Electrokit Buggfix Plus
Aktuellt datum och tid: 22.19 2019-11-13

Alla tidsangivelser är UTC + 1 timme




Svara på tråd  [ 5 inlägg ] 
Författare Meddelande
 Inläggsrubrik: 4nec2 ?
InläggPostat: 21.04 2019-09-11 
Användarvisningsbild

Blev medlem: 18.04 2009-08-16
Inlägg: 11056
Är det någon som byggt antenn efter att först
ha testat i programvaran 4nec2 ?

Jag började läsa i manualen där det finns något exempel
men de börjar inte med en vänlig enkel dipol så jag tog en paus.

Däremot har jag testat att beräkna stubbar i 4nec2 efter att ha testat
en i praktiken och mätt mig fram till rätt längd och det
visade sig stämma väldigt bra. Matchade en 250 ohms vikt
dipol mot en 200 ohms koaxialkabelbalun-transformerad 50 ohm.
Mätte upp ståendevåg till 1.01 över en bandbredd på 2MHz.

Problemet med programvaran var att jag inte visste att antennen
hade 250 ohm, normalt sägs det ju att en sådan har 300 ohm
och då stämmer inte måtten på stubben riktig.


Upp
 Profil  
 
 Inläggsrubrik: Re: 4nec2 ?
InläggPostat: 07.58 2019-09-12 

Blev medlem: 17.06 2012-04-29
Inlägg: 1900
I dagligt tal så pratar man om antenner som något med en impedans av 50, 75 eller 300 Ohm.
Det är ofta allt en vardaglig antenn-användare behöver veta för att någon tekniker har varit i farten och designat antennen sådan att det nästan är sant att benämna antennerna på detta sätt.
Mer tekniskt korrekt, impedans är något som alltid har två parametrar, resistans och reaktans.
Antenner, för att de ska stråla effektivt underlättas det ofta om antennens längd är sådan att det kan uppstå en naturlig resonans. Resonans kan uppstå om våglängden är en hel multipel av den kortaste resonanta våglängden
Den kortaste resonansen vi känner till är en halv våglängd. Om man knyter fast ett rep mot en husvägg och tar andra repänden och försöker få repet att svänga så är det rätt lätt att åstadkomma hel och halva våglängder men andra mellanliggande längder dämpar ut sej själva.
Halvlängds dipol består naturligt nog av två kvartsvåglängder med maxström och 0 Volt i mitten.
En stämgaffel är bra exempel på en dipol. Dess resonans-frekvens bestäms av hur fort ljudet rör sej i metallen för att hinna skapa en halv våglängd lång resonans.
Det är en resonans med högt Q-värde så den kan fortsätta svänga en bra stund efter att man tillfört en mekanisk impuls genom att slå stämgaffeln mot en bordskiva t.ex. (Dirac-puls).
Om man håller i änden på en stämgaffel där mekaniska svängningarna är som störst dämpas dessa snabbare än om man håller i mitten. Det är därför man satt handtaget där, där motsvarande antennen , spänningssvängningarna är som minst.

En ideal dipol halvvågslång antenn har en impedans nära 73+j42 Ohm. Resistansen är 73 Ohm och reaktansen är +j43 Ohm. "j" eller "i" som alternativt kan användas används i impedans-uttrycket betecknar att talet hör till det imaginära talplanet. Som koordinater skrivs detta ofta i Y-planet medans resistans-delen håller sej utefter X-axeln. Det är komplexa uttryck där i synnerhet reaktansen ofta kan vara bådepositiv ochnegativ. Därför används alltid tecken "+" eller "-" framför reaktansen för att beskriva dess värde.
Då antennen alltid har en komplex impedans så måste vi alltid ta med den reaktiva delen för att kunna göra beräkningar. Ofta när man gör beräkningar av antenner är målet att göra reaktansen så liten som möjligt då den orsakar försämrade prestanda på antennen av många olika skäl. Det är t.ex. samma som i vårat elnät att reaktiva laster tar upp utrymme i ledningarna som annars kunnat utnyttjas för att överföra resistiv energi.

En ideal dipol med oändligt tunna förlustfria ledare utsträckta i rymden (absolut vakuum i en tom oändlighet), då har dipolen en impedans av ca 73+j42.5 Ohm.
Lyckligtvis ändras inte denna impedansen sej mer än några hundradels Ohm om en antenn åtminstone har några våglängder fritt utrymme i närfältet i vanlig luft med vanlig koppartråd som ledare.

Den reaktiva delen av impedansen är lite friare beroende av totala antenn-längden. Den är ett resultat av att de elektriska fälten från de bägge antenn-halvorna påverkar varandra.
Det är som med en stämgaffel. Det ljud som kommer från ena gaffelhalvan påverkar den andra gaffel-halvans ljudbild och orsakar olikasumma-impedanser.
Därför kan vi införa kompensationer med stubbar eller vanliga reaktiva komponenter (spolar och kondensatorer) för att reducera reaktansen när vi ska mata antennen från en sändare och vill få bra verkningsgrad.

Ett annat sätt att ändra reaktansen pga kopplingen mellan ledarna är att ändra deras fysiska utformning, bredd och höjd. Även längden kan påverkas men då påverkas också resistansen som beror av signalens gångväg. Gör man antennen kortare är det detsamma som att korta repet som var fäst i en husvägg och där man försöker hålla igång en svängning- Med kortare rep ökar resonanta frekvensen. Det är samma med dipol-antennen, kortas den ökar den frekvens där antennen är mest effektiv.
Ett uttryck för att effektiviteten sjunker är att strålningsresistansen sjunker relativt systemresistans.

Utan att gå in på detaljer så finns många fördelar som gjort att koxialkabel med karaktäristisk impedans 50+j0 Ohm är ett praktiskt val. Ett par saker att se upp med för den som t.ex. ska räkna på stubbar tillverkade av koaxialkabel. är att impedansen benämns karaktäristisk, en "virtuell" impedans som när man räknar på den ses som en oändligt lång kabel. Föratt kabeln inte ska skapa reaktiva laster är dess utformning sådan att reaktansen oftast är nära 0, inom några Ohm. Därför i vardaligt tal benämns ofta kabelns karaktäristiska impedans utan att ange reaktiva parten, vi nöjer oss med att skriva 50,75,150 eller 300 Ohm som beskrivning av kabeln impedans, trotsatt det bara anger resistiva biten, inte den reaktiva.
När man ska räkna lite mer avancerat för att t.ex. beräkna antenn-längder, stubbar eller kabel-längder mellan olika antenn-element så måste man ha med även den reaktiva delen.

Den vikna halvvågs-dipolen är på många sätt intressant. Den består av en antenn som är en halv våglängd lång och som försetts med en parallell ledare som förbinder yttre ändarna. Det blir en sammanhängande total ledar-längd som är exakt en våglängd lång.

Med en sådan antenn, en som består av en våglängd som är förbunden i bägge ändar till samma matningspunkt kan vi skapa ett antal grundstrukturer av antenner, alla med sin typiska impedanser.
Den enklaste strukturen som kan skapas med den trådlängden är en cirkel. Kallas helvågs loop antenn. En annan grundstruktur är den fyrkantiga versionen, där varje del-sida är en kvarts våglängd lång.
Både resistans och reaktans är ca 1,5 ggr högre än för den enkla dipolen för dess strukturer.
När strukturen det vi kallar viken halvvåg, där de bägge parallella ledarna ligger nära varandra uppstå så stor koppling mellan ledarna att de kan betraktas som transmissionsledare.
Andra exempel på där vi talar om transmissionsledare är ledare på PCB ovan ett jordplan. Detta är då ledare vars impedans är kraftigt beroende av jordplanet, eller som i fallet med viken dipol, en motstående ledare där strömmen går i motsatt riktning.
Det blir med dessa egenskaper i bakhuvudet relativt enkelt att beräkna vikna dipolens impedans relativt den enkla dipolen till 292 +j1170 Ohm.
Ett vanligt sätt att korrigera för den reaktiva biten är matcha antennen via stubbar eller sätta två kondensatorer en bit ut mellan transmissions-ledarna/antennen och man får då en en impedans som kan matas med låga förluster från en balanserad ledare med karaktäristisk impedans på 300 Ohm.
Genom att minska antenn-längden 3-4% relativt ideala halva våglängden kan man minska reaktansen till nära 0 och resistansen sjunker till strax över 280 Ohm. Bra då man slipper de förluster som reaktansen skapar men istället får man förluster då antennens resistiva impedans-del nu matchar sämre mot en 300 Ohms antenn-ledare och lägre strålningsresistans försämrar antennen effektivitet.

Den vikna dipolen bygger på kopplingen mellan elementen kan ses som en transmissionsledare pga närheten mellan ledarna. Det ställer stora krav på att balanseringen är korrekt i matningspunkten.
En balanserad antenn-struktur som matas av en obalanserad ledare typ koaxialkabel, kan drastiskt förändra denna koppling då en del av antenn-strömmen kommer följa koaxialkabelns yttre skärm i stället för att hålla sej till avsedda antenn-elementen.
Det finns ett antal knep för att förhindra sådant. Korrekt matchning, balanserat eller inte, minskar problemet. Kvartsvågs choke ger bra resultat. Ferriter runt koaxialkabeln vid antennen, anpassade att absorbera(resistiva) vid aktuellt frekvensområde, minskar antenn-strömmar bakom ferriterna, men antenn-effekt äts upp av ferriterna. Ferriterna är enkla att använda och fungferar relativt bredbandigt så de är praktisk att använda och gör ingen skada i ett impedansmatchat system.
Använder man antenn-ledare av typ bandkabel är det i sej en balanserad kabel där ytterligare balansering inte behövs vid antennen men går man över till obalanserat vid radion så måste man hantera problemt där istället.

Är frekvensen väldigt låg så att platsen där antennen placeras inte längre är att betrakta som "free space" och inte har flera våglängder fritt utrymma att låta elektriska fälten utbreda sej på, så lastas antennen hårdare. Syns ofta som att antennens impedans minskar. När höjden minskar till det extrema, när rantennen ligger direkt på ett jordplan så är den kortsluten och impedansen noll. Ofta är amatörradio-antenner någonstans mitt emellan. Man har antenner som hänger flera meter övermark men den höjden är kanske en bråkdel av den våglängd man vill sända på. Oftast det mest praktiska sättet att få upp lite bättre effektivitet på sådana antenner är att impedansmatcha med reaktiva komponenter typ kondensatorer och stora spolar.
Det går matcha även med t.ex. stubbar av koaxial-ledare men storleken och svårigheten att kontrollera dess omgivning gör dessa lite opraktiska.
På höga frekvenser är det omvända förhållandet. Matchning av antenner på 10 GHz och uppåt så används inga reaktiva komponenter. Det är uteslutande stubbar som används.

4nec2 är ett utmärkt program att simulera verkliga antenn-konstruktioner. Den har dock ett antal nackdelar som gör att programmet inte används i professionell miljö. Grundläggande skillnaden är att 4nec2 beräknar enligt Method Of
Moments (MoM) medan ofta föredragna mjukvaror för mer precisa beräkningar använder sej av beräkningsmetod kallad Finite Element Method (FEM) där mjukvaran HFSS är populär eller beräkningar enligt metod kallad Finite Integration in Technique (FIT) som används av mjukvaran CST. Finns långa trådar i diverse forum vilken av dessa programvaror som är att föredra. Är i mitt tycke lite som likvärdiga CAD-mjukvaror där den som är bäst är den som man behärskar och är van vid.

Nackdelen med dessa programvaror är de är mycket dyra programvaror som länge saknat lågpris-konkurrens värd namnet. Sakta har dock vuxit fram open source projekt som blivit allt mer dugliga på denna typ av beräkningar. En sådan programvara är det från börja finsk-utvecklade programvaran Elmer. https://sourceforge.net/projects/elmerfem/
Denna typ av mjukvaror kan inte bara användas för att beräkna EM-vågor utan även vätskors våg-beteende eller hur flöden och temperaturer sprider sej i mekaniskt komplicerade strukturer, materialspänning och mycket annat.
Ska man nämna någon nackdel så är det att ju närmare verkligheten man vill simulera, ju mer parametrar måste anges korrekt. Ett litet fel på en parameter kan få stora skillnader på slutresultatet.

I början kan det därför vara ide att manipulera befintliga övnings-exempel för att få en känsla av vad som krävs och hur man hittar de olika funktionerna och inställningaran.
Även om det är simuleringar som gör ett utmärkt jobb för att t.ex. beräkna antenn-parametrar så krävs det att man har lite grund-kunnande för att sätta upp korrekta parametrar för simuleringen och bästa sättet att ana att en simulering gått fel är att den inte stämmer med flera nollor från det man beräknade i huvudet eller att man tidigare mätt på närliggande exempel och därför vet vad som är rimliga resultat.

När jag ska beräkna stubbar, det är en av de få tillfällen numera som jag använde blyertspenna och linjal och ritar på ett Smithdiagram. Det tar en minut och sedan klipper man till önskad längd kabel och löder in eller klistrar in koppartejp på kretskortet.


Upp
 Profil  
 
 Inläggsrubrik: Re: 4nec2 ?
InläggPostat: 17.09 2019-09-12 
Användarvisningsbild

Blev medlem: 18.04 2009-08-16
Inlägg: 11056
Jag tror en vikt dipol konstruerad med en 300 ohm bandkabel hamnar närmare 300 ohm i matningspunkten. Den jag byggde är 2 pianotråd separerade med sockerbitar och räknar man på parledning med det avstånd de sockerbitarna ger då blir impedansen lägre runt 250 ohm men vad den reaktiva delen blir är svårare att gissa.


Upp
 Profil  
 
 Inläggsrubrik: Re: 4nec2 ?
InläggPostat: 20.07 2019-09-12 

Blev medlem: 17.06 2012-04-29
Inlägg: 1900
En vikt dipol vid resonans ska ha ideala resistansen 292 Ohm. Man kan välja ledare som tillför resistans men inte tvärs om då 292 Ohm utgår från 0 Ohm resistiva ledar-förluster.
Jag bygger ofta i järntråd vilket har medium bra resistivitet men den uppgår inte till 1 Ohm för de antenner jag bygger. Man brukar hamna rätt så nära 292 Ohm resistivt även om man inte måttat dimensionerna helt perfekt. Däremot kan reaktansen variera av struktur-skäl inom rätt stora gränser. Grunden är att har du resonant längd ger det resistansen men om du bygger antennen med hårstrås-tunn silvertråd eller med korrugerat plåttak som byggmaterial påverkar främst reaktansen, ej resistansen.

Det finns inga undantag för någon särskild typ av ledarmaterial vad gäller hur en vikt dipols impedans är beskaffad. Man kan t.o.m variera avståndet mellan ledarna inom rätt vida gränser utan att det påverkar nämnvärt då transmissionsledarna agerar halvvågs transformatorer som oavsett avstånd mellan ledarna har en impedans som går mot oändligheten så länge längden är en halv våglängd.

Dock påverkar det om man ersätter luften mellan ledarna med annat dielektrikum, då det sänker vågledar-hastigheten men då är vi inne på ett helt annat fenomen, vågledarhastigheten, som gäller för alla antenn-ledare oavsett typ av antenn.
Vågledarhastigheten är typiskt 0.8c för bandkabel medans den är mycket nära 1 i luft. Det innebär att om man vill bygga en resonant dubbelviken dipol med bandkabel så ska antennen göras 20% kortare än om det är luft mellan ledarna. Det gäller för dubbelviken dipol, loopantenner osv. Sänker man vågledarhastigheten minskar våglängdens fysiska längd i mediet.

Vågledarhastigheten är samma fenomen som man kan mäta genom att leda ljud i järnvägsspår eller i luft.
Om nu någon roat sej med det, att en kompis ställer sej 300 meter bort och slår med en sten mot rälsen och du själv står med tidur. Du ser när stenen slås mot rälsen och startar då tiduret och tiduret stoppas när man hör ljudet. Det räcker för att bestämma vågledarhastigheten i både luft och järn.
Slaget mot rälsen hörs efter 1 sekund via luftvägen om kompisen knackat hårt nog, men efter endast 5mS är ljudet framme när ljudvågen färdats inuti rälsen. Ljudvågor i järn färdas ca 20 ggr fortare än i luft.

Om en antenn är en viken resonant halvvågs dipol ger det dess resistiva och reaktiva egenskaper., inte så mycket material-valet men materialvalet av dielektrikumet påverkar vilken längd som är resonant.
Dielektrikum-valet är mer en längdfaktor än en resistansfaktor för antenner i allmänhet om man resonansvillkoret ska bibehållass.

>då blir impedansen lägre runt 250 ohm men vad den reaktiva delen blir är svårare att gissa.

En förutsättning för att kunna mäta resistansen för en antenn är att man kan mäta reaktansen. Det finns inget sätt att isolera dessa från varandra. Kan man mäta resistansen så vet man per automatik reaktansen.
Dessa bägge variera med fasläget. Beroende på var utefter antenn eller matarkabel man mäter kommer värdena inbördes att variera. men dess summa-vektor, impedansen är konstant.
Formeln är R+jX=Z. Z är konstant utefter matar kabeln. Kan också uttryckas utan imaginär-tecken och då blir formeln R²+X²=Z²

När man anger olika antenn-typers typiska resistans och reaktans är det därför underförstått att man normalt mäter med utgångspunkt från att matningspunkten på antennen har 0 grader fasvridning.


Upp
 Profil  
 
 Inläggsrubrik: Re: 4nec2 ?
InläggPostat: 21.32 2019-09-12 
Användarvisningsbild

Blev medlem: 18.04 2009-08-16
Inlägg: 11056
Det var kanhända absolutbeloppet som blev 250. Om jag kunde få fram värdet i matningspunkten med 4nec2 så kunde programmet mer exakt beräkna var den kortsluta stubben ska anslutas (vid punkten 200 ohm realdel) och sedan hur lång den ska vara för att kompensera imaginära delen. Från 200 ohm punkten matas antennen med två styck pianotråd separerade med sockerbitar, en parledare med andra ord. Resten av den parledare används som stubb, nedanför 200 ohms punkten. Den parledaren har också 250 ohm impedans om man räknar på den baserat på avståndet mellan sockerbitarna. 200 ohms punkten tas från Baluntransformatorn via en högtalarledning som har 200 ohm i impedans om man där också räknar på avståndet mellan dess ledare.


Upp
 Profil  
 
Visa inlägg nyare än:  Sortera efter  
Svara på tråd  [ 5 inlägg ] 

Alla tidsangivelser är UTC + 1 timme


Vilka är online

Användare som besöker denna kategori: Inga registrerade användare och 4 gäster


Du kan inte skapa nya trådar i denna kategori
Du kan inte svara på trådar i denna kategori
Du kan inte redigera dina inlägg i denna kategori
Du kan inte ta bort dina inlägg i denna kategori
Du kan inte bifoga filer i denna kategori

Sök efter:
Hoppa till:  
   
Drivs av phpBB® Forum Software © phpBB Group
Swedish translation by Peetra & phpBB Sweden © 2006-2010