Presentatie over Antenne ontwerp m.b.v. freeware CAD programmatuur 4 februari 2005 Door Wim van Dommelen PE2WDO Dia 1
Antenne ontwerp mbv freeware CAD programmatuur PE2WDO
Dia 2
Thema avond BRAC 4 februari 2006 Introductie CAD voor antenne ontwerp Modelleren Complexe vormen, omgeving Interpreteren van de resultaten Pauze HandsHands-on Info en afsluiting
PE2WDO
BRAC 03FEB2006
Welkom allemaal op deze thema avond van de BRAC. Mijn naam is Willem - PE2WDO. Vanavond vertel ik iets over het ontwerpen van antennes met behulp van antenne software. En we gaan er ook mee werken, vandaar de PC’s die je ziet staan. Ik heb me in de afgelopen jaren onder andere bezig gehouden met het ontwerpen en bouwen van vhf antenne’s, Dan kom je snel uit op bestaande antenne ontwerpen DL6WU en DK7ZB Daarbij ben ik eigenlijk al snel op zoek gegaan naar geschikte software. Nu zijn er hele mooie pakketten te koop, maar
met wat moeite blijkt dat er heel veel goede gratis software te vinden is via internet. Zolang je geen commercieel gebruik maakt van deze software kost het je helemaal niets. Voor vanavond heb ik de volgende onderwerpen: eerst een stukje theorie waarin ik iets vertel over de principewerking van antenne simulatieprogrammatuur. Aan Chris Dorna heb ik moeten beloven dat het geen zware theorie avond zou worden. Maar helemaal vanzelf gaat het niet, vandaar toch aandacht voor wat theorie. Daarna een kort overzicht van de historie en ontwikkeling van antenne simulatie software. Hoewel dit iets lijkt van de laatste tijd, dateert de eerste simulatie software al van de jaren 70, bijna 35 jaar oud. Dan in de aanloop naar het praktische gedeelte staan we even stil bij het ontwerpen zelf. Hoewel er veel programma’s zijn zal je zien dat een aantal basisprincipes voor een belangrijk deel hetzelfde zijn. Voordat jullie vanavond zelf aan de slag gaan, gaan we eerst maar eens wat droogoefenen. Om met de simulatiesoftware te kunnen werken moet je wat van assenstelsels weten en ruimtelijke figuren. We beginnen simpel en daarna komen wat ingewikkelder voorbeelden aan de orde. Dan komen we bij het gebruik van de software. Er is natuurlijk veel verschillende software. Daar kan ik misschien wel uren over vertellen. Vanavond zal ik een eenvoudig maar heel bruikbaar antenne analyser pakket behandelen en enkele van de belangrijkste functies laten zien. Ik schat dat we dan zo’n 45 minuten onderweg zijn en dat lijkt me een goed moment voor een kop koffie of plas pauze. Na de koffiebreak gaan we verder met het hand’s on gedeelte en wat we dan gaan doen zal ik na de pauze vertellen. Om 10 uur gaan we afronden. Er is nog wat tijd voor wat eventuele vragen. Ik zal dan nog wat laatste informatie geven en dan ronden we af.
Dia 3
CAD software Freeware Mininec MMANA 4NEC2 NEC2 NEC2forMMANA
PE2WDO
Commercieel NEC4 MultiNEC WinNEC
BRAC 03FEB2006
Een kort overzicht van op het internet verkrijgbare cad software voor antenne ontwerp (dat is software waarbij je niet gebonden bent aan een bepaald type antenne, het antenne model is vrij te modelleren). De simulatie software die ik het meest gebruik is MMANA en 4NEC2 (NEC-2 engine). Ik gebruik beide pakketten naast elkaar om de uitkomsten van een antenne model onderling te kunnen vergelijken. Zo kan je vrij snel ontdekken als er fouten/afwijkingen/bijzonderheden zijn, waardoor sneller en beter resultaat wordt bereikt bij de prototypebouw.
NEC varianten NEC is afgeleid van AMP (Antenna Modelling Program). Deze software is (zoals gemeld) oorspronkelijk ontwikkeld in de 1970’s door de marine en militaire luchtvaartindustrie in de US. Het softwareplatform dat voor deze ontwikkeling is gebruikt is Fortan (deze programmeertaal wordt nog steeds veel gebruikt voor wetenschappelijke toepassingen, maar wordt langzaam verdrongen door C++). Oorspronkelijk draaide de NEC software alleen op grote mainframe computers. Uit NEC is NEC-2 en recent ook NEC-4 ontwikkeld. De eerste 2 zijn momenteel vrij beschikbaar in het publieke domein. NEC-4 is wel commercieel verkrijgbaar. De sourcecode is niet beschikbaar. De huidige versie van NEC2 is in belangrijke mate tot stand gekomen door 2 pioniers op dit vlak: Burke en Poggio. Het Lawrence Livermore Laboratory heeft in een 3-tal documenten de rekenkundige principes en de softwarecode gepubliceerd. Omdat NEC2 source ook beschikbaar is als public domain is er nu veel simulatiesoftware beschikbaar is voor tal van computerplatforms waaronder windows, linux, RS6000 en vele andere. 4NEC2 4NEC2 (V5.5.2) is een gratis grafische antenne modelleringsomgeving gebaseerd op NEC-2. Om de NEC-2 rekenkern is een grafische gebruikersinterface ontwikkeld door de Nederlander Ari Voors uit Eindhoven. Heel bruikbaar en geeft goede resultaten. Gebruik ik zelf ook.
MININEC Deze numerieke rekenmethode is geintroduceerd in het begin van de jaren 80 (Mini Numerical Electromagnetics Code). MININEC 3 is ook gratis te downloaden is en ondanks dat de rekenalgoritmes en gebruikersinterface achterhaald zijn is de software zelf nog steeds uitermate geschikt middel voor het modelleren van antenne installaties, zoals die door veel zendamateurs worden gebruikt. MMANA MMANA Antenne Modellerings Programma (V2.03) Auteur en ontwerper van dit freeware programma is Makoto (Mako) Mori (JE3HHT) Eerste versie van deze software is in 1999 in Japan ontwikkeld en beschikbaar gesteld aan een groep mede-amateurs die vervolgens deze software zijn gaan testen. Vervolgens is in 2001/2002 is een engelstalige versie ontwikkeld. Daarnaast is in de afgelopen jaren ook een engelstalige, een duitstalige en een russische gebruikershandleiding ontwikkeld MMANA is een antenne analyse tool op basis van de moment methode. De eerste versies van MMANA zijn ontwikkeld in BASIC (dus op een PC) en de rekenkern van deze software is als publieke source code beschikbaar gesteld. Deze BASIC source code is in 1998 omgezet naar C++ en geoptimaliseerd voor betere rekenprestaties en geheugengebruik. Daarnaast is er een grafische (windows) interface toegevoegd waardoor het gebruik veel eenvoudiger is geworden. Ik zelf werk graag met MMANA. Verder gebruik ik 4nec2 om de rekenresultaten onderling te controleren. De idee achter alle antenne simulatie software is om veldberekeningen die erg complex zijn en bijna niet handmatig zijn uit te voeren, om die snel uit te kunnen voeren. Afgezien van de toeters en bellen die het rekenmodel nodig heeft is het met deze software mogelijk om door eenvoudig een aantal kenmerken van de antenne te bepalen (een wiskundige antenne beschrijving) op eenvoudige wijze de belangrijkste eigenschappen van een antenne berekenen. Als eenmaal het model is ingebracht kan je door een druk op de startknop het stralingspatroon berekenen, de versterking ten opzichte van een dipool of een ideale puntbron, de antenne impedantie, de staande golf verhouding in de voedingslijn, bandbreedte en eventueel zelfs de aanpassing van de antenne op de voedingslijn.
Daarbij geldt een MAAR, namelijk "Garbage In, Garbage Out", oftewel als je je antenne model niet goed modelleert dan weet de gebruikte software daar meestal niet goed raad mee en krijg je vreemde resultaten. De kunst is dus om een goed antenne model te beschrijven en om foute rekenresultaten te herkennen. In bepaalde software wordt daarom vooraf het antenne model gecontroleerd en als er vreemde afwijkingen zijn dan komt de software met een automatische melding aan de gebruiker en wordt er geen simulatie uitgevoerd. MMANA en 4NEC2 zijn goed bruikbare hulpmiddelen bij het ontwerpen en doorrekenen van antennesystemen, maar zoals met veel high tech tools moet je zorgvuldig te werk gaan en het is ook wel erg handig als je enig begrip hebt van de principe werking van bepaalde type antennes. Daarnaast is er nog een handige aanvulling op MMANA, waardoor je ook complexe situaties met electrisch geisoleerde elementen (draadantennes met een mantel) kunt simuleren (NEC2-for-MMANA), zonder alle ingewikkelde NEC-2 functionaliteit en instructies te hoeven leren. MMANA is wat gebruikersvriendelijker, maar geeft in een aantal situaties minder nauwkeurige eindresultaten. 4NEC2 is wat omslachtiger, maar kan meer situaties aan en de betrouwbaarheid van de uitkomsten is wat groter. Zoals een wijs man ooit zij: ‘ieder nadeel hep z’n voordeel’. Gelukkig heb ik geen verstand van voetballen.
Dia 4
Introductie • •
PE2WDO
de iteratie methode de moment methode
BRAC 03FEB2006
Eerst wat theorie. De meeste antenne simulatie software is gebaseerd op een numerieke rekenmethode. De theoretische grondbeginselen hiervoor dateren al van voor 1940. Er zijn 2 gangbare rekenmethodes voor het rekenen aan electromagnetische velden: De iteratie-methode en de moment-methode. Het meest gebruikt in antenne simulatiesoftware is de moment methode Dit principe wil ik kort toelichten. De moment methode is gebaseerd op het volgende principe: Stel je een zendantenne voor die is opgebouwd uit een groot aantal zeer dunne segmenten met een zeer kleine lengte (per segment), dan kan het door deze zendantenne ontwikkelde electromagnetische veld worden bepaald door de sommatie van de afzonderlijke velden die ontwikkeld wordt in de kleine afzonderlijke segmenten. Ieder segment afzonderlijk kan worden gezien als een kleine puntbron.
De veldsterkte kan dus door middel van grafische of numerieke integratie (dat is dus het Bij elkaar optellen van al die afzonderlijke kleine velden) worden bepaald. Maar zo heel eenvoudig als ik het hier voorstel, zo makkelijk is het allemaal niet. Voor het bepalen van het resulterende electrische veld moet je ook nog rekening houden met de distributie van de stroom in de geleider, de fase verschillen van de verschillende puntbronnen en het vlak van polarisatie. Bij de moment-methode zijn hiervoor een aantal rekenalgoritmen voor ontwikkeld, (gewogen residuum methode) waarmee de sommatie (een complexe integraal-berekening) wordt omgezet in een aantal gelijktijdige lineaire vergelijkingen. Die kan je middels een matrix berekening vrij snel oplossen en met de hulp van een computer gaat dit nog veel beter. Voor amateurs die meer over moment methode willen weten verwijs ik graag naar de wetenschappelijke literatuur, de theorieen van Maxwell en Poynting. Op het internet kan je hier ook het nodige over vinden. : google op ‘antenne moment methode’ en je komt dan ongetwijfeld het ‘multimedia textbook’ over dit onderwerp tegen. Je moet wel kennis van hogere wiskunde hebben om er iets van te kunnen begrijpen We willen het vanavond praktisch houden dus laat ik de theorie verder voor wat hij is. De idee achter alle antenne simulatie software is om veldberekeningen die erg complex zijn en bijna niet handmatig zijn uit te voeren, om die snel uit te kunnen voeren. Afgezien van de toeters en bellen die het rekenmodel nodig heeft, is het met deze software mogelijk om snel een aantal kenmerken van de antenne te bepalen. Om aan een antenne te kunnen rekenen is alleen een wiskundige antenne beschrijving nodig die door het simulatie programma kan worden begrepen) Bij het gebruik van deze antenne ontwerp software is het belangrijk om daar wat meer van te weten. Als eenmaal het model is ingeklopt kan je door een druk op de startknop het stralingspatroon van de antenne berekenen, de versterking ten opzichte van een dipool of een ideale puntbron, de antenne impedantie, de staande golf verhouding in de voedingslijn, bandbreedte en eventueel zelfs de aanpassing van de antenne op de voedingslijn bepalen. Daarbij geldt een MAAR, namelijk "Garbage In, Garbage Out", oftewel als je je antenne model niet goed definieert dan weet de gebruikte software daar meestal niet goed raad mee en krijg je vreemde resultaten. De kunst is dus om een goed antenne model te beschrijven en om foute rekenresultaten te herkennen. In bepaalde software wordt daarom vooraf het antenne model gecontroleerd en als er afwijkingen zijn dan geeft de software een automatische melding aan de gebruiker en wordt er geen simulatie uitgevoerd. Vanavond wil ik daar eerst wat aandacht aan besteden en daarna ga ik wat over de antenne software zelf vertellen. Daarbij, is zoals gezegd ruimte om zelf eens met antenne simulatie software te werken.
Dia 5
CAD voor antenne ontwerp Specificeren Modelleren en simuleren Verifieren Optimaliseren Prototype bouw Validatie
PE2WDO
BRAC 03FEB2006
Dan wil ik nu ingaan op het gebruik van antenne simulatie software. Een zorgvuldige werkwijze is wel gewenst. Ik wil daarom stilstaan bij de methode die ik volg en waarmee ik een goede ervaringen mee heb behaald. (zie resultaten van de VERON antenne meetdag in Meppel van vorig jaar, terug te lezen op de website van VERON Meppel). In het plaatje geef ik de stappen bij het ontwerp en de prototype bouw van een antenne Ik begin daarbij met een specificatie: wat wil ik bereiken, welke eigenschappen moet de antenne krijgen. Op internet kan je tal van antennéontwerpen met hun specifieke eigenschappen vinden. Het is vaak handig om van een reeds bestaand model uit te gaan, wat zo goed mogelijk aansluit bij je eigen wensen. Bij de simulatiesoftware zit meestal ook een hele bibliotheek van antenne modellen, die je als basis kunt nemen voor het ontwerp, maar daar zit dan weer geen beschrijving van de eigenschappen bij. Je kunt zelf bepalen wat je Handig/nodig vind, maar het is wel handig om het te documenteren, zodat je later kunt terugvinden hoe de prestatie/eigenschappen van een bepaald ontwerp is. Waarom zou je eigenlijk tijd investeren in het simuleren van antenne’s. Antenne simulatie software kan je een hoop geld en tijd besparen in de prototype fase. Een antenne gemaakt op basis van goede simulatie resultaten levert eerder een goed presterende antenne op dan op basis van een hele reeks prototype experimenten. Voorwaarde is wel dat je redelijk nauwgezet te werk gaat
Dia 6
Specificeren van antenne’s
electromagnetische eigenschappen •stralingspatroon (veraf/dichtbij,hor/ver) •gain, gain, voor/achter verhouding •antenne impedantie/aanpassing
andere eigenschappen •afmetingen/windlast, gewicht, torsie krachten, stijfheid •corrosie bestendigheid, UV bestendigheid, draaimoment
PE2WDO
BRAC 03FEB2006
Waarbij moet je aan denken als je een antenne wilt gaan ontwerpen: Prestatie eisen Electromagnetische en electrische eigenschappen Mechanische eisen Technische constructie, windbestendigheid, ijsafzetting en maakbaarheid Bepaalde eigenschappen Duurzaamheid van de materialen, UV bestendigheid, vochtbestendigheid
Dia 7
Modelleren van antenne’s Modelleren van de fysieke opbouw rechthoekig assenstelsel X,Y,Z eindpunten v.d. elementen diameter van de elementen tapering vereiste rekennauwkeurigheid
PE2WDO
BRAC 03FEB2006
Als je de belangrijkste specificaties heb opgeschreven ga je verder met het beschrijven van het antenne model. Een simulatiepakket kan helemaal niets met een grafische tekening maar kan wel rekenen als het weet waar De begin een eindpunten van de afzonderlijke elementen zijn en de positie van evt. sperkringen, spoelen etc. Er wordt uitgegaan van een rechthoekig assenstelsel.
Ik zal hierna aan de hand van een aantal oefeningen duidelijk proberen maken hoe het opzetten van de antenne beschrijving In zijn werk gaat. Jullie gaan dat dadelijk (na de pauze) ook zelf doen aan de hand van 2 opdrachten die ik jullie Ga meegeven.
Dia 8 Modelleren (1) 1. Teken assenstelsel Z
Y X
PE2WDO
BRAC 03FEB2006
Dia 9 Modelleren (2) 2. Maak een schets van de antenne (2D of 3D) Z Z
Y X
PE2WDO
(vb. 4 el. Yagi) Yagi)
BRAC 03FEB2006
Dia 10 Modelleren (3) 3. Nummer de elementen en bepaal beginbegin- en eindpunten (X,Y,Z) Z
Kies referentie: midden reflector = (0,0,0)
Voorbeeld
(0,-0.14,0) (0.06,-0.13,0) (0.1,-0.12,0) (0.21,-0.11,0)
[1]
(0,0.14,0) Y (0.06,0.13,0) (0.1,0.12,0) (0.21,0.11,0) [3]
[4] X
[2]
(let op afmetingen: orde grootte 0,1 - 1 Lambda ) PE2WDO
BRAC 03FEB2006
Dia 11 Modelleren Oefening 1
Z Bepaal de (X,Y,Z) coordinaat van de rode punt
1 1
1
X Y PE2WDO
BRAC 03FEB2006
Dia 12 Modelleren Oefening 2
Z Bepaal de (X,Y,Z) coordinaat van beide uiteinden van het rode lijnstuk
1 1 1 X Y PE2WDO
BRAC 03FEB2006
Dia 13 Modelleren Oefening 3
Z Bepaal de X,Y,Z coordinaat van de twee uiteinden voor elk van de 5 lijnstukken
X Y PE2WDO
BRAC 03FEB2006
Dia 14 Modelleren (4) 4. Bepaal welk element dienst doet als straler en bepaal het voedingspunt Z
Y X
PE2WDO
Dia 15
BRAC 03FEB2006
Modelleren (5) 5. Voer het model in het CAD pakket in (vb. MMANA) MMANA) Omschrijving
xyz
dikte vh element Straal! in mm
In meter
straler
Vb. W1C = wire 1, center W2B = wire 2, begin W4E = wire 4, end
`loads´
PE2WDO
BRAC 03FEB2006
Dia 16 Complexe vormen: cirkel Berekenen mbv spreadsheet: Y X1,Y1 X2,Y2 R
X1= R cos(phi1) Y1= R sin(phi1) X2= R cos(phi2) Y2= R sin(phi2) X
Verdeel de cirkel in korte lijnstukken Bepaal begin en eindpunt van ieder lijnstuk en bedenk: naarmate de lijnstukjes kleiner zijn benader je de vorm van een circel beter en des te kleiner de afwijking, maar het rekenmodel wordt aanzienlijk groter. Praktijk= minder dan 1% afwijking bij 24 circelsegmenten
PE2WDO
BRAC 03FEB2006
Dia 17 Berekenen, interpreteren en optimaliseren Het modelscherm
PE2WDO
BRAC 03FEB2006
Dia 18 Berekenen, interpreteren en optimaliseren Het visualisatiescherm
PE2WDO
BRAC 03FEB2006
Dia 19 Berekenen, interpreteren en optimaliseren Het rekenscherm
Start optimalisatie
Start berekening
PE2WDO
BRAC 03FEB2006
Dia 20 Berekenen, interpreteren en optimaliseren Het resultaatscherm . . . Met o.a. impedantie, swr, swr, gain, gain, v/a en opstralingshoek
tussenstand rekenresultaten
Omgeving Situatie Berekende waarden Wijzigingen van de afzonderlijke elementen
PE2WDO
BRAC 03FEB2006
Dia 21 Berekenen, interpreteren en optimaliseren Het stralingspatroon (2D)
PE2WDO
BRAC 03FEB2006
Dia 22 Berekenen, interpreteren en optimaliseren Het stralingspatroon (3D)
PE2WDO
BRAC 03FEB2006
Dia 23 Berekenen, interpreteren en optimaliseren Het optimalisatiescherm
Optimalisatie knoppen
Handmatig wijzigen van de elementen
Te optimaliseren elementen
PE2WDO
BRAC 03FEB2006
Dia 24 Berekenen, interpreteren en optimaliseren Het optimalisatie resultaat scherm Overzicht Simulatie berekeningen
Model wordt evt. aangepast na dubbelklik op gewenste regel
PE2WDO
BRAC 03FEB2006
Dia 25
Modelleren van antenne’s Additionele info: http:// analysis/ / http:// www.dxzone.com/ www.dxzone.com/catalog/Software/Antenna_ catalog/Software/Antenna_analysis
(theorie en achtergronden en links)
Voor theorie simulatie software: http:// www.urel.feec.vutbr.cz/~ /~raida raida/multimedia_en/ /multimedia_en/index.html index.html http://www.urel.feec.vutbr.cz
(moment methode – uitleg in het Nederlands)
Voor freeware downloads: downloads: MMANA: MMANA: 4NEC2:
http:// mmhamsoft.ham-radio.ch/ http://mmhamsoft.ham radio.ch/mmana/ mmana/ http:// www.home.ict.nl/~ /~arivoors arivoors/ / http://www.home.ict.nl
Voor toepassingen en voorbeelden: W4RLN:
PE2WDO
http:// www.cebik.com http://www.cebik.com
BRAC 03FEB2006
