Perusluokan palsta 2015-19/Antenninmallinnusta

Radioamatööriwikistä
Versio hetkellä 31. tammikuuta 2022 kello 20.03 – tehnyt Oh6va (keskustelu | muokkaukset) (typo)
Siirry navigaatioon Siirry hakuun

Tämä sivu on osa Tomi Helpiön Perusluokan palsta 2015–19 -kirjaa, johon on uudelleentoimitettu Radioamatööri-lehdessä vuosina 2015–2019 julkaistut Perusluokan palsta -juttusarjan artikkelit.

Antenninmallinnusta

Antenninmallinnus on työkalu, joka on nykyään kaikkien radioamatöörien ulottuvilla. Kohtuuhintaisia mallinnusohjelmia on tarjolla useita, ja kotikäyttöönkin tarkoitettujen tietokoneiden laskentateho on riittävän suuri pyörittämään näitä ohjelmia. Näin jokaisella hamilla on mahdollisuus mallintaa ja vertailla eri antennivaihtoehtoja tietokoneella ennen antennin rakentamista.

Antenninmallinnusta varten on olemassa useita ohjelmia, mutta seuraavassa esittelen minulle tuttua Eznec-ohjelmaa, jonka on kehittänyt Roy Lewallen, W7EL, ja joka perustuu NEC-2-koodiin (Numerical Electromagnetics Code). Minulla on käytössäni versio EZNEC+ v. 5.0. Maksoin siitä muutama vuosi sitten 152 Us-dollaria. Latasin ohjelman netin kautta, mutta sain sen myös postitse CD-romilla.

Nykyinen halvin versio eli EZNEC v. 6.0 pelkästään netistä ladattuna maksaa 99 Us-dollaria (http://eznec.com/). Ohjelma saattaa vaikuttaa kalliilta, varsinkin jos on tottunut hamiohjelmien ilmaisuuteen. Se kuitenkin maksaa itsensä nopeasti takaisin, jos sen avulla pystyy jo etukäteen estämään epäonnistuneen antennin rakentamisen. Ohjelman voi myös hankkia yhteiseen käyttöön esimerkiksi kerholle, jolloin kustannuksia voi jakaa useamman hamin kesken. Ohjelman käyttöehto on, että se on kerrallaan käytössä vain yhdellä koneella. ARRL Antenna Bookin ohessa tulevalla CD-romilla on myös Eznecin ARRL-versio, jolla pääsee hyvin alkuun antenninmallinnuksessa. Segmenttien lukumäärää on siinä rajoitettu, mutta yksielementtisten antennien mallinnukseen se on täysin riittävä.

Antenninmallinnuksen periaate

Mallinnuksessa Eznecillä määritetään ensiksi antennin geometria eli antennin elementit x, y, z-koordinaatistossa sekä antennimateriaali(t). Seuraavaksi antenni jaetaan laskentaa varten osiin eli segmentteihin. Sitten määritetään lähde (”source”) eli syöttöjohdon liitoskohta, siis syöttöpiste. Lisäksi voidaan määrittää esimerkiksi kuormia (”load”), jotka voivat olla resistansseja ja/tai reaktansseja.

Kun antennin malli on valmis, sen ominaisuuksia voi tarkkailla vapaassa avaruudessa. Käytännön hamiantennit ovat kuitenkin lähes aina niin lähellä maata, että maan vaikutus täytyy huomioida. Tätä varten määritetään maan ominaisuudet. Jos tiedossa on antennipaikan maaperän tarkat sähköiset ominaisuudet (sähkönjohtavuus ja dielektrisyysvakio), voi käyttää niitä, mutta Eznecissä on myös valittavissa useita vaihtoehtoisia maaperämalleja. Antennin korkeus maasta onkin määritetty jo alussa (z-koordinaatit), joten antenninmallinnusta varten kaikki on Eznecin tiedossa.

Varsinainen mallinnus tapahtuu ohjelmassa ns. elementtimenetelmällä, joka perustuu siihen, että kussakin segmentissä kulkeva virta lasketaan ratkaisemalla sähkömagneettista kenttää kuvaavat Maxwellin yhtälöt ja määrittämällä segmenttien yhteisvaikutus. Tässä otetaan antennin ominaisuuksien lisäksi huomioon myös maan ominaisuudet. Saadut laskentatulokset esitetään sitten visuaalisessa muodossa säteilykuvioina. Lisäksi saadaan tietoa syöttöpisteestä, esimerkiksi SAS (SWR) ja impedanssi. Haluttaessa SAS voidaan myös laskea suljetulla taajuusvälillä ja esittää se SAS-taajuus-käyrän muodossa.

Mallinnuksessa on muistettava, että tulokset eivät voi olla tarkempia kuin itse malli. Lisäksi Eznec itse asettaa rajoituksia joidenkin asioiden mallinnukseen. Nämä rajoitukset täytyy tuntea. Pääsääntöisesti Eznec kuitenkin antaa hyvin tarkkoja tuloksia. Malli ei kuitenkaan ole sama asia kuin antenni. Erityisesti antennin asennusympäristöä ei voida täysin mallintaa.

Segmenttien lukumäärä vaikuttaa mallinnuksen tarkkuuteen. Tarvittava lukumäärä ei ole kuitenkaan suuri. Eznec-manuaali antaa nyrkkisäännöksi 10 segmenttiä puolta aallonpituutta kohti, jos halutaan selvittää vain säteilykuvio. Segmenttien lukumäärän tulee olla kaksinkertainen, jos halutaan selvittää myös tarkka impedanssitieto. Minä, kuten monet muutkin Eznecin käyttäjät, käytän usein ”varmuuden vuoksi” tähän verrattuna yli kaksinkertaista segmenttien lukumäärää. Liian suuren segmenttimäärän käytöstä ei ole laskennan tarkkuuden kannalta mitään haittaa, mutta se lisää laskenta-aikaa. Yksielementtisillä antenneilla ja nykyaikaisilla tietokoneilla tästä ei ole haittaa, mutta mallinnettaessa monielementtisiä antenneja ja/tai käytettäessä hidasta tietokonetta, segmenttien lukumäärä on syytä optimoida.

Helpoin tapa esitellä Eznecin ominaisuuksia on käyttää yksinkertaisia antenneja esimerkkeinä. Siksi käsittelen seuraavassa kaikkien tuntemia antenneja: puoliaaltodipoli ja gp eli ”ground plane”.

20 metrin puoliaaltodipoli

Kuva 1. Eznecin pääikkunassa on lähtötiedot 20 m:n puoliaaltodipolin mallinnusta varten.
Kuva 2. Ikkunassa ”Wires” määritetään antennin geometria eli sen elementit, tässä puolen aallon pituinen lanka.
Kuva 3. Kohdasta ”View Ant” saadaan näkyviin mallinnettava antenni x, y, z-koordinaatistossa, tässä puoliaaltodipoli.

Kuvassa 1 on Eznecin pääikkuna, jonka avulla määritetään antennin malli. Ensimmäisenä valitaan taajuus, ja ohjelma laskee vastaavan aallonpituuden. Sitten määritetään antennin geometria, tässä tapauksessa vain yksi lanka. Klikkaamalla kohtaa ”Wires” avautuu ikkuna (kuva 2), jossa määritetään antennin elementit. Nyt lisätään puoliaaltodipolin pituinen (lyhennyskerroin 0,98) lanka aluksi 10 m:n korkeuteen. Lanka on eristämätön ja halkaisijaltaan 1,5 mm. Mallinnuksessa se jaetaan 51 osaan eli noin 20 sentin pätkiin. Seuraavaksi lisätään syöttöpiste antennin keskelle kohdassa ”Sources”. Klikkaamalla kohtaa ”View Ant” saadaan näkyviin antennin kuva (kuva 3), josta voi nopeasti nähdä ilmeiset virheet antennin geometriassa.

Kuva 4. Puoliaaltodipolin kolmiulotteinen säteilykuvio vapaassa avaruudessa muistuttaa ”munkkirinkilää”.

Kuvassa 4 on tämän puoliaaltodipolin kolmiulotteinen säteilykuvio vapaassa avaruudessa. Tällä kuviolla on vain teoreettista mielenkiintoa. Se muistuttaa kuitenkin ”munkkirinkilää”, ja dipolin päissä on selvät nollakohdat. Tämä kuvio on tuttu antennikirjojen kuvista, joten voimme todeta, että antennin malli toimii ainakin vapaassa avaruudessa.

Seuraavaksi on vuorossa antennin laskeminen lähelle maan pintaa. Pääikkunassa (kuva 1) kohdissa ”Ground Type” ja ”Ground Descrip” valitaan maamalli sekä maan sähköiset ominaisuudet.

Kuva 5. Puoliaaltodipolin pystysäteilykuviot kolmella eri asennuskorkeudella: 5, 10 ja 20 m.

Lopuksi valitaan ”Plot Type: Elevation” (pystysäteilykuvio), ”Azimuth Angle: 0 Deg.” (atsimuuttikulma = 0° eli kohtisuoraan antennia kohti) ja ”Step Size: 1 Deg.” (laskenta-askel = 1°). Klikkaamalla nyt kohtaa ”FF Plot” laskee Eznec halutun säteilykuvion. Kuvassa 5 on päällekkäin puoliaaltodipolin pystysäteilykuviot kolmella eri antennin korkeudella: paitsi 10 m (n. puoli aallonpituutta), myös 5 metriä (n. neljännesaallonpituus) ja 20 metriä (n. aallonpituus). Alareunassa olevat luvut viittaavat 10 m:n korkeudella olevaan antenniin. Kuviot noudattavat antennikirjallisuutta, mikä lisää luottamusta mallinnukseen.

Kuvasta 5 huomataan, että 5 m:n korkeudella leijonanosa antennin säteilystä suuntautuu suoraan ylöspäin tai hyvin suuriin lähtökulmiin. Näin matalalla oleva puoliaaltodipoli ei ole hyvä antenni DX-yhteyksiin. Kun antenni nostetaan 10 metrin korkeuteen, säteily kohdistuu selvästi keiloihin, joiden maksimi on noin 30°:n kulmassa. Antenni on nyt selvästi parempi myös DX-käytössä.

Korkeudella 20 m säteilykuviossa on terävät keilat noin 15°:n kulmassa vaakatasosta. Säteilykuvioon on kuitenkin ilmestynyt sivukeilat korkeassa, noin 50°:n kulmassa. Nämä keilat vievät paljon säteilytehoa pääkeiloilta. Mitä korkeammalle antennia nostaa, sitä enemmän näitä sivukeiloja ilmestyy. Siksi puoliaaltodipolin paras korkeus on noin puoli aallonpituutta. Korkeampi ei siis aina ole parempi.

Mallinnus kuva 6.png

Säteilykuvioiden lisäksi Eznec laskee myös syöttöpisteen ominaisuudet. Kuvassa 6 on SAS-käyrä taajuusvälillä 14,0…14,5 MHz. Nähdään, että pienin SAS 1,44:1 saavutetaan antennin resonanssitaajuudella 14,2 MHz ja koko 20 m:n bandilla SAS on reilusti alle 2:1. Tällainen laajakaistaisuus onkin täysimittaisten antennien etu. Syöttöpisteen impedanssi on lähes resistiivinen, noin 72 ohmia, täysin teorian mukainen. 75 Ω:n koaksiaalikaapeli sopisi antennin syöttöön loistavasti, mutta tavallinen 50 Ω:n kaapelikin käy hyvin eikä vaadi antenninsovituslaitetta.

20 metrin GP

Kuva 6. Puoliaaltodipolin SAS-taajuus-käyrä näyttää, että antennin resonanssitaajuus on 14,2 MHz.
Kuva 7. Eznecin pääikkunassa on lähtötiedot 20 m GP:n mallinnusta varten.
Kuva 8. Ikkunassa ”Wires” määritetään antennin geometria eli sen elementit, tässä GP:n viisi lankaa.
Kuva 9. Kohdasta ”View Ant” saadaan näkyviin mallinnettava antenni x, y, z-koordinaatistossa, tässä GP.

Toisena esimerkkinä mallinnan GP:n eli ”ground plane”-antennin. Mallinnustaajuus on sama kuin edellä. Kuvassa 7 on Eznecin pääikkuna tässä tapauksessa. Antennin geometria on nyt monimutkaisempi: se koostuu viidestä langasta, joiden leikkauskohdassa on syöttöpiste (kuva 8). Koaksiaalikaapelin keskijohtimeen kytketty pystysuora lanka toimii säteilijänä ja kaapelin vaippaan kytketyt vaakasuorat langat maatasona. Kukin lanka on pituudeltaan 5,3 m, ja syöttöpiste on 2 m:n korkeudessa. Muut kohdat pääikkunassa ovatkin jo edeltä tuttuja. Antenni on esitetty kuvassa 9.

Kuva 10. GP:n kolmiulotteinen säteilykuvio on vaakasuunnassa pyöreä eli antenni on ympärisäteilevä. Suoraan ylöspäin kuviossa on selvä nolla.
Kuva 11. GP:n pystysäteilykuvion maksimi on 21°:n lähtökulmassa. Suoraan ylöspäin kuviossa on nolla ja suurilla lähtökulmilla säteily on vähäistä.

Kuvassa 10 on GP:n kolmiulotteinen säteilykuvio. Tässä kuviossa, toisin kuin kuvassa 4, maan vaikutus on otettu huomioon. Antenni on ympärisäteilevä ja suoraan ylöspäin on selvä nollakohta. Kuvasta 11 nähdään, että pystysäteilykuvio koostuu selkeistä keiloista, joiden maksimit ovat lähtökulmassa 21°. Tämä on jo melko matala lähtökulma, mutta nähdään myös, että esimerkiksi 8°:n lähtökulmassa säteily on vain 3 dB heikompi. Voidaan hyvin todeta, että GP on puoliaaltodipolia parempi antenni DX-käytössä.

Kuva 12. Puoliaaltodipolin vaakasäteilykuviossa 30°:n lähtökulmassa on maksimit kohtisuoraan antennia kohti ja minimit antennin päiden suunnassa.

Kuten kuvasta 10 jo näimme, on GP täysin ympärisäteilevä, eli jokaisessa atsimuutti (kompassi)-suunnassa säteilyteho on yhtä suuri. Joidenkin mielestä antenni on yhtä huono joka suuntaan, mutta on myös niitä, joiden mielestä se on yhtä hyvä joka suuntaan. Makuasia, hi. Vertailun vuoksi kuvassa 12 on esitetty edellä käsitellyn puoliaaltodipolin vaakasäteilykuvio lähtökulmassa 30°. Kuviosta nähdään, että kohtisuorassa dipolia kohti on selvät maksimit. Dipolin päiden suunnassa ei ole nollia, mutta tosin selvät minimit, melkein 10 dB alle maksimien. Puoliaaltodipolilla on siis selvä suuntavaikutus, toisin kuin GP:llä. Tehtäessä valintaa näiden antennien välillä täytyy siis miettiä, kumpi on tärkeämpi: lähtökulma vai suuntaavuus.

Kuva 13. GP:n SAS-taajuus-käyrä näyttää, että antennin resonanssitaajuus on 14,2 MHz.

GP:n SAS-käyrä taajuusvälillä 14,0…14,5 MHz on esitetty kuvassa 13. SAS:n minimikohta 1,79:1 saavutetaan taas resonanssitaajuudella 14,2 MHz. SAS pysyy alle 2:1 koko bandilla. Korkeampi SAS kuin puoliaaltodipolilla johtuu siitä, että syöttöpisteen impedanssi on nyt alle 30 ohmia. Tämä johtaa epäsovitukseen käytettäessä syöttöjohtona 50 Ω:n koaksiaalikaapelia. Tämä epäsovitus on vielä siedettävä, eivätkä puolijohdepäätevahvistimen suojapiirit lähettimessä rupea vielä toimimaan. Rigin sisäinen antenninsovituslaite riittää hyvin tämän epäsovituksen korjaamiseen eikä hyvälaatuisella koaksiaalikaapelilla aiheudu kovinkaan suuria syöttöjohtohäviöitä. Erillistä antenninsovituslaitetta ei vielä tämän takia tarvitse hankkia.

Lopuksi

Antenninmallinnus on siis tehokas työkalu, jolla jokainen hami voi etukäteen tutkia antennisuunnitelmiaan tietokoneella. Mallinnusohjelmaan tutustuminen kannattaa aloittaa yksinkertaisilla antenneilla (kuten edellä). Vasta kun ohjelman käyttöä osaa paremmin ja on oppinut luottamaan siihen, kannattaa siirtyä monimutkaisempiin antenneihin. Eznecillä voi käytännössä mallintaa mitä antenneja tahansa, esimerkiksi monielementtisiä yageja, jotka muodostuvat eri paksuisista putkista.