НА ГЛАВНУЮ - адрес этой страницы - http://ra6foo.qrz.ru/triprog2.html = 5 12 2023 = НА ГЛАВНУЮ

О расхожении частот антенн ВК в EZNEC и MMANA

В настоящее время для проектирования антенн ВК диапазонов УКВ радиолюбителями используются программы моделирования тонких проволочных структур, MMANA на ядре MININEC 3m и EZNEC на ядре NEC. Несмотря на их достаточную точность, само название их класса говорит о том, что отношение диаметра элементов D к длине волны λ в них имеет ограничения. С увеличением D / λ падает точность расчета обоих программ и увеличивается частотная погрешность, в EZNEC и MMANA она разного знака. Частотная погрешность выглядит как сдвиг по частоте всех параметров, усиление, КСВ, ДН, отношение F/B, фактор шума G/T и т. д.
Всё сказанное ниже о EZNEC в полной мере относится и к NEC 2

Частотные графики моделей антенн ВК в MMANA и EZNEC довольно хорошо повторяют друг друга, но в EZNEC он будет сдвинут по частоте вниз относительно графика в MMANA. И чем больше диаметр элементов, тем больше будет расхождение.
Точный отсчет расхождения можно определить по частотам контрольных точек КСВ с уровнем КСВ 3...10 в области частот выше рабочей полосы, где на фоне резкого роста КСВ небольшие расхождения программ по R и Jx практически не влияют на величины КСВ. Такая зона имеется у всех моделей антенн ВК, ход КСВ в ней определяют длины пассивных элементов.
Из практики реализации радиолюбителями моделей ВК в реальные антенны можно сделать вывод, что истинные частоты контрольных точек находятся между расчетными, иначе ошибка одной из программ была бы слишком очевидна.
На скринах графиков взятых за пример моделей с элементами диаметром 8 мм UA9TC 5RS 144.5 МГц с авторскими размерами и установками сегментации видно, что точки с КСВ = 10, да и сами графики,смещены по частоте на 0.68 МГц. Слева график КСВ модели в EZNEC, справа в MMANA

С точностью ± 10...20 % (зависит от аккуратности сегментации) расхождение программ ΔF в МГц у любых моделей ВК можно также определить по формуле: ΔF = f * D / λ , где f - рабочая частота МГц, D - диаметр элементов в мм, λ длина волны в мм. Из формулы следует, что расхождение по частоте линейно зависит от диаметра элементов и квадратично от частоты.
Формула расхождения в % от рабочей частоты еще проще: ΔF % =100 D / λ. Из неё следует, что ΔF % = D / λ %.

если исходить из того, что истина лежит между расчетными частотами программ (что подтверждается практикой),
ТО ИЗ ЭТОГО СЛЕДУЕТ, ЧТО:

Параметры реальной антенны будут
в EZNEC выше по частоте на величину её частотной ошибки
в MMANA ниже по частоте на величину её частотной ошибки

EZNEC показывает частоту антенны ниже фактической,
а длины элементов в модели короче требуемых.
MMANA показывает частоту антенны выше фактической,
а длины элементов в модели длинее требуемых.

Чем больше диаметр элементов, тем больше частотная ошибка обоих программ,
тем больше на рабочей частоте усиление, ДН, отношение F/B, фактор шума G/T
и т. п. параметры реальной антенны, отличаются от расчетных.


Числовые данные по этому вопросу на основе расчетов различных моделей сведены в таблицу ниже.
Их точность зависит от многих причин, но не выходит за пределы ± 25%
Расхождение по частоте программ EZNEC и MMANA в % и в МГц
D/λ%, ΔF% - отношение в процентах диаметра D к длине волны λ и равное ему отношение в процентах расхождения частот ΔF к рабочей частоте F
+G - прибавка усиления по мере пошагового увеличения диаметра элементов для антенн из алюминия со средними потерями в металле.
В колонке антенн 145 МГц данные +G более подробны, меньшие числа для широкополосных "мягких" антенн UA9TC, RA6HLF и т. п., бОльшие числа для "жестких", типа DL6WU, DK7ZB и т. п.
Желтым отмечены отношения диаметра к длине волны, приводящие к заметному снижению точности расчета, красным недопустимые для точного расчета.
    диапазон 144 МГц диапазон 432 МГц диапазон 1296 МГц
Ø мм D/λ%, ΔF%ΔF МГц+G дБ D/λ%, ΔF%ΔF МГц+G дБ D/λ%, ΔF%ΔF МГц+G дБ
10.050.07исходн.0.150.63исходн.0.455.7исходн.
1,50.070.1+0.25...0,50.20.9+0.420.638+0.75
20.10.15+0.18...0,360.31.35+0.250.912+0,54vspace=10
30.150.22+0.12...0,240.452.0+0.211.3518+0,36
4,50.220.33+0.1...0,20.673.0+0,172.027+0,3
60.30.45+0.06...0,120.94.0+0,11------------
80.40.6+0.03...0,061.25.4+0,05------------
100.50.75+0,02...0,04>1.57.0+0,04------------
120.60.9+0.01...0,021.88.0+0,02------------
150.751.1+0.01...0,02------------------------
201.01.5+0.01...0,02------------------------
30 1.52.25+0.01...0,02--------------------
422.03.0+0.01....0,02------------------------

А КАК НА САМОМ ДЕЛЕ РАСПРЕДЕЛЕНА ОШИБКА?
Вышесказанноe было из предположения, что частотная ошибка поделена поровну между MMANA и EZNEC. На самом деле вполне вероятно, что она может почти полностью принадлежать одной из программ.
То, что некоторые авторы моделей EZNEC с элементами излишне большого диаметра, (смонтированными через металлический бум сечением 0,1 λ), начали прибегать к коррекции длин элементов антенны с помощью "дополнительной бумкоррекции", говорит о том, что ошибка EZNEC значительна и что результат расчета в третьей программе, FEKO, где на долю EZNEC приходится более 80% ошибки, это подтверждает.
"Дополнительная бумкоррекция".
Ошибка EZNEC требует того же, что бумкоррекция, длинить элементы и сместить частоту антенны вниз. Чтобы использовать этот прием для компенсации ошибки программы, надо знать и величину ошибки при этом диаметре (а она неизвестна), и величину бумкоррекции при этом диаметре (а она у разных авторов различается до 2 раз). Поэтому верить заверениям авторов, что антенна после этого проверена с помощью маячка на лужайке для гольфа и полностью соответствует расчетным данным, никаких оснований нет.

ЗАМЕТКИ и ВЫВОДЫ
1
Увеличение диаметров ради увеличения усиления за счет уменьшения потерь в материале целесообразно лишь до некоторого предела (см.таблицу) Нарастающие с увеличением диаметра погрешности расчета, увеличивающийся уход по частоте реальных параметров от расчетных усугубляется еще и понижением точности изготовления и увеличением влияния конструктива бОльших требуемых для этого размеров. В результате такое решение обычно приводит к обратному результату, уменьшению усиления и ухудению других параметров на рабочей частоте. А диаметр больше 1.4% λ (10 мм на 432 МГц и 3,2 мм на 1296 МГц) становится уже неприемлем для точного расчета даже с учетом коррекции по сдвигу частот.

2
"Обмануть" ошибку программы несложно, если проектировать антенну на благоприятные вам параметры на частоте в EZNEC ниже, а в NNANA выше нужной вам расчетной на величину их частотной ошибки. Останется лишь сообщить пользователям модели о причине такого моделирования и расчета на этой частоте. Но для этого надо знать, какая часть частотного расхождения программ приходится на эту программу. Некоторые авторы считают, что это знать необязательно и вслепую корректируют этот частотный сдвиг бумкоррекцией с преднамеренно внесенной в неё ошибкой. БК сама по себе неточна и у разных её авторов расходится до двух раз, а внесенная в БК коррекция лишь увеличивает её до ± лапоть.

3
Масштабирование с 432 на 1296 МГц и пересчет элементов по давно известной методике до прежнего диаметра лишь увеличивает ошибку программы, в процентах в три раза, а в МГц в 9 раз и уводит точность расчета в красную зону в таблице.

4
Если вы получили у реальной антенны на расчетной частоте, с подстройкой или без неё, КСВ 1, это совершенно не значит, что и все остальные параметры - усиление, ДН, F/B, G/T и т. д. также приведены в соответствие с расчетом на этой частоте. Сместить их по частоте "настройкой антенны" невозможно в принципе, их определяет структура и длина пассивных элементов, а не подвижки, подгибания, изменения длины и т. п. манипуляции с вибратором. А манипуляции с пассивными элементами, директорами и рефлектором, ради КСВ 1, хуже того, вообще разрушают эти достигнутые в модели параметры. В ту или иную сторону сместить по частоте, уменьшить или увеличить это расхождение, могут лишь другие ошибки, погрешность бумкоррекции, колпачки на торцах элементов, элементы их крепления в центре, которые смещают, теперь уже реальную антенну, по частоте на неопределенную величину.

5
Если при изготовлении реальной антенны влияние конструктивных элементов, траверсы, узлов креплений и т. п, сведено к минимуму, а при измерении сведено к минимуму влияние внешнего окружения и элементов подключения антенны к КСВ метру, (кабеля, его волнового, подавления тока по нему и т. п.), то снятый измерением ход частотного графика КСВ антенны должен в той же мере совпадать с ходом частотного графика КСВ в программе, но между ними также будет расхождение по частоте, величину которого можно определить так же, как и расхождение в программах, по частотам контрольных точек с КСВ >3 в области частот выше рабочей полосы. Расхождение по контрольной точке минимального КСВ в рабочей полосе здесь применять нельзя, она плавает по частоте от влияния конструктива вибратора и цепей подключения КСВ метра к нему и мало связана с частотным сдвигом, зависящим от диаметра элементов.

6
Сделав антенну и сняв её частотный график, не торопитесь делать вывод в пользу той или иной программы. Неисправимые настройкой факторы, влияние бума и неправильно выбранная методика бумкоррекции и влияние на пассивные элементы деталей их крепления, эти две причины могут как уменьшить ошибку программы, так и усугубить её. Такой вывод можно сделать на основе измерений нескольких антенн по различным моделям и с принципиально различными способами крепления элементов.

7
Всё вышесказанное позволяет нам несколько иначе относиться к точности и достоверности заявляемых данных о параметрах антенн с элементами большого диаметра и их соответствии параметрам, которые будут получены после изготовления реальных антенн. А также к ранжиру в таблице G/T таких моделей антенн.

Сегментация в расчетах антенн ВК
Изменение сегментации конечно влияет на величину частотной ошибки, но незначительно, особенно в EZNEC, поэтому уходить от оптимальной сегментации ради её уменьшения нецелесообразно, это приведет к ухудшению точности расчета других параметров антенны.
Анализируя данные расчетов в той или иной сегментации в EZNEC и MMANA и статьи Л. Б. Чебика, W4RNL можно сделвть вывод, что в EZNEC оптимальной и достаточной для элементов ВК сегментацией будет 19...29 сегментов на элемент, меньшее значение для толстых, 0,5...1% лямбда, элементов. В длинах волны при 19 сегментах это будет сегмент длиной 1/40 λ, при 31 сегменте 1/60 λ
В MMANA сегментация вводится непосредственно в долях λ как DM2 и DM1. Значение DM2 это сегментация в средней части элемента, до её уплотнения к концам, значение DM1 для самого короткого семента на концах элемента.
DM2 лучше выбрать из таблицы на странице Сегментация примерно 50...70% от предельной.
А DM1 напротив, надо установить явно выше предельной в таблице, автосегментация сама определит предел и ограничит укорочение сегмента. Заступ за предел и установка DM1 выше него не даст укорочения и увеличения количества сегментов, но повысит точность расчета.
18 06 2024 г к этой статье добавлено Приложение к статье О расхождении частот EZNEC - MMANA


НА ГЛАВНУЮ