jueves, 14 de julio de 2011

MANEJO BÁSICO DE EZNEC

EZNEC es un programa de análisis y modelado de antenas creado por Roy Lewallen (W7EL). Con él se puede modelar casi cualquier tipo de antena en su entorno de funcionamiento real. Podemos obtener información acerca del diagrama de radiación de la antena, su ganancia, su impedancia de entrada en el punto de alimentación, la ROE, la distribución de corriente en la antena, la apertura del haz a -3dB, la relación frente/espalda, características sobre los lóbulos laterales, etc.

Existen distintas versiones del programa. La versión estándar se denomina EZNEC y la versión avanzada, en la que se incorporan funcionalidades adicionales para los más experimentados, se denomina EZNEC+. También está disponible la versión profesional, EZNEC pro. Adicionalmente, con objeto de familiarizarse con el programa y averiguar de qué es capaz, se ha creado una versión EZNEC-demo (gratuita), que únicamente difiere de EZNEC en que se ha limitado la complejidad de las antenas que se pueden analizar (se ha reducido a 20 el número de segmentos en los que se puede dividir una antena, por lo que no es posible analizar grandes diseños).

Este programa dispone de ayuda incorporada (muy buena, por cierto), lo que nos permite aprender a manejarlo y sacar el máximo partido a la herramienta.

Toda la información relativa a EZNEC puede encontrarse en el siguiente enlace:
http://www.eznec.com/

El objetivo de este artículo es mostrar el manejo básico de EZNEC, sin entrar en funcionalidades complejas, para demostrar que el diseño de antenas básicas no es algo complicado y que este tipo de aplicaciones son muy útiles como paso previo a un montaje determinado. Disponer de los datos de la antena introducidos en EZNEC nos permite realizar ciertas modificaciones y comprobar sus efectos en los parámetros y rendimiento de la antena.

Como meta nos fijaremos la construcción de una antena Yagi de dos elementos para la banda de VHF, centrada en 145,000 MHz y sin utilizar sistema de adaptación con la línea de transmisión (que será cable coaxial con impedancia característica de 50 ohm/m). Además, la construiremos para operación en portable, por lo que se podrá desmontar totalmente. Para determinar el diseño de la antena usaremos EZNEC-demo.

Una vez instalado el programa, al ejecutarlo se abre el panel de control, desde el que se introducen todos los parámetros de la antena y que también permite su visualización y distintos tipos de simulaciones. El panel de control se representa en la siguiente figura:







La información que aparece en el panel de control pertenece a la última antena que se diseñó con el programa. Nosotros ahora debemos introducir los datos de nuestra antena, como paso previo a realizar la visualización o cualquier otro tipo de cálculo.


Vamos a partir de un dipolo y después le añadiremos el reflector. Esto nos permitirá practicar con algunas de las funciones de EZNEC, que no veríamos si introducimos directamente la información de la antena completa.

Lo primero que debemos saber es que las antenas se modelan basándose en hilos (wires), que los hilos se subdividen en segmentos (segments) y que cada hilo tiene dos extremos (End1 y End2; el programa los representa como E1 y E2).

Una vez que se ha definido una antena con el número adecuado de hilos, se recomienda subdividirlos en un número impar de segmentos. Esto facilita determinar el lugar en el que se colocará el punto de alimentación de la antena, o sea, la fuente (source), ya que muchas veces estará en el centro de uno de los hilos.

Vamos a comenzar a introducir los datos del dipolo, para ver si queda más claro lo anteriormente expuesto. En un principio no importa que los datos sean exactos, pues después los tendremos que variar, debido a que nuestro dipolo se verá afectado por la presencia del reflector. Colocaremos la antena en polarización horizontal, por elegir alguna de fácil visualización.

En el panel de control hacemos clic sobre el botón FREQUENCY para establecer la frecuencia de trabajo, escribimos 145 y pulsamos OK.






El dipolo se modela como un hilo con una fuente en el centro. Supongamos una longitud del hilo de 96 cm y disposición a lo largo del eje X, con el centro del dipolo en el origen del sistema de coordenadas. Por simplicidad, lo situamos a una altura de 0 m y lo modelamos en condiciones de espacio libre. Teniendo esto en cuenta, las coordenadas (en metros) para los dos extremos del hilo serían (X, Y, Z):

End 1 = (0,48, 0, 0)
End 2 = (-0,48, 0, 0)

Como paso previo, pinchamos en el botón del panel denominado UNITS para establecer el metro como unidad de medida:




También, pinchamos en el botón GROUND TYPE para seleccionar las condiciones de espacio libre:





Y ahora ya, pinchamos en el botón WIRES para introducir las coordenadas de los extremos para nuestro primer hilo de la antena, el dipolo:





Como se puede observar en la figura anterior, he considerado un diámetro para el hilo de 6 mm y un modelado con 9 segmentos.

Nos queda introducir la fuente de la antena. El programa nos pedirá el % respecto de un extremo en el cual lo queremos situar. Por ejemplo, si queremos situar la fuente en uno de los extremos del hilo, lo configuraríamos como 0% from E1. En nuestro caso, la situaremos en el centro del hilo, es decir, como 50% from E1. Pinchamos en el botón SOURCES, escribimos el número de hilo en el que se encuentra la fuente (Wire # = 1) y el porcentaje respecto del extremo 1 (% from E1 = 50; nota: utilizar la sección Specified Pos.). El programa nos dice directamente en qué número de segmento se encuentra la fuente, en este caso el segmento nº 5. En la siguiente figura se reflejan estos datos.








Ya estamos en condiciones de visualizar nuestra antena. Pinchamos en el botón VIEW ANT del panel de control, y aparece el siguiente gráfico:



Vemos nuestro dipolo a lo largo del eje X, con el centro en el origen de coordenadas, que consta de 9 segmentos (delimitados por puntitos verdes), y con un círculo rojo que representa el punto de alimentación de la antena.

Para ver el diagrama de radiación en 3D de la antena, pinchamos en el botón FF PLOT.





Utilizando esta última ventana, marcando la casilla SHOW 2D PLOT podemos sacar cortes 2D en Azimut y Elevación del diagrama de radiación:




Con estos gráficos ya obtenemos alguna información sobre la antena. Un dato interesante es el de la ganancia isotrópica en la dirección de máxima radiación, establecida por el programa en 2,1 dBi.

Por curiosidad, veamos el gráfico de la ROE en función de la frecuencia de trabajo. Pinchamos en el botón SWR del panel de control y nos aparece un cuadro de diálogo para especificar los extremos inicial y final del barrido, así como el intervalo de cálculo para la ROE (frequency step). Podemos seleccionar el intervalo [143-149] MHz y un intervalo de 0,2 MHz:



Al pinchar en Run se realiza el cálculo para la ROE y se muestra el siguiente gráfico (SWR Plot):


Con este diseño hemos obtenido un mínimo de ROE (1,42:1) en 146,6 MHz. Para esa frecuencia la impedancia de la antena es 70,33 – j5,34 ohms (también se aporta la impedancia en notación módulo-argumental: Z=70,53; θ=-4,34º). Vemos que la impedancia es prácticamente resistiva pura.

Para incluir el reflector en nuestro diseño vamos a duplicar el hilo que ya existe (el dipolo), desplazado 41 cm, y después al viejo hilo le suprimimos la fuente y lo alargamos un poco para que haga de reflector en condiciones. El dipolo definitivo lo acortaremos también, pues al añadir el reflector esto será necesario para conseguir una impedancia resistiva y cercana a los 50 ohm.

Pinchamos en el botón WIRES del panel de control, y en el menú Wire seleccionamos Copy Wires:





En el cuadro de diálogo que nos aparece escribimos 0,41 en la casilla Offset copy Y by. Esto hará que se realice una copia exacta del dipolo a una distancia de 0,41 m medidos a lo largo del eje Y de coordenadas:






Veamos cómo ha quedado la antena pinchando en el botón VIEW ANT:





Ahora tenemos dos hilos de igual longitud, paralelos, y con una fuente cada uno de ellos situada en el centro del hilo.

Vamos a eliminar la fuente del primer hilo (Wire 1) para convertirlo en el reflector. Pinchamos en el botón SOURCES y con el botón izquierdo del ratón seleccionamos la primera línea de la lista de fuentes (actualmente hay 2 fuentes):




Ahora pulsamos la tecla Supr y eliminamos esa fuente. Si en este momento visualizamos la antena, ya no aparece más que la fuente del dipolo y en el reflector ninguna. Lo veremos más adelante. Primero acortamos la longitud del dipolo, dejando cada rama en 0,468 m. Igualmente, alargamos el reflector hasta una longitud total de 1,01 m. Pinchamos en el botón WIRES y escribimos estos valores:




Si ahora pinchamos en VIEW ANT vemos nuestro nuevo diseño:






Existe una única fuente (en el dipolo), y los hilos tienen las nuevas dimensiones.

Este sería el diagrama de radiación de la antena (pinchar el botón FF PLOT):





Los cortes 2D en Azimut y Elevación serían los siguientes:






El programa nos da una ganancia isotrópica estimada de 6,41 dBi para la dirección de máxima radiación.

Veamos ahora el gráfico de la ROE. Pinchamos en el botón SWR y escribimos los siguientes valores:

Start Frequency = 143,5 MHz
Stop Frequency = 146,5 MHz
Frequency Step = 0,1 MHz


Al pinchar en Run se genera este gráfico (SWR Plot):





Tenemos un mínimo de ROE en 145,3 MHz, siendo de 1,07:1, con una impedancia para esa frecuencia de 51,7-j0,77 ohms. Es decir, la parte resistiva se acerca bastante a los 50 ohm de la línea de transmisión y la parte reactiva es casi nula, por lo que estamos muy próximos a la frecuencia de resonancia del circuito equivalente de la antena. En estas condiciones, vamos a tener la máxima transferencia de potencia desde el cable coaxial hasta la antena (Pentregada = Pdisponible).

En el gráfico SWR Plot podemos seleccionar con el puntero del ratón cualquier frecuencia del intervalo que hemos elegido. Haciendo clic en el lugar deseado, nos aparece un puntito verde que nos indica la frecuencia de trabajo. Si lo hacemos para los extremos de la banda de radioaficionado, obtenemos estos datos:


Frequency = 144 MHz
SWR = 1,21:1
Z = 46,77-j8,84 ohms

Frequency = 146 MHz
SWR = 1,11:1
Z = 54,29+j3,32 ohms



Vemos que la antena se encuentra ajustada para toda la banda. Se podría afinar más el diseño, pero no tiene mucho sentido, pues el modelado lo hemos realizado en condiciones de espacio libre y el rendimiento real va a quedar condicionado por infinidad de factores, tales como los objetos circundantes, la altura de la antena, etc. En nuestro caso, vamos a realizar una construcción con boom no metálico (madera), con elementos desmontables de aluminio, e introduciremos un pequeño choque de RF formado por 3 vueltas del coaxial en el punto de alimentación de la antena. Después la instalaremos en alguna ventana de la casa para hacer pruebas.


La antena desmontada queda como se muestra en esta fotografía:







Y el montaje en lo alto de una caña de pescar es el siguiente:








En el siguiente video se muestra la instalación ventanera en polarización vertical:

http://www.youtube.com/eb4hra#p/u/2/5DnoFcYStUs




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Alberto - EB4HRA


14-7-2011