Erste Schritte mit cocoaNEC

In meinem letzten Beitrag über die 70cm Moxon Antenne habe ich erwähnt, dass ich für die Modellierung cocoaNEC verwendet habe. Diesmal will ich erläutern, was cocoaNEC ist und wie man damit zu arbeiten beginnt.

cocoaNEC ist eine kostenlose Software für Mac OS X zur Modellierung (Simulation) von Antennen, geschrieben von Kok Chen, W7AY. Es benutzt dazu die NEC 2-Engine des Lawrence Livermore National Laboratory, die (im Gegensatz zur Version 4) lizenzkostenfrei ist (die Version 4 kann man ebenfalls verwenden, muss dann aber selbst den Sourcecode kaufen und mit einem Fortrancompiler übersetzen; dies wird für viele amateurmäßige Anwendungen nicht notwendig oder sinnvoll sein, außer man will extreme  Bodennähe oder vergrabene Radials modellieren).

Diese NEC Engines verrichten ihre Arbeit in den meisten Antennen-Simulationsprogrammen die am Markt sind, daher ist auch die Vorgehensweise bei der Benutzung solcher Programme grundsätzlich gleich – die Unterschiede liegen im Wesentlichen nur im jeweiligen Benutzerinterface.

Eines aber vorweg: Modellieren hat seine Grenzen. Modelle gehen immer von idealen Bedingungen aus, die nur selten gänzlich erfüllt sind. Besonders störende Einflüsse wie im Nahbereich befindliche Gegenstände aus mehr oder weniger gut leitenden Materialien sind schwer in den Griff zu bekommen. Aber durch die Modellierung hat derjenige, der eigene Ideen im Antennen Bau verwirklichen will, zumindest brauchbare Anhaltspunkte, ob und wie gut seine Ideen funktionieren können.

Der erste Start mit cocoaNEC ist jedenfalls nicht schwer: Software runterladen (von http://www.w7ay.net/site/Applications/cocoaNEC/Contents/Downloads.html ) und installieren geht schnell und problemlos (der Installer für Snow Leopard geht auch für alle neueren Versionen von OS X). Beim ersten Start sollte man sich nicht wundern – es geht kein Fenster auf, nur das Menü wird angezeigt – man lädt dann im Normalfall ein vorhandenes Modell, oder erstellt ein neues über das File Menü.

Damit geht ein Editor Fenster auf, welches im unteren Bereich einen RUN Button zeigt (Abb. 1) – das bewirkt das Berechnen des Modells und – falls es keine gravierenden Fehler gab – das Öffnen eines Ergebnisfensters mit mehreren Tabs (Abb. 2).

Die Software kommt auch mit vielen Beispielen, die die Einarbeitung leichter machen und oft schon ein guter Ausgangspunkt für eigene Projekte sind.

NEC betrachtet Antennen als eine Ansammlung von Drähten definierter Dicke. Grundsätzlich erwartet das Programm die Eingabe von Abmessungen der einzelnen Elemente in Form von x, y und z Koordinaten, sowie der Dicke des betreffenden Elements.

In der ursprünglichen Form (NEC ist ja ein altes Fortran Programm!) erfolgte die Eingabe über Lochkarten-Stapel, wobei die einzelnen Werte in genau definierten Spalten stehen müssen – diese Form, jetzt natürlich als Textdatei – kann man immer noch verwenden, wenn man selbstquälerische Neigungen hat! Viel komfortabler ist da schon die alternative Eingabe als Tabelle, ähnlich einer Excel Tabelle.
cocoaNEC bietet aber noch eine weitere interessante Eingabemöglichkeit, die der Programmiersprache C nachgebildet ist, und daher über arithmetische Ausdrücke, Variablen, und Funktionsdefinitionen verfügt ( und natürlich auch schon eine Bibliothek vordefinierter Funktionen mitbringt). Diese “Programmiersprache” heißt NC. Damit hat das Programm weitere Möglichkeiten, die über die Funktionalität der NEC Engine weit hinausgehen. Die folgenden Beispiele werde ich anhand dieser Sprache NC zeigen.

Ich will zuerst einmal die Modellierung eines simplen vertikalen Dipols für 2m vorführen; das dazugehörige NC Programm sieht so aus:

// Ein vertikaler Dipol, modelliert mit NC
real v;                    // Verkürzungsfaktor
model ( "dipole" )
{
 real h,  // Höhe über Grund in m
 l,       // Länge einer Dipolhälfte , Verkürzungsfaktor berücksichtigt
 f,       // Zielfrequenz
 r,       // Radius des Antennenelements
 lambda;  // Wellenlänge in m
 element dipol ;
 f = 144; 
 h = 2.0 ; 
 v = 1;               // Verkürzungsfaktor sei vorerst 1
 lambda = 300 / f ; 
 l = lambda / 4 * v ; 
 r = 0.0025 ; 
 dipol = wire( 0,    // x Koordinate erster Endpunkt
 0,                  // y Koordinate erster Endpunkt
 h+l,                // z Koordinate (Höhe) erster Endpunkt
 0,                  // x Koordinate zweiter Endpunkt
 0,                  // y Koordinate zweiter Endpunkt
 h-l,                // z Koordinate (Höhe) zweiter Endpunkt
 r,                  // Elementdicke, entweder als Radius in m, oder
                     // als US SWG Nummer (z.B. #14)
 21 ) ;              // Zahl der zu berechnenden Teilelemente 
                     // = willkürlicher Erfahrungswert,
                     // höher ist genauer, kostet aber mehr Rechenzeit
voltageFeed( dipol, 1.0, 0.0 ); // Speisung in Elementmitte ist default
setFrequency (f);    // Frequenz, für welche berechnet werden soll
freespace();         // wir nehmen einmal an, die Antenne
                     // ist im Weltall :-}
}

Wenn wir dies in der Praxis ausprobieren, stellt uns cocoaNEC das Ergebnis in diversen Ansichten zur Verfügung (in Abb. 2 sehen wir die von cocoaNEC ausgegebene Summary, in Abb. 3 eine sogenannte Smith-Chart, aus der wir die Impedanz der Antenne am Speisepunkt (und das SWR, wenn wir mit 50 Ohm speisen) ablesen können:

Folgen wir, von der grünen Markierung ausgehend, den kreisförmigen Linien nach unten, landen wir auf der x-Achse bei einem Wert von etwa 1.7, dh. der reelle Anteil des Strahlungswiderstandes liegt etwa bei 50*1.7 = 85 Ohm. Wir können aber auch der anderen roten Linie folgen (die von ganz rechts ausgeht und sich nach oben krümmt), und sehen, dass wir da bei ziemlich genau 1.0 liegen – das ist der imaginäre Anteil, also +50i Ohm. Das ist eine induktive Komponente, und daraus erkennt man auch schon, dass die Antenne zu lang ist (klar, wir haben ja noch keinen Verkürzungsfaktor berücksichtigt). Auch das SWR kann man abschätzen: exakt in der Kreismitte wäre es 1.0, beim grauen Ring rund um die Mitte läge es bei 2.0 – wir liegen aber noch ein Stück schlechter.

Auch interessant ist, was cocoaNEC zuerst einmal aus unserem Programm macht – nämlich die “Karteneingabe” für die Fortran-Nec-Engine;das Ergebnis sieht man in Abb. 4. Wir können durchaus froh sein, nicht diese Eingabe benutzen zu müssen!

Das Ergebnis ist vom Strahlungsdiagramm her, was wir erwarten, aber das SWR ist nicht gut genug – das heißt, die Antenne ist so noch nicht richtig abgestimmt. Wir könnten uns durch Probieren mit anderen Werten als 1 für den Verkürzungsfaktor langsam an die richtige Länge herantasten – aber besser ist es, das den Computer machen zu lassen. NC bietet dazu die Möglichkeit, die Berechnung öfters zu wiederholen, um auf einen bestimmten Wert hin zu optimieren. Wie man das macht, werde ich in einem Folgebeitrag zeigen.