用4NEC2设计天线(一) —— 双波段对数周期天线 [复制链接]

4NEC2也是一款天线分析软件，与MMANA-GAL相比，略微复杂一点，功能也多一些，但计算结果是一样的。
本文以9单元U/V双波段对数周期天线为例，探讨4NEC2软件的使用方法。
在软件自带的模型里有对数周期天线的模型，在模型中振子的排列与八木天线一样，振子之间用50欧传输线连接，这种建模方法应该与对数周期天线的原理有关。
4NEC2启动后出现主界面，同时打开一个模型的图像界面。如下图所示。

图片:主界面.png

主界面窗口中各图标和参数的含义如下：
Filename：文件名
Frequency：频率(MHz)
Wavelength：波长入(m)
Voltage：电压(V)
Impedance：阻抗(电阻+电抗)
Parallelform：并联形式(电阻//电抗)
S.W.R.50：50Ω阻抗时的驻波比值
Efficiency：效率(%)
Radiat-eff：辐射效率(%)
Current：电流(A)
Seriescomp：串联电感量(uH)
Parallelcomp：并联电感量(uH)
Inputpower：输入功率(W)
Structureloss：结构损耗(W)
Networkloss：匹配网络损耗(W)
Radiat-power：发射功率(W)
Environment：环境
Comment：注释
Seg's/patch：分段数量
Patternline：波瓣线
Freq/Evalsteps：计算步长

主界面上的菜单项和快捷方式的含义见下图

图片:快捷方式.png

图形窗口的学名是 Geometry，翻译成几何形状可能更贴切一点。

图片:几何图形.png

图片:几何主菜单.png

按住Ctrl键和鼠标左键也可以移动模型，改变模型在窗口中的位置，以方便观察。
点击Curents后在下拉菜单中选择显示项目，可以在振子上显示出电流波形，直观地表述天线的状态。

建立天线模型，要打开Edit窗口，进入编辑状态。
按 Ctrl+F4 打开NEC Edit窗口，这个Edit窗口是输入参数进行建模的。
按 Crtl+F3 打开Geometry Edit窗口，这个Edit窗口是通过三维图形进行建模的。
选择Edit窗口可在主界面的Settings里进行设置，勾选一个编辑器后，按F6就会进入相应的窗口。

NEC Edit窗口

图片:建模1.png

Geometry Edit窗口

图片:建模2.png

与MMANA-GAL不同的是，4NEC2的参数编辑窗口操作更方便一些，不但可以输入公式进行数据计算，而且可以记忆输入的公式，这对参数优化来说非常方便。而MMANA-GAL则只能输入数据，不能记忆公式。

在 NEC Edit 窗口中，有几个选项卡，点击选项卡进入不同的界面，完成不同的工作。

图片:建模1.png

Symbols 符号：用于设定参数变量的名称和数值。
Geometry 几何形状：用于输入模型的参数，可直接输入数据或写成公式。
Source/Load 激励源/负载：用于设定激励源和负载的位置和参数。
Ferq./Ground 频率/地面：用于设定天线的频率和计算环境。
Others 其他：没用上，所以没有研究，应该是做进一步设置用的。
Comment 注解：一些说明或备注的文字。

右上角的按钮
Upd：自动更新窗口
Ins：插入导线
Del：删除导线

图标分别是保存和计算

为了方便对参数进行优化，并且直观地显示天线的参数，我习惯于将振子、间距等参数设立一个变量，这些变量的定义就要用到Symbols选项卡。
首先，利用对数周期天线的计算公式初步算出振子的长度和间距，单边振子长度的变量为L1-L9，振子间距的变量为D1-D9，天线的架设高度为H，振子的半径为R。
在4NEC2中，默认的数据单位是：米，如果想用波长、英制、线规号等作为数据的单位，点击主界面上的 Settings 进行设置。
这个天线是用于U/V波段使用，V段中心频率为146MHz，U段中心频率为438MHz，按对数周期天线公式计算的结果如下（V段）：

单元	单元长度 m	单元间距 m	横梁长度 m
单元 1	0.530	0.000	0.000
单元 2	0.509	0.123	0.123
单元 3	0.489	0.121	0.243
单元 4	0.469	0.119	0.362
单元 5	0.450	0.117	0.479
单元 6	0.432	0.115	0.595
单元 7	0.415	0.114	0.708
单元 8	0.398	0.112	0.820
单元 9	0.382	0.110	0.930

将上述参数写入变量定义，振子的坐标是根据振子的几何关系定义的，写在这里是为了直观方便，写在其他地方也行。
写完后别忘了保存一下，否则后果可能很乐观。

图片:建模3.png

定义变量只是建模的基础工作，要构建天线模型就要用到 Geoimetry 选项卡，在这个选项卡里详细地描述天线的结构。
还是用这张图。

图片:建模1.png

窗口中各个符号的含义如下：
Nr：序号
Type：类型
Tag：标签
Segs：分段
X1：端点X轴坐标1
Y1：端点Y轴坐标1
Z1：端点Z轴坐标1
X2：端点X轴坐标2
Y2：端点Y轴坐标2
Z2：端点Z轴坐标2
Radius：导线半径
Comment：注释
Upd：自动更新窗口
Ins：插入导线
Del：删除导线
Use wire tapering：使用渐缩

类型Type有多个选项，用于定义不同类型的振子或导线，各个选项的具体含义如下：
Wire：定义直线型导线
Helix：定义螺旋型结构的导线
Arc：定义圆弧型结构的导线
Copy/Move：复制或移动上述导线
Rotate：旋转上述导线建立圆柱形结构
Mirror：利用镜像建立对称结构
P-arbitr：由已知区域定义任意表面
P-triang：由已知三角形定义任意表面
P-rectan：由已知矩形定义任意表面
P-quadri：由已知四边形定义任意表面
P-contin：定义一行矩形/四边形
P-Multip：定义矩形阵列

精品教程

天线的结构是这样的：
天线的主梁沿X轴方向，主梁的Z坐标由架设高度H决定。当计算环境选为"自由空间"时，架设高度对计算结果没有影响；如果计算环境不是自由空间，则要求架设高度大于单元长度，否则振子就插入地下，无法计算了。本例中用实际地面计算时，H=10，大约是四层楼的窗台附近高度。
天线的振子沿主梁方向——即X轴方向布置，所以，所有振子的Y坐标=0。
振子的长度沿Z轴方向，在主梁的上下两侧对称布置，所以公式写成L+H和-L+H(也就是H-L)。在输入的时候偷了个懒，复制过来改写的。
振子总长度 L' =2 L，实际制作下料时，要把主梁的尺寸考虑进去。总之，振子装上主梁之后，两边的端点距离 =2 L （可预留一点以备修剪用）。
建好的天线模型如下图所示。

图片:建模4.png

认真拜读

搭建完天线的振子之后，需要给模型加上激励源，这样才可以对模型进行仿真运算。加激励源、负载和传输线，要用到 Source/Load 选项卡。在这个选项卡里描述激励源、负载和传输线的参数。

图片:建模5.png

窗口右上方有三个复选框，分别是 Show source、Show loads、Show Tr-line，选中某复选框后，窗口中会显示相应的参数列表。本例中没有加载，所以选中 Show source 和 Show Tr-line。
在Source(s)表中，列标题的含义如下：
Nr：序号
Type：类型
Tag：标签
Seg：分段号
(opt)：
Real：实数部分
Imag：虚数部分
Magn：量值
Phase：相位
nom：
其中(opt)及以下各项在建立一个激励源后，数据会自动生成，具体的内容没来得及深入研究，用其默认值即可。

4NEC2的激励源有多种类型，常用的类型有电压源Voltage-src和电流源Current-src。标签Tag表示激励源加在那个振子上，分段号Segm表示激励源加在振子的那个位置上。
在本例中，激励源选电压源，加在第9个振子的中间部位。即：Tag = 9，Seg = 11，因为振子被分为21段，所以Seg = 11位于中间部位，如果要加在其他位置，改变Tag和Seg即可。

在Trans-lines表中，列标题的含义如下：
Nr：序号
Type：类型
Tag-1：标签1
Tag-2：标签2
Seg-2：分段号2
Z0：阻抗
Len：传输线电气长度
End-1(G)：端点1状态
End-2(G)：端点2状态
Tag-1和Seg-1标明传输线的起点，Tag-2和Seg-2标明传输线的终点。End-1和End-2表明传输线是终端开路(open)还是终端短路(short)
在自带例子中 Len、B均为0，为了省事沿用例子中的数值。
Trans-lines 表中数据的含义如下：
1. 传输线1从振子1的中点连接到振子2的中点。
2. 传输线2从振子2的中点连接到振子3的中点。
3. 传输线3从振子3的中点连接到振子4的中点。
4. 传输线4从振子4的中点连接到振子5的中点。
5. 传输线5从振子5的中点连接到振子6的中点。
6. 传输线6从振子6的中点连接到振子7的中点。
7. 传输线7从振子7的中点连接到振子8的中点。
8. 传输线1从振子8的中点连接到振子9的中点。
传输线阻抗为50欧，终端开路。加上传输线的模型如下图所示（H=0）：

图片:几何图形.png

下一步就是要确定天线的工作频率和计算环境。这就要用到 Freq./Ground 选项卡，在这个选项卡上设定工作频率和计算环境。

图片:建模6.png

在 Frequency 栏中输入天线的设计频率，用 Ground/Free-space 下拉菜单选择计算环境。先选 Free-space (自由空间)进行计算。
完成频率和环境的设置后，天线模型就构建完成了。下面就开始进行计算和参数优化。
顺带多说一句，这个模型把传输线去掉就是一个9单元八木天线的模型。

对天线模型进行仿真计算可在主界面或者几何形状窗口点击右上角的计算器图标。

图片:计算1.png

点击后蹦出一个小窗口，用于选择生成的计算结果。

图片:计算2.png

小窗口中各个选项的含义如下：
Use original file：使用原始文件，根据当前的输入文件生成新的输出文件。
Far field pattern：远场模式，根据当前的输入文件生成指定的3D远场图案。
Frequency sweep：扫频模式，计算指定的频率范围或频率列表。
Near field pattern：近场模式，生​​成指定的近场模式。
ItsHF这两个选项需要安装相应的软件，先不做讨论。
Full：全部，生成完整的3D远场图案。
Ver.：垂直，为指定角度生成垂直远场图案。
Hor.：水平，为指定角度生成水平远场图案。
Resol.：3D波瓣图的剖面密度，即在0-360之间每隔多少度一个剖面(未找到官方定义根据试验结果得出的结论)。
下面其他的选项未作深入研究，故暂不考虑变更，使用用默认值。有兴趣的朋友可以在帮助文件里找到详细的说明。
本例中先选择远场模式进行计算。
设置完毕后，点击左下角的 Generate 按钮开始运行NEC引擎进行计算。运算完成后主界面上的数据发生变化并弹出波瓣图。

图片:计算3.png

顶 BG1TRP老师牛！

完成计算后可以在模型图像窗口 Geometry 观察计算结果。计算结果的显示方式是可以设定的。
点击 Show或按R键，可以使3D波瓣可见或不可见。
点击Current或按相应的快捷键，可以显示振子上电流的分布情况，各位点一下看看，这里就不详细说了。
上图为关闭3D波瓣、显示振子上电流分布的图形；下图左为关闭3D波瓣、显示振子上电流分布及相位的图像，下图右是将模型旋转一下，可以更清楚地看到各振子上信号相位的不同。

图片:结果图形1.png

图片:结果图形2.png

图片:结果图形3.png

在主界面上点击那个3D图标或按F9键，可以显示三维的波瓣图形，更直观地看到计算结果。
系统默认打开窗口后不显示3波瓣，只显示模型的3维图形。将右边栏里三个下拉菜单中的中间那个由 Hide patt. 改选为 Pattern 就可以显示3维波瓣图形。
按住鼠标左键后移动鼠标，可以旋转3维模型；按住Ctrl+鼠标左键，可以移动3维模型。。

图片:结果图形4.png

谢谢各位朋友的捧场和鼓励。

2维波瓣图如下图所示。完成计算后会自动弹出这个窗口。图中，蓝色的是垂直方向的波瓣图形，红色的是水平方向的波瓣图形。系统默认的是只显示垂直波瓣图，可以通过点击 Far field 打开选项表来设置同时显示垂直和水平方向的波瓣图（选 Show both hor/ver 或按D键），或者只显示垂直波瓣（选Vertical Plane或按空格键）、只显示水平波瓣（前面两项不选）。
窗口右下角显示两个方向的增益值、最大增益方向的仰角或方位角。

图片:结果图形5.png

在单独显示垂直或水平方向的波瓣时，点击波瓣的轮廓线并沿着线滑动，可以看到不同方位角的增益大小。下图左显示的是在仰角=50度时，增益=3.21dB。下图右显示的是方位角=145度时（天线的后面），增益=-17.4dB。

图片:结果图形6.png

图片:结果图形7.png

从计算结果看，SWR=1.45，阻抗=40.5欧，电抗是13.9欧。

图片:优化1.png

虽然可以用，但与理想值还有点差距，于是做一下数据优化。点击 计算器右边的图标或者按F12键打开优化窗口。

图片:优化2.png

虽然没看太懂，不过感觉很厉害