YagiCAD:

Richtantennen entwickeln und optimieren


Features:

  • Yagis entwickeln
  • Yagis optimieren
  • für VHF, UHF
  • unter Windows

Bild 1: Mit YagiCAD Richtantennen dimensionieren, skalieren und optimieren.

YagiCAD:

Richtantennen entwickeln und optimieren

Paul McMahon, VK3DIP, wollte der Gemeinschaft der Funkamateure etwas zurückgeben und programmierte YagiCAD. Seit einiger Zeit rechnet die Software nicht nur in Inches, sondern auch in Millimetern. Damit wird YagiCAD für mitteleuropäische Anwender interessant.

Die erste Version der Software entstand bereits im Jahre 1987 und wurde über die Jahre erweitert und verbessert. Die Motivation für das Programm war, eine Lücke zwischen die damals in Büchern abgedruckten Basic-Berechnungsprogramme und den vollwertigen (Mini)NEC-Programmen zu schließen, die mehr Maschinenleistung erforderten, als damals zur Verfügung stand - ein 386er-PC mit MSDOS galt zu dieser Zeit als leistungsstarke Maschine. Der Mangel an Computerleistung änderte sich bald, Programme im Stil von NEC wurden viel praktischer anzuwenden, auch wenn sie immer noch nicht wirklich benutzerfreundlich waren. Zuerst als Shareware verfügbar, ist YagiCAD inzwischen als Freeware für alle Benutzer kostenlos. Paul hofft in seiner Beschreibung, dass die Software dazu beiträgt, Funkamateure zum Antennenbau und Versuche anzuregen.


Bild 2: Berechnete Richtdiagramme einer 5-Element Yagi-Antenne.

Mit YagiCAD – vornehmlich für den VHF- und UHF-Bereich geschrieben - lässt sich eine Richtantenne ausgehend vom gespeisten Element von Grund auf neu gestalten. Dazu fügt man dem gespeisten Element eine Reflektor und in weiteren Schritten ein oder mehrere Direktoren hinzu. Jedes aktive oder passive Element wird durch seine Länge, den Durchmesser, das Material (verlustlos, Kupfer, Aluminium etc. …) und durch seine Form als Dipol, gefalteter Dipol oder Quad definiert. Für das gespeiste Element besteht zudem die Möglichkeit, die Art der Einspeisung zu wählen und deren Parameter zu bestimmen. Nach jedem Entwicklungsschritt bietet es sich an, die Basisberechnung durchzuführen, welche den Fußpunktwiderstand, den Gewinn und das Vor- / Rückverhältnis bestimmt. Das horizontale und vertikale Strahlungsdiagramm der Yagiantenne – ein wichtiger Leistungsindex – berechnet Calculate/Pattern. Einen Hinweis auf den Einsatz-Frequenzbereich liefert Calculate/Sweep: Anhand von Start- und Endfrequenz bestimmt YagiCAD den Gewinn in dBd, das Vor-Rückverhältnis in dB sowie den realen und imaginären Fußpunktwiderstand. Die daraus entstandenen Diagramme lassen sich zur Dokumentation als CSV-Datei speichern, als anschauliche Grafik drucken oder in die Zwischenablage von Windows kopieren. Eine Aussage zum SWV über den Frequenzbereich erhält man mit Calculate/Overall.

YagiCAD führt an der Antenne auf Wunsch Optimierungen durch, die sich jeweils auf ein ausgewähltes Strahlerelement beziehen und dessen Länge oder dessen Abstand zu anderen Elementen beeinflusst. Als Zielvorgaben stehen der Gewinn (gain), das Vor-Rückverhältnis (front to back), das horizontale und vertikale Richtdiagramm (pattern) und die Resonanz zur Auswahl. Darüber hinaus nimmt YagiCAD Optimierungen der gesamten Antenne vor.


Bild 3: Optimierungslauf einer Yagi mit zehn Generationen. Mit accept lässt sich die als beste Variante bewertete Yagi in das Hauptfenster übernehmen.

So optimiert YagiCAD

Die Optimierung der gesamten Antennenkonstruktion in YagiCAD mittels Optimize/OWA overall erzeugt zunächst eine große zufällige Anzahl von Yagi's mit zufälliger Zu- und Abnahme von Elementlängen und Abständen. Diese Population von Yagi's wird dann anhand einiger vorgegebener Zielkriterien bewertet und in der Reihenfolge ihrer „Fitness“ eingeordnet. Eine bestimmte Menge der am besten geeigneten Yagi's wird dann „gezüchtet", um die nächste Generation von Yagi's zu produzieren, die eine Mischung aus Attributen der Eltern-Yagi's enthält. Diese neue Population wird erneut beurteilt und anhand ihrer Fitness eingestuft. Der Variations- und Messzyklus geht nun in eine neue Generation über. Die Beurteilung der Fitness basiert auf dem Durchschnitt einer Reihe von Attributen der Yagis, die an einer Menge von Frequenzpunkten in einem Band berechnet wurden. Nach einer vorgegebenen Anzahl von Generationen von Variation und Beurteilung stoppt YagiCAD. An dieser Stelle muss sich der Anwender entscheiden, entweder für eine weitere Anzahl von Generationen mit den vorhandenen Populationen fortfahren oder die als am besten bewertete Yagi in das Hauptfenster der Software zu übernehmen. Eine andere Option am Ende eines Optimierungslaufs ist das Speichern der zehn bestbewerteten Yagi-Details in eine CSV-Datei, um sie in Excel oder ähnlichen Programmen zu importieren und ggf. weitere Untersuchungen zu beginnen.

Unter dem Strich gibt es eine nahezu unendliche Anzahl möglicher Kombinationen von Ausgangsbedingungen und Beurteilungsregeln. Hier existieren keine "richtigen "oder "besten" Einstellungen, der Grund sind die zufälligen Elemente im Prozess. Ein Setup, das einmal gut funktioniert und in nur wenigen berechneten Yagi-Generationen hervorragende Ergebnisse liefert, wird in einen anderen Fall möglicherweise zu keinem sinnvollen Design führen. Mit ein wenig Erfahrung bekommt der Benutzer jedoch bald ein Gefühl dafür, was zielführend ist und was nicht. Im Zweifelsfall beginnt man mit Standardwerten und verändert sie von dort aus vorsichtig.


Bild 4: YagiCAD bietet sämtliche gängigen Varianten der Einspeisung an und bestimmt deren Parameter.

Beispiele mitgeliefert

Die Software bringt eine Reihe interessante, durchgerechnete und optimierte Beispiele für Yagis mit, die von namhaften „Antennen-Gurus“ stammen: Hier seien bekannte Namen und Rufzeichen wie DL6WU, W.L. Cebic, W4RNL und VE3SQB genannt. Ausgehend von diesen Beispielen lassen sich neue Antennen berechnen und simulieren. Eine Umrechnung – Skalierung – einer vorhandenen Yagi in einen anderen Frequenzbereich oder ein anderes Band ist ein besonderes Merkmal von YagiCAD. Sind alle Elemente (Reflektoren, das gespeiste Element und Direktoren) optimiert, legt man die Art der Einspeisung fest. Nach Auswahl eines Verfahrens, beispielsweise des Gamma-Matches – bestimmt YagiCAD dazu exakte Werte. Schließlich lässt sich sogar der Boom in das Berechnungs- und Simulationsgeschehen integrieren. Über die Export-Funktion ermöglicht YagiCAD das Speichern des Designs als in den Formaten NEC, 4NEC4 und mit Einschränkungen auf die wichtigsten Parameter als EZNEC-Datei.

Im englischen Hilfetext weist der Programmautor darauf hin, dass YagiCAD auf ein theoretisches Modell basiert. Wie bei allen Simulationen wurden viele Annahmen und Vereinfachungen getroffen. Der Anwender darf nicht erwarten, dass sich eine mit YagiCAD berechnete Antenne in der Realität exakt genauso so wie in der Simulation verhält. Es werden – nach dem Prinzip von Versuch und Irrtum - kleine Anpassungen vonnöten sein. YagiCAD ersetzt kein SWV-Meter oder einen Antennenanalysator. Der reale Aufbau sollte zumindest die Möglichkeit bieten, mit Hilfe eines Gamma-Matches oder eines variablen Kondensators das SWV einzustellen. Wichtig: YagiCAD ist auf Yagis mit weniger als 24 Elementen beschränkt.

Detaillierte Informationen, Tipps und Tricks hält sowohl die Webseite [1], als auch der Hilfetext im Programm bereit und sei als lesenswerte Lektüre empfohlen.

Link: [1] YagiCAD-Homepage: www.yagicad.com





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