Anten Modelleme Programı

4NEC2 

                    NEC : Numerical Electromagnetics Code, tel ve yüzey antenleri için popüler bir modelleme sistemidir. 1970’ler de  FORTRAN da yazıldı (delikli kart). Orijinal editörünün basitliği oradan geliyor olsa gerek.  Zamanla program yeniden derlenip DOS” a uyarlandı.

Radyo amatörleri tarafından da kullanılan EZNEC ve 4NEC2  gibi programlarda arka planda genellikle  NEC-2 sürümünü kullanır. EZNEC in bedelsiz demo sürümü 20 segment e kadar izin veriyor, bir dipol den fazlasını modellemek mümkün görünmüyor. Tam sürümleri ise şimdilik, sürüme göre 89-650 $ arası fiyatlardan satılıyor. Programın yazarı 2022 yılbaşından itibaren programı bedelsiz olar yayınlayacağını açıkladı. 4NEC2 ise zaten bedelsiz ve daha fazla arayüz e sahip.

 Öncelikle anten modelleme programlarına; bana filanca frekansta çalışan falanca anten tasarla deyip sipariş geçemiyoruz. Bir geometri oluşturup; örneğin dipol, loop , hangi çevrede çalışacağı gibi verileri verip, yayılım paterni, swr, kazanç, empedans gibi verileri alıyoruz. Ayrıca bir veya birkaç parametreyi optimize etmesini isteyebilirz. Program bunun için iletkeni küçük parçacıklara (segment) ayırıp her bir parçacığın verilen koşullardaki davranışına bakıyor.

Kurulum :

Aşağıdaki linkten programı indirip kuruyoruz . https://www.qsl.net/4nec2/

Programda  iki temel dosya mevcuttur, birincisi  programa verileri aktardığımız yani antenimizi oluşturan input dosyası. Uzantısı NEC dir.  Geometri, çalışma frekansı, çevre gibi bilgileri içerir. İkincisi output doyası, programın input dosyasına bağlı olarak ürettiği veriyi içerir. Bu veriler çeşitli grafiklerle karşımıza çıkar. Giriş dosyası yani tasarımımız mevcut olduğu sürece çıktı dosyasına da sahip oluruz. Yani output dosyasını dert etmeye gerek yok.

Programın ana ekranından mevcut bir NEC dosyasını çağırıp dosyadaki antene ilişkin verileri grafikleri görebilir, ancak yeni bir dosyayı oluşturmak veya değişiklik yapabilmek için bir editöre ihtiyacımız var. Bunun için Main window Settings in altında Notepad dahil dört seçenek mevcuttur. Elbette  Notepad i seçmeyeceğiz ama veri formatı hakkında bir fikir versin diye bir örnek Notepad dosyası görünümü veriyorum.

Örnrk bir .NEC dosyasının Notepad de görüntüsü :

CM Example 1 :      Dipole in free space   ' Comment cards

CE                          ' End of comment'

GW 1 9 0 -.2418 0 0 .2418 0 .0001     ' Wire 1, 9 segments, halve wavelength long.

GE 0                       ' End of geometry'

EX 0 1 5 0 1 0         ' Voltage source (1+j0) at wire 1 segment 5.'

FR 0 1 0 0 300 0     ' Set design frequency (300 Mc).'

EN                           ' End of NEC input

 

 Bu menüden, daha yaygın olarak kullanılan  NEC editor (new)  seçelim.

                                                                                                                                

Giriş dosyasını penceresi :

Ana ekrandan Edit Nec-input file butonuna veya  Edit sekmesinden Edit (.nec) file yi seçerek  veya F6 ya basarak editörünü açalım. Şimdi giriş dosyasını bir örnekle dolduralım

 

 

 

Şekilde üç eleman yagi nin X,Y,Z  eksenine, – (nagatif) bölgeleri kapsayacak şekilde yerleştirildiğini görüyoruz. Bu bize yayılım paterni nin doğru konumlandırlması nı sağlıyor.

Bir yagi anten de kabaca;  Driven elment (dipol)  ½ dalga boyu olarak ifade edilir. Reflector, Driven element den %5 daha büyük, Director, Driven element den %5 daha küçüktür. Ancak pratikte bu ölçülerin tamda tutmadığını bir miktar daha kısaltmamız gerektiğini görürüz. Sonlandırılmamış iletkenlerin gerçek boyutlarından daha uzunmuş gibi davrandığını, radyo dalgalarının tel üzerinde uzaydakinden daha yavaş ilerlediğini, iletken boyunun kesitine oranıyla ve hatta iletkenin kaplı olduğu dielectrik e bağlı olduğunu duyarız.

 Driven       lambda 0.47 – 0.49 

 Reflector  lambda  0.5- 0.525

 Director    lambda  0.4-0.45

 

Elemanlar arası boşluk ise 50 ohm empedans için lambda 0.2 – 0.225 civarındadır. Bu değerler küçüldükçe empedans düşecek, büyüdükçe yükselecek. Parazitic element olarak ta adlandırılan bu elemanların aralıkları eşit olmak zorunda değil. Yüksek kazançlı bir anten mi, yoksa (F/B) Ön arka zayıflatma oranını mı ön plana çıkartmak istediğimize bağlı olarak bu değerler değişiyor. Çevresi güçlü istasyonlarla sarılmış bir istasyonla çevresinde hiç istasyon olmayan bir başka istasyonun tercihleri farklı olur.

Editör bileşenleri :

     Symbols:

Önce sayfanın altından Scaling kısmından ölçeklendirme işlemini Metrik olarak seçelim.    Üste tabloda Symbols and equations sütününa  değişkenler ve eşitlemeler yapıyoruz.  Bu bölümü hiç kullanmasakta olurdu.Kolaylık sağlar, optimizasyon için gereklidir.

Bazı sayısal alt birimler aşağıda gösterildiği şekilde tanımlanmıştır.

                                                                                                                             

Commend: Nerdeyse her kısımda var.Yorum satırıdır, program bi etkisi yoktur işimizi kolaylaştırı.

Freq/Graund: 

 

Frequency: Anteni tasarladığımız frekansı giriyoruz. Örneğin 14.15 MHZ

Environment: Şayet bir zaruret yoksa önce free-space seçer, antenin uzaydaki paternini ve  gerçek kazancını görür sonra bir graund seçebiliriz. Ground gain , yani yer kazancı antenin kendi kazancı değildir.

Fast graund secilince Use graund-screen seçeneğinin aktif olur. Bu bölümün tiki ni işaretlersek Graund Screen bölümünden radyal oluşturabiliriz.

 

Geometry:

Bu bölüm en çok uğraşacağımız bölümdür. X1,Y1,Z1 başlangıç, X2,Y2,Z2 bitiş kordinatlarını, segment sayısını ve tel kesitlerini vererek uzayda bir şekil çiziyoruz.1. eleman yani yayıcının 11 segment den yani tek sayılı bir rakamdan oluşuyor.Bu bize tam ortasından yani 6. segment den besleme yapabilmemizi sağlıyor. Comment kısmına antenin hangi bölgesi olduğunu yazarak karışıklıkların önüne geçeriz. Yayıcı,yansıtıcı , yönlendirici  gibi.

Yeri geldiğinde kullanılmak üzere Tag yani etiket kısmı numaralandırıyoruz.

Source/Load:

 

Geometri kısmında oluşturduğumuz elemanların etiket ve sekment bölgesini belirterek, besleme noktasını veriyoruz. Veya aynı yöntemle ilgili elemana, trap, indüktans  gibi yükler ekliyoruz. Bunun için Show loads seçili olmalı

Others:

Bu bölümde Use Extended Kernel işaretli geliyor ve böyle kalsın.                               

Tüm verileri girdiğimize göre dosyayı farklı kaydet seçerek kaydedelim. Resimde işaretli Run butonuna basarak  programı çalıştırıyoruz.

Karşımıza çıkan ekrandan şimdilik Far Field pattern i seçiyoruz. Sol alt  kenardan Generate butonuna basarak ilerliyoruz.

  

 Herşey yolundaysa resimdeki gibi bir anten görürüz. Bir hata varsa giriş dosyamızı tekrar gözden geçirelim. İlk izlenimlerimizi ediniyoruz. Üst menülerden Eleman numaralarını ,etiketlerini ,segmentlerini, eleman üzerindeki akımları  göstertebiliriz.

 

Üstteki desende uzay daki (yerden bağımsız) antenimizin düşey eksendeki yayılımını görüyoruz. 

 

 

 

 

Ana pencerede işaretli alanda impedance  sahasında karekteristik empedansımızın  54 ohm imajiner empedansımızın ise +j3.06   olduğunu görüyoruz. . Bunun sonucu  50 ohm sistem empedansımıza göre SWR 1.1                  

 

 

Şimdi tekrar soldaki ana pencereden Run butonuna basarak daha ayrıntılı inceleyelim . 

 

 

 

 

 

Bu kez Frequency sweep seçelim. Program bir döngüyle belirlediğimiz alanda tarama yaparak veri toplayacak. Tarama yapılacak alanı  FR:  Start,Stop,Step  kısmından giriyoruz.Program maksimum 256 ölçüm yapabildiğinden taranacak alana göre uygun stepler seçilmelidir.

 

Generate butonuna basarak devam ediyoruz.

Not:işlem süresi verilen göreve göre uzayabilir

 

 

 

                                                                                                                                       

 

 SWR kısmında antenimizin yaklaşık 14.2 Mhz de rezonone olduğunu görüyoruz. 

 

 

 

 

 

 

 

İmpidence  grafiğinde solda karekteristik empedans, sağda imajiner empedans eksenleri , çalışma frekansımızın olduğu 14Mhz bölgesinde ise toplam empedans bileşenlerini görüyoruz.

        Grafikteki diğer verileri de inceledikten sonra optimize işlemine geçelim. Optimizasyon yani iyileştirme işlemi daha önce Symbols kısmındaki verilerin değiştirilmesiyle gerçekleşir. Bu işlem manuelde yapılabileceği gibi otomatik olarakta yapılabilir. kaldıki değerler çok sapkınsa yazılım seçtiğiniz değişkenin işlem üzerinde etkisiyok gibi bir mesaj verecektir. Budurumda manuel müdahale etmek gerekebilir. Yakın değerlere ulaşıldıktan sonra tekrar otomatik işlem yapılabilir.

 

Otomatik optimizasyon için ana pencerede Calculate sekmesinin altından Start Optimizer veya ilgili butona basarak başlatılır. Program; input  dosyasına müdahale edeceğinden editör pencereniz açıksa editörü kapatmanızı isteyecektir. Weighting factors ' un altındaki sahadan  neyi maksimize edeceğimizi veya etmeyeceğimizi % olarak belirtiyoruz. Variables kısmında tanımladığımız değişkenleri görüyoruz. Bu değişkenlerin tümünü aynı anda işleme sokup işlem yapabiliriz. Fakat program elemanların  görevlerini bilmiyor hatalı bir sonuca  gidebilir hemde neyin nereye nekadar etki ettiğini görelim . Bu yüzden önce  DrivLen olarak tanımladığımız Driven elementi optimize edelim.

DrivLen i  seçip seçilmişler arasına aldıktan sonra Resume butonuna basarak işlemi başlatıyoruz.İşlem bittikten sonra DrivLen verisinin değiştiğini göreceksiniz.Fakat bu veriler bellektedir. Update NEC file butonuyla kaydediyoruz.

 

Belki bazı incelemeler  (Frequency sweep gibi) yaptıktan sonra bu sefer DrivLen ,Kule,Kesit in dışındaki tüm değişkenleri  Selected seçerek tekrar optimize edelim. Benim elde ettiğm SWR 1. Antende tek parametrenin SWR olmadığınıda aklımın bir köşesine yazdım.

Modelimize çevre olarak Free Space yani uzayı vermiştik. Şimdi  editörden Freq/Ground  Enviromment den Real ground  ve sonrada bir yer türü seçerek tekrar optimize dedebilir ve hatta 3D grafiktede inceleyebiliriz. Artk oyundayız.

  10m kule yüksekliğine  göre  düşey yayılım paterni

Yerden 10m yüksekte yayılım paterni.

Farklı empedanslara sahip  antenleri  mesela  200 ohm empedansı olan delta loop anteni sisteme nasıl uyarlayacağım? Bunun için ana pencere  Settings in altından Char-impedance den çalışacağımız empedansı belirtiyoruz. 4NEC2’nin örnek dosyaları arasında düşük (30 ohm) empedanslı örneklerde mevcut. Ayrıca http://dx-antennas.com  Sayfası çok faydalı olacaktır.

 

Hayaller ve gerçekler.

iki yıl önce pratikliği ve maliyet etkinliği nedeniyle EFHW  anten yapmıştım. Defalarca arkadaşlarımla bu antenle arazide çalıştık. Bandlar ın genelinde ortalama SWR 1.5 in altındaydı. Yer yetersizliği nedeniyle başarısız dar açılı bir inverted V denemesinden sonra anteni çatıya çıkartabildim (iki yıl da) . Çatının bir bölümü sac örtülü. Hiç yoktan iyi olsada SWR 1.5 in üstünde seyretti. Tekrar yüzümü kızartıp çatıya çıkabilirsem  daha neler yapabileceğime bakacağım. Counterpois, 49:1 yerine 64:1 balun vsr.   

Yukarda bahsettiğim sorundan bağımsız, sonucu değiştirmiyecek olsada  çatıdaki durumu simule etmeye çalıştım ve hala devam ediyorum. Bitmemiş olsada elde ettiğim görüntüleri ekliyorum.

Tekralayan geometrik şekiller oluşturabilmek için copy/move komutundan faydalanılır. 

Şekilde; yayılım  açısının çok dik olduğunu görüyoruz. Yatay anten için dezavantaj. Kötü tercih  diyemiyorum çünkü tercih değil mecburiyetten. 

Not:Programda aksi görünsede patern çatının  üstündedir.  

                   

Antene  çok yakın eğimli iletken yapının yayılım üzerindeki deformasyonu görülüyor.

Gül yetiştirsem daha başarılı olurum.    

Bu şekilde tel boyutu hedef  frekansa göre özensisce girlmiş. Hiç ölçüm yapmadan sadece akım eğrisine bakarak EFHW mantığına uymadığını ve SWR nin yüksek çıkacağını  söyleyebiliriz.

 

     Programı kuralı yaklaşık bir ay oldu. Henüz yolun başındayım. Antene ilişkin aklıma takılan soruların cevabinı almaya çalışıyırum. Okuduğum kaynaklardan kafamda yer eden bir sözle yazıyı sonlandırmak istiyorum.  Fizik kuralları herkes için geçerlidir . Buna rağmen mucize antenler sunulmaktadır "HB9ACC".

 

TA7MVL  73.