Mi capita spesso di pubblicare, conversando di antenne, simulazioni prodotte utilizzando software che fanno riferimento al motore di calcolo Numerical Electromagnetics Code, per brevità conosciuto con la sigla NEC.
https://en.wikipedia.org/wiki/Numerical_Electromagnetics_Code
Ho cominciato ad utilizzare questi software attorno alla metà degli anni ottanta, il che la dice lunga sulla mia età anche se non necessariamente sulla mia competenza. Ma questo non è argomento che ci interessi oggi.
Quando pubblico un diagramma ottenuto da NEC è abbastanza normale che mi si chieda cosa sia e da dove provenga. La risposta breve è che, senza entrare in dettagli di nicchia, oggi esistono due software largamente utilizzati per la simulazione delle varie caratteristiche delle antenne radio, e questi software, ambedue completamente gratuiti, sono 4nec2 ed Eznec.
La principale differenza fra i due, almeno a mio avviso, è che 4nec2 dispone nativamente di una potente funzione di ottimizzazione, basata su variabili.
E’ anche conseguenza di questo il fatto che la curva di apprendimento di 4nec2 sia piuttosto ripida.
Eznec, d’altronde, non dispone nativamente di questa funzione ma, sempre a mio parere, è molto più amichevole per il principiante. Di fatto io utilizzo Eznec a meno che non mi servano funzionalità specifiche di 4nec2
Eznec, grazie al suo autore W7EL Roy Lewallen, dispone di un manuale molto ben fatto e molto completo, e di documentazione accessoria su problemi specifici prodotta negli anni da altri studiosi di assoluto rilievo, come per esempio W4RNL L.B. Cebik. Sfortunatamente, tutto è in lingua inglese.
Mi risolvo quindi, dopo qualche pressione e anche non poche incertezze dovute alla complessità dell’argomento, a proporre un tutorial in italiano sperando che possa essere utile ad avvicinare qualche amico all’uso dello strumento.
In questa prima puntata procederemo all’installazione del software e discuteremo un caso semplice, quello del dipolo verticale. In prospettiva, potrebbero seguire altre puntate dedicate a casi più complessi.
Per prima cosa scarichiamo e installiamo il programma
https://eznec.com/v7download/pro2+download.php
Lasciate perdere la NEC-5 engine, non è gratuita ed è ben al di là dei nostri scopi. Lasciate perdere anche AutoEZ, è l’equivalente della funzione di ottimizzazione presente in 4nec2, non nello scenario di un principiante.
Una volta completata l’installazione, apriamo il programma e, per prima cosa, andiamo su Units e impostiamo millimetri. Poi, visto che siamo su Lora Italia, impostiamo come frequenza 869 MHz.
Eznec calcolerà la lunghezza d’onda, nel nostro caso circa 345 mm.
Accertiamoci anche, facendo click su Ground Type, che la selezione sia su Free Space. Vedremo poi cosa questo stia a significare. Accertiamoci anche che in Plot Type sia selezionata Elevation. Anche di questo parleremo dopo.
Adesso facciamo click su Wires.
Se ci sono righe già presenti cancelliamole, in questo momento ci serve un’unica riga. Impostiamo le coordinate che descrivono un segmento verticale di dimensioni uguali a ½ lambda a 869 MHz. Il wire ha origine in 0,0,0 e termina in 0,0,172. E’ ovviamente lungo 172mm. Come diametro per il momento impostiamo 2mm e impostiamo anche 11 segmenti. Ora, cosa sono i segmenti? Il motore di calcolo ha bisogno di dividere i wire in segmenti per le sue operazioni interne. Per ora non aggiungerò altre spiegazioni perché non è il momento di complicarci la vita.
Facciamo click su Sources e dichiariamo che il nostro dipolo è alimentato al centro del wire 1, peraltro l’unico wire esistente
Controlliamo le cose facendo click su View Ant
quello che vediamo è un dipolo verticale alimentato al centro, con origine nel punto zero del piano xyz. Spero che fino a questo punto sia tutto sufficientemente chiaro.
Possiamo già vedere il diagramma di irradiazione e il guadagno del nostro dipolo. Basterà fare click su
FF Plot
Il diagramma di irradiazione dovrebbe essere immediatamente riconoscibile, è quello classico del dipolo ½ lambda. Possiamo osservarlo anche in 3 dimensioni, basta andare su Plot Type, selezionare 3 Dimensional e ridare il comando FF Plot
Proviamo a questo punto a controllare l’adattamento di impedenza. Andiamo a fare click su Src Dat.
Ecco, l’impedenza non è quella che ci aspettavamo. Siamo in presenza di una relativamente importante reattanza induttiva, il che ci indica che l’antenna è troppo lunga. Ma, se ci pensiamo, questo è perfettamente ragionevole perché abbiamo calcolato la lunghezza d’onda in modo del tutto teorico. Un conduttore reale, nel nostro caso un filo di rame di 2mm, avrà una sua se pur piccola resistenza di propagazione e quindi la lunghezza elettrica sarà superiore alla lunghezza fisica. Torniamo su Wires e accorciamo, modificando le coordinate dell’estremità in alto.
Proviamo con 164mm. Rifacciamo Src Dat e vediamo che va meglio ma ancora non ci siamo. Accorciamo ancora a 161mm.
Src Dat e adesso possiamo anche accontentarci. Salviamo il modello facendo click su Save As.
Ora che abbiamo il nostro primo modello funzionante possiamo cominciare a fare qualche esperimento. Cosa accadrebbe per esempio se il wire avesse diametro 10mm invece che 2mm?
Andiamo su Wires e modifichiamo il diametro, portandolo a 10mm.
Src Dat e constatiamo che abbiamo di nuovo reattanza induttiva
Wires e accorciamo a 153mm.
E’ un accorciamento non da poco. Un conduttore di diametro maggiore ha una lunghezza elettrica maggiore, quindi la lunghezza fisica dovrà essere minore. E questo dovrebbe già insegnarci una cosa importante, cioè che il diametro del conduttore non va preso sotto gamba. Se vogliamo controllare eventuali differenze nel diagramma di irradiazione possiamo farlo con FF Plot ma, fidatevi, non ce ne sono.
Siamo ancora, però, alle prese con un’antenna del tutto teorica, calcolata in Free Space.
Torniamo su Ground Type e selezioniamo Real High Accuracy.
Il software emette un warning avvisandoci che abbiamo un wire connesso a terra.
Uno dei limiti del NEC in questa versione gratuita è che non può gestire wire connessi direttamente a terra e men che meno wire sotto il livello del suolo. Diamo comunque ok sul warning e andiamo a correggere il problema, alzando l’antenna sopra il livello del suolo. Per questo facciamo quindi di nuovo click su Wires, poi su Wire, poi su Change Height By e indichiamo 350mm, che è 1 lambda a 869 MHz.
Le coordinate Z cambiano e se controlliamo con View Ant ne avremo conferma
A questo punto possiamo chiedere una nuova simulazione del diagramma di irradiazione, questa volta con l’antenna posta ad altezza di 1 lambda over real ground
FF Plot
se aveste per caso lasciato 3d, per avere un diagramma chiaro forse è il momento di impostare di nuovo Plot Type Elevation
Ma proviamo ad alzare ancora l’antenna, probabilmente la nostra antenna sarà almeno a un metro dal suolo, no?
Wires, Wire, Change Height by 1000mm.
FF Plot
Notiamo come il guadagno sia ora cresciuto fino a 6.4 dBi e l’angolo di irradiazione si sia abbassato fino a circa 3 gradi.
Potremmo dire che per oggi basta, ma caviamoci anche la soddisfazione di verificare l’impedenza
Src Dat
e pare non ci siano variazioni significative.
Naturalmente un dipolo a mezz’onda ha una impedenza vicina a 75 ohms e quindi non ha swr 1.0.
Ma questa è un’altra storia e se andate a rileggere i miei contributi già pubblicati in precedenza capirete meglio il motivo per cui conviene accontentarsi di un ros un pelo più alto e non andare a rovinare il diagramma di irradiazione della antenna.
Potrebbe essere il momento di salvare il modello con un nuovo nome che indichi il fatto di essere calcolato over real ground.
Spero che questo primo excursus non sia stato troppo faticoso. Buone simulazioni. Paolo