレーションにより、理想的な条件下でのフィード位置は47 Ω になります。実際には、給電点にわずか 5～10 mm の水分が浸入するだけで、2～5 Ω の抵抗損失が加わることがあります。これはシミュレーションでは見えませんが、冬のF/B劣化では非常に顕著です。同軸コネクタや折り畳まれたダイポール給電点の周囲に水が入ると、パフォーマンスが低下します。セルフアマルガムテープで適切に密封して熱収縮させるか、適切な耐候性エンクロージャーを使用してください。これは多くの人が省略して、後になってアンテナの性能がなぜ9月ほど良くないのか首をかしげるときに後悔することの一つです。 ブームのたるみとエレメントの垂れ下がり 2.3メートルのブームは、特にアルミニウムを使用している場合、自重とエレメントの重さでたるみます。このシミュレーションでは、完全に真っ直ぐな要素が完全に揃っていることを前提としています。実際には、ブームのたるみや素子の垂れ下がりが数ミリあってもパフォーマンスは低下しませんが、10 ～ 20 mm ではパターンが変化し始め、ゲインが低下します。十分な剛性のブームを使用するか、トラスを追加してすべてをまっすぐに保ちます。

最初にシミュレートし、次にカットします。Antenna Sim Toolを使用すると、NEC2 の全結果 (ゲイン、パターン、インピーダンス、標高プロット) が 1 分以内に得られます。これは、ミスカットブームや、思ったように共振しない一連の要素よりもはるかに安価です。エレメントの長さを微調整したり、間隔を調整したりして、その効果をすぐに確認できます。シミュレーションでゲインとインピーダンスの目標を達成する設計ができたら、次に金属を切ります。

NEC2で八木をシミュレートしよう