home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Ham Radio 2000 / Ham Radio 2000.iso / ham2000 / antenna / elnecdem / antnotes.doc < prev    next >
Text File  |  1991-02-01  |  11KB  |  265 lines

  1.  
  2.  
  3.  
  4.  
  5.  
  6.  
  7.  
  8.                    ----- ELNEC Example Antenna File Notes -----
  9.  
  10.                                                      1 February 1991
  11.  
  12.         Several example antenna description files are included on your
  13.         ELNEC disk.  Following are some notes about each one.  All files
  14.         have the extension ".EN" added to the name shown here.
  15.  
  16.         Rather than having the examples all show ELNEC in its best light,
  17.         some were chosen specifically to illustrate weaknesses or
  18.         limitations you need to be aware of when using ELNEC or any
  19.         MININEC-based program.
  20.  
  21.         DEMO USERS NOTE: The antennas marked '*' are too complex for the
  22.         DEMO program due to its 15-pulse limit, so they're not on the DEMO
  23.         disks.  Also, some of the other antennas differ slightly from the
  24.         descriptions given here because the total number of segments was
  25.         reduced. 
  26.  
  27.                                      * 15MQUAD
  28.  
  29.         The dimensions for this 15 meter quad, modeled in free space, come
  30.         from the ARRL ANTENNA BOOK, 15th ed., p. 12-2.  The design is
  31.         attributed to W7ZQ.  As it does on most quads, ELNEC (and MININEC)
  32.         reports a poor front/back ratio -- only 2 dB for this quad.  This
  33.         is a result of MININEC's "cutting corners" where wires are
  34.         connected.  A much more accurate analysis is obtained by tapering
  35.         the segment length using ELNEC's automated segment tapering
  36.         capability (see the manual for information).  The result of
  37.         tapering is file 15MQUADT, described next.  If you delete the
  38.         parasitic loop and look at the pattern of the driven element by
  39.         itself, you'll find that very few segments are necessary to obtain
  40.         an accurate pattern.
  41.  
  42.                                     * 15MQUADT
  43.  
  44.         If you take the 15 meter quad, above, and taper the segments using
  45.         ELNEC's automated segment tapering with default values, the result
  46.         is this model.  The indicated front/back has improved to 8.3 dB
  47.         from 2 dB and the forward gain has increased about 0.8 dB.  I
  48.         believe that this is an accurate representation of the operation of
  49.         this quad.  You probably can get sufficiently accurate results with
  50.         fewer total segments by experimenting with the maximum and minimum
  51.         segment length when doing the tapering.  Note that very many
  52.         segments per side are necessary to approach the accuracy of the
  53.         results achievable by using the segment tapering technique.
  54.  
  55.  
  56.  
  57.  
  58.  
  59.  
  60.  
  61.  
  62.  
  63.  
  64.  
  65.  
  66.  
  67.  
  68.  
  69.  
  70.  
  71.  
  72.  
  73.                                       4SQUARE
  74.  
  75.         This popular phased array was invented by Dana Atchley, W1CF.  It
  76.         has several desirable properties.  Because of its symmetry, it's
  77.         easy to switch in four directions.  The forward lobe is broad
  78.         enough that four-direction switching gives good coverage to all
  79.         directions.  Good rejection of signals occurs over a broad region
  80.         to the rear.  The small rear nulls can be eliminated and the
  81.         forward gain increased slightly by increasing the element spacing. 
  82.         However, this may make the physical spacing too far to conveniently
  83.         use some feed methods.  Feeding of the four-square array is covered
  84.         in detail in Chapter 8 of the ARRL ANTENNA BOOK, 15th Edition.  One
  85.         interesting feature of this array is that one element has a
  86.         negative feedpoint resistance if loss is low enough.  This is a
  87.         valid result; the element is absorbing power from the others by
  88.         mutual coupling and feeding power back INTO the feed system.  There
  89.         is still some lingering belief that the fields from the elements of
  90.         an array are proportional to the powers delivered to them.  Element
  91.         1 of this array has a field equal to that from the other elements,
  92.         and it's FURNISHING power, showing the error in this belief. 
  93.         Observing the currents in the elements reveals the truth: The
  94.         element CURRENTS determine the field strength, and they're equal in
  95.         all four elements.
  96.  
  97.                                      CARDIOID
  98.  
  99.         A popular phased array, the 90-degree phased, quarter-wavelength
  100.         spaced, two-element array is effective and forgiving, and gives an
  101.         honest 3 dB gain over a single element.  It's modeled here over
  102.         perfect ground to point out the small reverse lobe which doesn't
  103.         usually show up in the textbooks.  This is due to the change in
  104.         current distribution on the elements from mutual coupling effects. 
  105.         See July 1990 QST, page 39, for more information on this phenomenon
  106.         and its consequences.  For information on how to design a feed
  107.         system for this array see the ARRL ANTENNA BOOK, 15th Ed., Chapter
  108.         8, and "The Simplest Phased Array Feed System -- That Works" in the
  109.         second ARRL ANTENNA COMPENDIUM.
  110.  
  111.                                       DIPOLE1
  112.  
  113.         This is a plain dipole in free space, about the simplest antenna
  114.         you're likely to model.  The frequency is 299.7+ MHz (selected by
  115.         entering '0' for the frequency), at which a wavelength is one
  116.         meter.  The antenna dimensions, in meters, are therefore also the
  117.         dimensions in wavelengths.  Note that this antenna, exactly a half-
  118.         wavelength long, is greater than a resonant length, as indicated by
  119.         the positive feedpoint reactance (seen by selecting 'SD' in the
  120.         Main Menu).  A resonant "half-wave" antenna is somewhat shorter
  121.         than 0.5 wavelength, the amount depending on its diameter.
  122.  
  123.  
  124.  
  125.  
  126.  
  127.  
  128.  
  129.  
  130.  
  131.  
  132.  
  133.  
  134.  
  135.  
  136.  
  137.  
  138.  
  139.                                        FDSP
  140.  
  141.         A personal favorite, the "Field Day Special" has been built on
  142.         several bands and accounts well for itself from the home QTH as
  143.         well as on Field Day.  It was described in June, 1984 QST.  The
  144.         elements are folded dipoles made from twinlead, connected by a
  145.         half-twisted twinlead "phasing line".  Folded dipoles are difficult
  146.         to model with ELNEC, so the elements are modeled as ordinary
  147.         dipoles with a diameter equivalent to the effective diameter of the
  148.         two-conductor twinlead.  This is valid since the radiation
  149.         properties of ordinary and folded dipoles are identical -- only the
  150.         feedpoint impedance is affected by the "folding" process.  The
  151.         program used to design the original antenna wasn't entirely
  152.         accurate so the element currents reported in QST weren't quite
  153.         correct.  The source currents in the model are the currents
  154.         actually measured on the elements of a Field Day Special built to
  155.         the dimensions shown in the QST article.  This antenna has a
  156.         respectable gain at low angles, a good f/b ratio, and a broad
  157.         forward lobe.  It's also quite forgiving.  Constructed from
  158.         twinlead, the input SWR is near unity.
  159.  
  160.                                     * N4PCLOOP
  161.  
  162.         This multiband horizontal loop antenna was created by Paul Carr,
  163.         N4PC, and described in December, 1990 CQ Magazine.  A unique
  164.         feature is that it's driven at opposite corners by out-of-phase
  165.         signals as in the W8JK antenna.  This results in an overhead null
  166.         on all bands.  If you look at the Wires Menu description, you'll
  167.         see two sources shown IN phase.  This is necessary due to a
  168.         combination of the way MININEC assigns pulses to wires and the
  169.         direction current is assumed to flow in the wires.  When multiple
  170.         sources are placed in connected wires as done here, you must check
  171.         the resulting currents to make sure they're flowing in the
  172.         directions you thought.  If not, you must reverse one or more
  173.         sources.  Note also the relatively large number of segments for
  174.         each wire.  On 20 meters, the 51-foot sides are approaching a full
  175.         wavelength long, so an appropriately large number of segments must
  176.         be used.  See the manual for more information on multiband antennas
  177.         and on using multiple sources in an antenna.
  178.  
  179.                                       NBSYAGI
  180.  
  181.         This is a good test of program operation.  The National Bureau of
  182.         Standards carefully built and measured several Yagi antennas.  This
  183.         is a 50 MHz one, with dimensions from the ARRL ANTENNA BOOK, p. 18-
  184.         7.
  185.  
  186.                                        VERT1
  187.  
  188.         A "plain-vanilla" resonant vertical over average ground.
  189.  
  190.  
  191.  
  192.  
  193.  
  194.  
  195.  
  196.  
  197.  
  198.  
  199.  
  200.  
  201.  
  202.  
  203.  
  204.  
  205.                                        VERT2
  206.  
  207.         Place VERT1 at the top of a 45-degree sloping hillside, and this is
  208.         what you get.  Note the large improvement in low-angle radiation. 
  209.         This is an example of use of the multiple ground media capability
  210.         of ELNEC.  A linear boundary is used in this case.
  211.  
  212.                                        W8JK
  213.  
  214.         Originally designed by John Kraus, W8JK in about 1940, this antenna
  215.         has some interesting properties.  It's characterized by two
  216.         closely-spaced elements driven out of phase.  Although the fields
  217.         from the elements don't fully reinforce in any direction, gain is
  218.         nonetheless achieved because of lowering of the radiation
  219.         resistance due to mutual coupling.  And lower it is -- note the
  220.         feedpoint impedance of only 3.73 - j24.48 ohms -- compare this to a
  221.         single element.  The lower resistance results in heavier current,
  222.         hence greater field strength, for a given power input.  The
  223.         difficulty is that system losses can quickly eat up the gain. 
  224.         Making this antenna from #12 copper wire (try it -- and include
  225.         wire loss) drops the gain about 0.65 dB, not too bad.  But great
  226.         attention must be paid to losses in matching networks.  And losses
  227.         rapidly increase in significance as the spacing is made closer than
  228.         the 0.1 wavelength of the example.  When mounted low (0.25
  229.         wavelength for the example), W8JK-type antennas have a lower
  230.         radiation angle than many other horizontal antennas due to the
  231.         inherent lack of high-angle radiation.  As an interesting exercise,
  232.         save the pattern for later comparison.  Then delete the second
  233.         source, making the antenna into a Yagi.  Note the increased gain. 
  234.         Even though the takeoff angle is higher, the Yagi gain is as good
  235.         or better even at lower angles.  In addition, the feedpoint
  236.         impedance has increased to a much more manageable value.  On the
  237.         other hand, the W8JK will retain its performance over a wide
  238.         frequency range, while the Yagi won't.
  239.  
  240.  
  241.  
  242.  
  243.  
  244.  
  245.  
  246.  
  247.  
  248.  
  249.  
  250.  
  251.  
  252.  
  253.  
  254.  
  255.  
  256.  
  257.  
  258.  
  259.  
  260.  
  261.  
  262.  
  263.  
  264.  
  265.