PPS Smart Antenna

 

 

Christian Hess    Thomas Huggenberger    Roman Lim    Benjamin Marti

 

Juni 2003

 

 

1. Antennen

 

Eine Antenne ist eine Anordnung von Bauteilen, mit der man elektromagnetische Wellen aussenden und empfangen kann. Dabei arbeitet sie als Umwandler zwischen leitungsgeführten Wellen in der Zuleitung und den Elektromagnetischen Wellen im freien Raum.

In der praktischen Anwendung werden an eine Antenne gewisse Anforderungen gestellt, eine davon ist die von uns untersuchte Richtcharakteristik. Darunter versteht man die Eigenschaft einer Antenne, bevorzugt in eine Richtung zu senden. Dies hat den Vorteil, dass die Antenne weniger Eingangsleistung benötigt, da diese nur auf einen kleinen Raumwinkel konzentriert wird. Eine weitere Anwendung ist die Kommunikation mit mehreren Clients von einer Basisstation aus, wobei alle auf der gleichen Frequenz versorgt werden können, wenn sie sich von der Basisstation aus gesehen in verschiedenen Richtungen befinden. Dies ist möglich, da eine Frequenz durch die Bündelung nur in Richtung des Clients benutzt wird, und in alle anderen Richtungen weiterhin zur Verfügung steht. Dasselbe gilt für den Empfang, da die Richtcharakteristik für Senden und Empfangen identisch ist.

Eine Antenne, welche sich selbstständig auf einen Empfänger ausrichtet nennt man Smart Antenna.

 

1.1 Antennenparameter

 

Die an Antennen auftretenden Phänomene sind äusserst kompliziert, in den meisten Fällen genügt es in der Praxis jedoch, mit wenigen charakteristischen Grössen zu arbeiten:

 

Strahlungsleistung Prad

Prad ist die über alle Richtungen integrierte Abstrahlungsleistung der Antenne. Mit der am Antennenfusspunkt eingespeisten Leistung P lässt sich der Antennenwirkungsgrad berechnen: h = Prad / P

 

Richtfaktor D

Ein idealer Kugelstrahler strahlt in jede Richtung mit der Strahlungsdichte

Sav = Prad / 4p

Eine Reale Antenne mit gleicher Strahlungsleistung hat in eine bestimmte Richtung ein Intensitätsmaximum Smax

Der Richtfaktor ist D = Smax / Sav

 

(x dB-) Keulenbreite

Darunter versteht man den Winkel über den die Strahlungsdichte um weniger als x dB vom Maximalwert abweicht.

 

Um die Richtcharakteristik zu veranschaulichen wird das Richtdiagramm verwendet.

Dabei wird die Antenne als Punktförmig angenommen, und von diesem Punkt aus in alle Richtungen ein Vektor gelegt, dessen Länge zur Intensität der Strahlung in einem konstanten Abstand d zur Antenne proportional ist, wobei d>>l

Die Enden der Vektoren bilden eine Fläche um die Antenne, welche man als Richtdiagramm bezeichnet.

 


2. NEC (Numerical Electromagnetics Code)

 

NEC ist ein frei erhältlicher Code zur Berechnung des elektromagnetischen Feldes von Antennen. NEC berechnet die Stromverteilung auf den Antennendrähten, die entweder durch angeschlossene Spannungsquellen oder durch ebene Wellen induziert werden kann. Dazu werden die einzelnen Drähte in mehrere kleine Segmente unterteilt und die Ströme und Ladungen auf jedem dieser Segmente berechnet. Daraus können dann die elektromagnetischen Felder berechnet werden.

 

 

2.1 Inputfile

 

 

CM NEC Input File

CM PPS Smart Antenna

CE

 

GW     1      10     0.00000      0.00000      0.00000      0.00000      0.00000      0.09300       0.00100

GW     2      10     0.06955      0.00000      0.00000      0.06955      0.00000      0.09300       0.00100

GW     3      10     -0.0695      0.00000      0.00000      -0.0695      0.00000      0.09300       0.00100                      

GW     4      10     0.00000      0.06955      0.00000      0.00000      0.06955      0.09300       0.00100

GE     1

 

GN  1  0    0    0  0.00E+00  0.00E+00  0.00E+00  0.00E+00  0.00E+00  0.00E+00

FR  0  1    0    0  0.823E+03 0.00E+00  0.00E+00  0.00E+00  0.00E+00  0.00E+00

EX  0  1    1    0  1.00E+00  0.00E+00  0.00E+00  0.00E+00  0.00E+00  0.00E+00

RP  0  37  72  1000 0.00E+00  0.00E+00  5.00E+00  5.0E+00   0.00E+00  0.00E+00

EN

 

 

Das NEC-Inputfile enthält verschiedene Kürzel, mit denen die Struktur und die Ansteuerung der Antenne beschrieben wird.

Hier die wichtigsten davon:

 

CM: Kommentar (Comment)

GW: Drahtantennenelement (General Wire)

GN: Grundfläche (Ground)

EX: Anregung, Speisung (Exitation)

FR: Frequenz (Frequency)

RP: Strahlungscharakteristik (Radiation Pattern)

 

Alles was nach dem CM-Zeichen kommt, wird von NEC ignoriert, hier kann man Kommentare oder Beschreibungen zur Antenne anbringen. Das CE-Zeichen weist auf das Ende der Kommentare hin.

Die GW-Tags definieren die einzelnen Drähte der Antenne. Die erste Zahl nach GW weist jedem Draht eine eigene Identifikationsnummer zu. Die zweite Zahl beschreibt, in wie viele einzelne Segmente der Draht für die Berechnung unterteilt werden soll. Für einen möglichtst genaue Berechnung sollten viele Segmente gewählt werden, die Länge eines einzelnen Segments sollte jedoch länger sein als das Achtfache vom Radius des Drahts. Die nächsten sechs Zahlen stellen die Koordinaten des Anfang- und Endpunkts des Drahts dar, und am Ende wird noch der Radius definiert. Das GE-Zeichen steht für Geometry End und zeigt an, dass die Beschreibung der physikalischen Struktur der Antenne beendet ist. Die 1 dahinter weist darauf hin, dass eine Ground-Platte verwendet wird.

Das GN-Zeichen beschreibt die Grundfläche. Mit einer eins am Anfang und Nullen dahinter wird eine perfekt leitende, unendlich ausgedehnte Grundfläche in der XY-Ebene definiert.

Nach dem FR werden die Frequenzen, bei denen die Antenne betrieben wird, definiert. In unserem Fall war die Frequenz auf 823 MHz eingestellt.

Nun muss noch beschrieben werden, wo die Antenne gespeist wird. Dies geschieht mit dem EX-Zeichen. In unseren Beispielen erfolgte die Speisung immer am ersten(untersten) Segment des ersten (mittleren) Stabes. Die Nullen am Ende besagen, dass keine Anregung durch induzierte Ströme vom ebenen Wellen geschieht.

Nach dem RP-Zeichen wird zum Schluss noch gesagt, was berechnet werden soll. Mit der binären Zahl 1000 wird NEC die Anweisung zur Berechnung des Gains gegeben. Im Beispiel oben sollen 37 Theta- und 72 Phi-Werte geplottet werden, das entspricht 5-Grad-Schritten.

 

2.2 Outputfile

 

Nach der Berechnung speichert NEC die Resultate in einem Outputfile ab, das folgende Struktur hat.

 

                                 *********************************************

 

                                    NUMERICAL ELECTROMAGNETICS CODE (NEC-2D)

 

                                 *********************************************

 

                                     - - - - COMMENTS - - - -

 

 

                          NEC Input File

                          PPS Smart Antenna                                                            

 

                                 - - - STRUCTURE SPECIFICATION - - -

 

                                     COORDINATES MUST BE INPUT IN

                                     METERS OR BE SCALED TO METERS

                                     BEFORE STRUCTURE INPUT IS ENDED

 

 

WIRE                                                                           NO. OF  FIRST  LAST   TAG

NO.        X1         Y1         Z1        X2         Y2        Z2     RADIUS   SEG.   SEG.   SEG.   NO.

   1    0.00000    0.00000    0.00000   0.00000    0.00000   0.09300   0.00100     11      1    11     1

   2    0.06955    0.00000    0.00000   0.06955    0.00000   0.09300   0.00100     11     12    22     2

   3   -0.06955    0.00000    0.00000  -0.06955    0.00000   0.09300   0.00100     11     23    33     3

   4    0.00000    0.06955    0.00000   0.00000    0.06955   0.09300   0.00100     11     34    44     4

 

   GROUND PLANE SPECIFIED.

 

   WHERE WIRE ENDS TOUCH GROUND, CURRENT WILL BE INTERPOLATED TO IMAGE IN GROUND PLANE.

 

   TOTAL SEGMENTS USED=   44     NO. SEG. IN A SYMMETRIC CELL=   44     SYMMETRY FLAG=  0

 

         - MULTIPLE WIRE JUNCTIONS -

 JUNCTION    SEGMENTS  (- FOR END 1, + FOR END 2)

  NONE

 

                                 - - - - SEGMENTATION DATA - - - -

 

                                        COORDINATES IN METERS

 

                         I+ AND I- INDICATE THE SEGMENTS BEFORE AND AFTER I

 

 

  SEG.   COORDINATES OF SEG. CENTER     SEG.     ORIENTATION ANGLES    WIRE    CONNECTION DATA   TAG

  NO.       X         Y         Z       LENGTH     ALPHA     BETA      RADIUS    I-   I    I+    NO.

     1   0.00000   0.00000   0.00423   0.00845   90.00000   0.00000   0.00100     1    1    2      1

     2   0.00000   0.00000   0.01268   0.00845   90.00000   0.00000   0.00100     1    2    3      1

     3   0.00000   0.00000   0.02114   0.00845   90.00000   0.00000   0.00100     2    3    4      1

 

…usw… Hier werden die einzelnen Segmente beschrieben.

 

 ***** DATA CARD NO.  1   GN   1     0     0     0  0.00000E+00  0.00000E+00  0.00000E+00  0.00000E+00  0.00000E+00  0.00000E+00

 ***** DATA CARD NO.  2   FR   0     1     0     0  8.23000E+02  0.00000E+00  0.00000E+00  0.00000E+00  0.00000E+00  0.00000E+00

 ***** DATA CARD NO.  3   EX   0     1     1     0  1.00000E+00  0.00000E+00  0.00000E+00  0.00000E+00  0.00000E+00  0.00000E+00

 ***** DATA CARD NO.  4   RP   0    37    73  1000 -9.00000E+01  0.00000E+00  5.00000E+00  5.00000E+00  0.00000E+00  0.00000E+00

 

 

 

                                 - - - - - - FREQUENCY - - - - - -

 

                                    FREQUENCY= 8.2300E+02 MHZ

                                    WAVELENGTH= 3.6428E-01 METERS

 

 

                    APPROXIMATE INTEGRATION EMPLOYED FOR SEGMENTS MORE THAN   1.000 WAVELENGTHS APART

 

 

                               - - - STRUCTURE IMPEDANCE LOADING - - -

 

                                   THIS STRUCTURE IS NOT LOADED

 

 

                                  - - - ANTENNA ENVIRONMENT - - -

 

                                          PERFECT GROUND

 

                                - - - MATRIX TIMING - - -

 

                        FILL=    0.000 SEC.,  FACTOR=    0.000 SEC.

 

 

                                          - - - ANTENNA INPUT PARAMETERS - - -

 

   TAG   SEG.    VOLTAGE (VOLTS)         CURRENT (AMPS)         IMPEDANCE (OHMS)        ADMITTANCE (MHOS)      POWER

   NO.   NO.    REAL        IMAG.       REAL        IMAG.       REAL        IMAG.       REAL        IMAG.     (WATTS)

     1     1 1.00000E+00 0.00000E+00 1.95814E-03-1.52372E-02 8.29704E+00 6.45628E+01 1.95814E-03-1.52372E-02 9.79072E-04

 

 

                             - - - CURRENTS AND LOCATION - - -

 

                                 DISTANCES IN WAVELENGTHS

 

 

  SEG.  TAG    COORD. OF SEG. CENTER     SEG.            - - - CURRENT (AMPS) - - -

  NO.   NO.     X        Y        Z      LENGTH     REAL        IMAG.       MAG.        PHASE

     1    1   0.0000   0.0000   0.0116  0.02321   1.9581E-03 -1.5237E-02  1.5362E-02  -82.677

     2    1   0.0000   0.0000   0.0348  0.02321   1.9235E-03 -1.5736E-02  1.5854E-02  -83.031

     3    1   0.0000   0.0000   0.0580  0.02321   1.8546E-03 -1.5758E-02  1.5867E-02  -83.287

     4    1   0.0000   0.0000   0.0812  0.02321   1.7527E-03 -1.5318E-02  1.5418E-02  -83.473

     5    1   0.0000   0.0000   0.1044  0.02321   1.6192E-03 -1.4478E-02  1.4568E-02  -83.619

 

Die Ladungen und Ströme der Segmente.

 

 

                                        - - - POWER BUDGET - - -

 

                                           INPUT POWER   = 9.7907E-04 WATTS

                                           RADIATED POWER= 9.7907E-04 WATTS

                                           STRUCTURE LOSS= 0.0000E+00 WATTS

                                           NETWORK LOSS  = 0.0000E+00 WATTS

                                           EFFICIENCY    = 100.00 PERCENT

 

 

 

                                                - - - RADIATION PATTERNS - - -

 

 - - ANGLES - -        - POWER GAINS -    - - - POLARIZATION - - -  - - - E(THETA) - - -  - - - E(PHI) - -

 THETA     PHI     VERT.   HOR.    TOTAL    AXIAL   TILT   SENSE   MAGNITUDE    PHASE    MAGNITUDE   PHASE

DEGREES  DEGREES    DB      DB      DB      RATIO   DEG.            VOLTS/M    DEGREES    VOLTS/M   DEGREES

 -90.00     0.00    3.52 -999.99    3.52  0.00000   0.00  LINEAR  3.63395E-01  -146.23  0.00000E+00    0.00

 -85.00     0.00    3.40 -999.99    3.40  0.00000   0.00  LINEAR  3.58237E-01  -145.72  0.00000E+00    0.00

 -80.00     0.00    3.03 -999.99    3.03  0.00000   0.00  LINEAR  3.43278E-01  -144.12  0.00000E+00    0.00

 -75.00     0.00    2.42 -999.99    2.42  0.00000   0.00  LINEAR  3.20026E-01  -141.31  0.00000E+00    0.00

 -70.00     0.00    1.59 -999.99    1.59  0.00000   0.00  LINEAR  2.90885E-01  -137.06  0.00000E+00    0.00

 -65.00     0.00    0.58 -999.99    0.58  0.00000   0.00  LINEAR  2.58986E-01  -131.08  0.00000E+00    0.00

 -60.00     0.00   -0.53 -999.99   -0.53  0.00000   0.00  LINEAR  2.27893E-01  -123.05  0.00000E+00    0.00

...usw… Hier wird nun zum Schluss die Strahlungscharakteristik der Antenne beschrieben. Zur besseren Übersicht lassen sich diese Daten mit einem geeigneten Programm (z.B. MATLAB) auch grafisch darstellen.

 


2.3 4Nec2

 

Fig. 2.1: 4Nec2 Hauptfenster

 

Bei unserer Arbeit stiessen wir auf das hilfreiche Programm 4Nec2. Dieses bietet eine grafische Oberfläche zum NEC-Code und erleichtert damit die Arbeit mit NEC deutlich.

Texteditor Für die Eingabe bietet 4Nec2 einen eigenen sowie einen (noch nicht ganz ausgereiften) grafischen Editor, bei dem die Antenne ähnlich wie bei einem Zeichnungsprogramm „gemalt“ werden kann.

Sobald man ein Inputfile geladen oder erstellt hat, stellt 4Nec2 die Struktur der Antenne dar.

 

 

 

Fig. 2.2: Grafische Darstellung des Inputfiles

 

 

In unserem Fall interessierte vor allem der Horizontal Gain, dessen Verteilung 4Nec2 ebenfalls gleich grafisch darstellt. Die Berechnung des Gains dauert mit NEC bei nicht allzu komplizierten Konfigurationen nur wenige Sekunden.

Fig. 2.3: Darstellung des Radiation Patterns

 

4Nec2 bietet noch diverse weitere Hilfsmittel, unter anderem auch einen Optimimizer. Da es uns jedoch nicht gelungen ist, eine Anleitung zu diesem Freeware-Programm zu finden, konnten wir leider mit den unzähligen Optionen und Einstellungen des Optimizers nicht viel anfangen. 


3. FEKO

 

FEKO ist ein kommerzielles Programm zur numerischen Feldberechnung bei Körpern mit beliebiger Oberfläche. Zuerst wird die Stromverteilung auf den Oberflächen und daraus das elektromagnetische Feld berechnet.

 

3.1 WinFEKO

 

WinFEKO ist das Hauptprogramm. Es wird verwendet um den Lösungsprozess eines Problems zu kontrollieren und zu steuern. In WinFEKO wird die Antennenstruktur graphisch in 3D dargestellt. Die Ansicht kann beliebig gedreht und skaliert werden.

 

 

Fig. 3.1: Graphische Oberfläche von WinFEKO

 

Als Grundlage für WinFEKO dient die *.fek-Datei. Sie wird mit PREFEKO aus dem Inputfile erzeugt.

 

3.2 Inputfile und PREFEKO

 

Im Inputfile (*.pre) wird die geometrische Struktur des zu lösenden Problems definiert. Die in Fig. 3.1 sichtbare Struktur wurde mit dem folgenden Inputfile erzeugt:

 

** Variables               symbolische Variablen beginnen immer mit #

** Frequency               Kommentarzeilen beginnen mit **

#freq = 823e6              ** frequency in Hertz

#x = 0.084                 ** Stablänge

 

#pi = 3.14159

 

#MAXDRNV = 40

 

** Radien der Kreise mit Löchern

#R1 = 0.06955

#R2 = 0.0769

#R3 = 0.08425

#R4 = 0.0916

#R5 = 0.09895

#R = 0.19

 

** Winkel

#deg = 15                  ** Winkel der beiden äusseren Stäbe zur x-Achse

#rad = #deg/180*#pi

 

** Winkelfunktionen

#sin = #rad - 1/6*#rad^3 + 1/120*#rad^5 - 1/5040*#rad^7 + 1/362880*#rad^9 - 1/39916800*#rad^11

#cos = 1 - 1/2*#rad^2 + 1/24*#rad^4 - 1/720*#rad^6 + 1/40320*#rad^8 - 1/3628800*#rad^10

 

** Cosinus-Werte

#C0 = 1

#C5 = 0.996195

#C10 = 0.984808

#C15 = 0.965926

#C20 = 0.939693

#C25 = 0.906308

#C30 = 0.866025

#C35 = 0.819152

#C40 = 0.766044

#C45 = 0.707107

#C50 = 0.642788

#C55 = 0.573576

#C60 = 0.5

#C65 = 0.422618

#C70 = 0.342020

#C75 = 0.258819

#C80 = 0.173648

#C85 = 0.087156

#C90 = 0

 

** Sinus-Werte

#S90 = 1

#S85 = 0.996195

#S80 = 0.984808

#S75 = 0.965926

#S70 = 0.939693

#S65 = 0.906308

#S60 = 0.866025

#S55 = 0.819152

#S50 = 0.766044

#S45 = 0.707107

#S40 = 0.642788

#S35 = 0.573576

#S30 = 0.5

#S25 = 0.422618

#S20 = 0.342020

#S15 = 0.258819

#S10 = 0.173648

#S5 = 0.087156

#S0 = 0

 

** Parameters for segmentation

#seg_rad = 0.001           ** radius of the wire segments

#seg_len = #x/10           ** maximum length of wire segments

#tri_len = #x/2            ** maximum edge length for triangular patches

IP                            #seg_rad  #tri_len  #seg_len

 

** Geometry of radiating structure

** mit DP werden Punkte definiert: dahinter folgen Name und x-, y- und z-Koordinate

DP   M                        0         0         0

DP   R                        #R        0         0

DP   R1                       #R1       0         0

DP   R2                       #R2       0         0

DP   R3                       #R3       0         0

DP   R4                       #R4       0         0

DP   R5                       #R5       0         0

DP   U                        0         0         #x

 

** KR definiert Kreisringsegmente: dahinter folgen Mittelpunkt, Punkt auf der

** Senkrechten durch den Mittelpunkt, innerer Radius, äusserer Radius, Winkel, max.

** Segmentlänge innen, max. Segmentlänge aussen

** Hier werden Viertelkreisringe erzeugt

KR   M    U    R1             90        #R1*#pi/36

KR   M    U    R2   R1        90        #R2*#pi/36#R1*#pi/36

KR   M    U    R3   R2        90        #R3*#pi/36#R2*#pi/36

KR   M    U    R4   R3        90        #R4*#pi/36#R3*#pi/36

KR   M    U    R5   R4        90        #R5*#pi/36#R4*#pi/36

KR   M    U    R    R5        90                  #R5*#pi/36

 

** Monopole points

DP   1A                       0         0         0

DP   1M                       0         0         #seg_len

DP   1E                       0         0         #x

 

DP   3A                       #R3*#cos  #R3*#sin  0

DP   3E                       #R3*#cos  #R3*#sin  #x

 

DP   4A                       0         #R3       0

DP   4E                       0         #R3       #x

 

** Symmetrie an der x-Achse

SY   1    0    1    0

 

** Erzeugen von Stäben

LA   3                     ** Jeder Stab hat ein Label

BL   3A   3E               ** Stab mit Anfangs- und Endpunkt

 

** Symmetrie an der y-Achse

SY   1    1    0    0    10

 

** aktiver Stab in der Mitte mit einem Feedingsegment (Label 1)

LA   1

BL   1A   1M

LA   2

BL   1M   1E

 

LA   4

BL   4A   4E

 

** End of geometric input

EG   1    0    0    0    0

 

** Set the frequency

FR   1    0                   #freq

 

** Feedingsegment (Label 1) mit 5V anschliessen

A1   0    1                   5

 

** Far Fields

FF   1    1    360  1         90        0         0         1

 

** End

EN

 

 

Zum Erzeugen der Inputfiles wird EditFEKO verwendet.

 

 

Fig 3.2: EditFEKO

 

Fig 3.3: EditFEKO

 

3.3 Outputfile und GraphFEKO

 

Alle Lösungswerte werden in das Outputfile geschrieben, das demnach vor allem aus riesigen Tabellen besteht. Auch allfällige Fehlermeldungen  sind im Outputfile ersichtlich. Die Resultate, z.B. das Fernfeld, können mit GraphFEKO direkt visualisiert werden. Um die Resultate problemlos mit anderen Messwerten vergleichen zu können, wurde aber vorwiegend MATLAB zur Visualisierung verwendet.

 

3.4 Grundlegende Anmerkungen zum Arbeiten mit FEKO

 

Fig. 3.1 zeigt die geometrische Anordnung die dem Praktikumsaufbau entspricht. Die weissen Striche zeigen das Meshing auf der Grundplatte. Stäbe dürfen nur an Eckpunkten von Dreiecken platziert werden. Wird ein Stab innerhalb eines Dreiecks platziert ergibt das zwar keine Fehlermeldung, die Berechnungen stimmen aber in dem Fall nicht mehr mit der Realität überein. Um die verschiedenen Kreise mit Löchern auf der Platte der Messeinrichtung simulieren zu können mussten aus diesem Grund beim Definieren der geometrischen Struktur im Inputfile mehrere Kreisringe verwendet werden.

Berechnungen mit FEKO können im Vergleich zu NEC sehr lange dauern. Die Berechnung der Beispielkonfiguration (ca. 1000 Dreiecke auf der Grundplatte) dauert ungefähr drei Minuten (Pentium 400MHz). Wird das Meshing auf 4000 Dreiecke verfeinert benötigt FEKO bereits gut 30 Minuten für die Berechnung. In diesem Fall ist auch die Grenze von 256 MB, dem mit der verwendeten Lizenz zur Verfügung stehenden Speichers, nahezu erreicht. Die Rechnungsergebnisse ändern sich dann aber auch nur noch geringfügig.

 

3.5 Verschiedene mit FEKO simulierte Konfigurationen

 

Um das grundlegende Verständnis für Antennen zu fördern und den Einfluss von Abstand und Länge der Stäbe zu untersuchen, wurden verschiedene Simulation mit der Beispielkonfiguration in Figur 3.4 gemacht.

 

Fig. 3.4: Beispielkonfiguration

 

In der Mitte der Platte befindet sich der aktive Stab mit einer Länge von 84mm. Darum herum sind drei weitere (passive) Stäbe symmetrisch zur y-Achse (90°) angeordnet. Der mittlere Stab befindet sich immer bei φ = 90°. Für die anderen beiden Stäbe wurde φ (grüner Winkel in der Figur) im Bereich von 0° bis 85° in Abständen von 5° variiert. Der Radius wurde entsprechend der Messeinrichtung gewählt (69.55 mm, 76.9 mm, 84.25 mm, 91.6 mm, 98.95 mm). Die Platte hat einen Radius von 190 mm. Die graphische Auswertung zeigt jeweils das Gain des Fernfeldes in dB. Die Legende zeigt die Werte für den Winkel φ. Bei den folgenden fünf Konfigurationen sind jeweils alle vier Stäbe gleich lang (84 mm).

 

Fig. 3.5: Die drei äusseren Stäbe befinden sich auf dem innersten Radius (69.55 mm).

 

Fig. 3.6: Die drei äusseren Stäbe befinden sich auf dem zweitinnersten Radius (76.9 mm).

 

Fig. 3.7: Die drei äusseren Stäbe befinden sich auf dem mittleren Radius (84.25 mm).

 

Fig. 3.8: Die drei äusseren Stäbe befinden sich auf dem zweitäussersten Radius (91.6 mm).

 

Fig. 3.9: Die drei äusseren Stäbe befinden sich auf dem äussersten Radius (98.95 mm).

 

In diesen Beispielen ist ersichtlich, dass der Abstand der drei Stäbe vom Mittelpunkt mir dem aktiven Stab zwar Einfluss auf das Fernfeld hat, aber keine grundsätzlich verschiedenen Feldverteilungen bewirkt.

 

Bei den folgenden Konfigurationen wurde die Höhe der drei äusseren Stäbe variiert. Sie befinden sich auf dem mittleren Radius (84.25 mm) und der Winkel φ wurde wieder im Bereich von 0° bis 85° variiert. Aus diesen Messungen wird ersichtlich, dass grössere Stäbe eine reflektierende Wirkung haben. Die kleineren Stäbe haben hingegen eine anziehende Wirkung.

 

Fig. 3.10: Die drei äusseren Stäbe (93 mm) sind länger als der aktive Stab in der Mitte.

 

Fig. 3.10: Die drei äusseren Stäbe (76 mm) sind kürzer als der aktive Stab in der Mitte.

 

3.6 OptFEKO

 

Zur Berechnung dieser jeweils 18 verschiedenen Konfigurationen, bei denen sich nur der Winkel φ ändert wurde jeweils OptFEKO. OptFEKO ist das Optimierungsprogramm von FEKO. OptFEKO benötigt zwei Inputfiles: das *.pre- und das *.opt-File. In letzterem können Variablen aus dem *.pre-File ausgewählt werden, deren Wert dann durch OptFEKO variiert wird. In OptFEKO sind verschiedene Optimierungsalgorithmen implementiert: Simplex, Quasi-Newton und konjugierte Gradienten.

Hier wurde OptFEKO lediglich dazu verwendet, automatisch verschiedene Konfigurationen zu berechnen. φ wurde dabei als Variable, die von OptFEKO verändert werden darf, verwendet. In einem weiteren Schritt wäre OptFEKO allerdings ein gutes Tool, um ein Antenne mit einer guten Richtstrahlcharakteristik zu entwickeln.


4. Vergleich NEC – FEKO - Messung

 

Hier werden verschiedene Antennenkonfigurationen beschrieben. Unser Ziel war es, herauszufinden, wie gut die Simulationsprogramme wirklich sind und für welche Zwecke man welchem Programm den Vorrang geben sollte.

Zu jeder Antenne berechneten wir den Gewinn mit NEC und FEKO. Die Ausgaben verglichen wir mit der Messung, indem wir die jeweiligen Antennencharakteristiken in ein Diagramm plotteten.

 

4.1 Testantenne mit 3 passiven Stäben

 

Zum Anfang war uns die genaue Aufstellung der Antenne relativ egal, da wir vor allem herausfinden wollten, wie die Simulationsprogramme NEC und FEKO zu bedienen sind.

 

Fig. 4.11: Anordnung auf der Platte

 

Die genauen Daten:

1: Länge: 84mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 0mm, aktiv

2: Länge: 84mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 84.25mm, Winkel: 0°

3: Länge: 84mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 84.25mm, Winkel: 90°

4: Länge: 84mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 84.25mm, Winkel: 180°

Fig. 4.12: Gainplot, Skala in db

 

Die Daten in diesen Diagrammen sind jeweils auf das Maximum normiert, um einen Sinnvollen Vergleich anstellen zu können.

 

Auffällig ist, dass die Messung nicht symmetrisch ist. Das ist darauf zurückzuführen, dass der Messraum nicht ideal war. Rund um die Antenne haben wir Absorber gestellt, um möglichst Reflexionen an den Wänden zu unterbinden. Bei der zweiten Messung (Messung mit Wand) stellten wir zusätzliche Absorberwände auf, was zu einem glaubwürdigeren Resultat führte.

 

Schon bei der ersten Antenne ist zu sehen, dass keines der beiden Simulationsprogramme exakt auf die gemessene Kurve kommt. Während FEKO die Keule gegen 270° überhaupt nicht erfasst, berechnet NEC um 300° und 240° einen Fehler von rund 10db. Vor allem im Bereich von kleineren Leistungen driften die Werte auseinander.

 

4.2 Kleine Abstände Zwischen einzelnen Stäben

 

Bei dieser Antenne interessierten wir uns für die Auswirkungen von kleine Abständen zwischen den Stäben im Hinblick auf die Genauigkeit der beiden Simulationsprogrammen. Auch diese Konfiguration ist sehr einfach.

 

Fig. 4.21: Anordnung auf der Platte, kurzer Abstand zwischen zwei passiven Stäben

 

 

Die genauen Daten:

1: Länge: 84mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 0mm, aktiv

2: Länge: 84mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 98.95mm, Winkel: 85°

3: Länge: 84mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 98.95mm, Winkel: 95°

 

 

 

In grober Form kommen beide Simulationsprogramme auf das gleiche. Die kleinen Stababstände scheinen in dieser Form noch nicht allzu grosse Hindernisse zu sein. Dennoch ist das Resultat von FEKO deutlich näher bei der gemessenen Realität.

 

Fig. 4.22: Gainplot, Skala in db

 

4.3 Nachmessung einer Antenne des letzten Semesters

 

Einige Messungen und Berechnungen einer Gruppe vom letzten Semester wichen extrem voneinander ab. Ein ideales Testfeld für unsere Vergleiche NEC – FEKO. Vor allem bei Antennen mit vielen Stäben hatte NEC Probleme, bzw. waren die Berechnungen ziemlich weit weg von der Messung.

Möglicherweise haben wir die Antenne nicht identisch nachgebaut, da die Stablängen im alten Bericht nicht genau angegeben sind. Somit lassen sich sicher unsere Resultate untereinander vergleichen, jedoch nicht unbedingt mit denjenigen der anderen Gruppe.

 

Bei dieser Antenne wird der Unterschied zwischen NEC und FEKO am deutlichsten. War die NEC-Gain-Kurve bis jetzt relativ nahe bei den anderen beiden, weicht sie hier deutlich ab, vor allem im Bereich der Hauptkeule (zwischen 60° und 300°).

 

Der Code von FEKO berechnet, trotz aufwendiger Antennenkonfiguration, noch gute Resultate.

Fig. 4.31: Anordnung auf der Platte

 

Die genauen Daten:

01: Länge: 84mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 0mm, aktiv

02: Länge: 84mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 69.55mm, Winkel: 0°

03: Länge: 76mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 69.55mm, Winkel: 0°

04: Länge: 76mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 150.4mm, Winkel: 5°

05: Länge: 76mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 69.55mm, Winkel: 70°

06: Länge: 84mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 150.4mm, Winkel: 95°

07: Länge: 84mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 69.55mm, Winkel: 110°

08: Länge: 84mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 98.95mm, Winkel: 120°

09: Länge: 84mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 84.25mm, Winkel: 130°

10: Länge: 93mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 69.55mm, Winkel: 150°

11: Länge: 93mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 98.95mm, Winkel: 170°

12: Länge: 76mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 150.4mm, Winkel: 355°

13: Länge: 76mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 69.55mm, Winkel: 129°

14: Länge: 84mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 150.4mm, Winkel: 265°

15: Länge: 84mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 69.55mm, Winkel: 250°

16: Länge: 84mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 98.95mm, Winkel: 240°

17: Länge: 84mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 84.25mm, Winkel: 230°

18: Länge: 93mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 69.55mm, Winkel: 210°

19: Länge: 93mm, Stabradius: 1mm, Distanz zur Mitte: 98.95mm, Winkel: 190°

 

Fig. 4.32: Gainplot, Skala in db

 

 

4.4 Mögliche Fehlerursachen

 

Da mit den Simulationsprogrammen die Realität nur modellhaft angenähert wird, ist es klar, dass die Berechnungen nicht genau mit den Messungen übereinstimmen können.

NEC zum Beispiel nimmt als Grundplatte einfach eine unendlich ausgedehnte Ebene, während FEKO diese Platte mit einer Gitterstruktur simuliert.

Die Messung wird, trotz Abschirmung, von Objekten im Raum stark beeinflusst.

 

4.5 Matlab-File zum Plotten

 

So wurde das Diagramm der Antenne in 4.1 geplottet:

plotgain.m

 

gain=load('tot_gain_db_84.dat');

angle=gain(1:360,1)*pi/180;

max(gain(1:360,2))

radius=gain(1:360,2)-max(gain(1:360,2))+20;

polar(angle,radius,'r')

 

hold on

 

gain=load('lambda4mess_mitwand.txt');

angle=(0:10:350)'*pi/180;

radius=gain(1:36,1)-max(gain(1:36,1))+20;

polar(angle,radius,'b')

 

gain=load('lambda4mess_owand.txt');

angle=(0:10:350)'*pi/180;

radius=gain(1:36,1)-max(gain(1:36,1))+20;

polar(angle,radius,'g')

 

gain=load('nec84.txt');

angle=(0:5:355)'*pi/180;

radius=gain(1:72,2)-max(gain(1:72,2))+20;

polar(angle,radius,'c')

 

legend('FEKO','Messung mit Wand','Messung ohne Wand','NEC')

 

hold off

 

4.6 Fazit für die Antennenoptimierung

 

Solange die Antenne relativ wenige Elemente enthält, und diese auch nicht sehr nahe beieinander stehen, bieten beide Simulationsprogramme etwa gleichwertige Resultate. Bei komplizierteren Antennen ist die Fernfeldberechnung mit NEC abzuraten.

Der Zeitaufwand für eine Berechnung ist sehr unterschiedlich. NEC benötigte ein paar Sekunden, während bei FEKO eine Rechenzeit von 30 Minuten keine Seltenheit war. Eine gute Strategie, um möglichst effektive Antennen zu erhalten, könnte demnach folgendermassen aussehen:

-          Gute Antennen mittels Randomsearch (oder anderem Algorithmus) finden, berechnet mit NEC

-          Vielversprechende Konfigurationen mit FEKO nachsimulieren

-          Schlechte Antennen aussortieren

-          Vielversprechende Antennen aufbauen und nachmessen

Leider reichte uns die Zeit nicht mehr, um diese Strategie anwenden zu können.