home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Antennas / Antennas_CD-ROM_Walnut_Creek_September_1996.iso / articles / interact / wiregrid < prev   
Text File  |  1996-06-30  |  17KB  |  354 lines

  1. ANTENNA-STRUCTURE INTERACTION
  2. Modeling with MININEC
  3. R. P. Haviland, W4MB
  4.  
  5.  
  6.  
  7. One of the problems of the real world is that antennas must be
  8. mounted on some type of a structure, a boom, a mast, or a tower.
  9. And often even larger structures are involved, an auto or an
  10. airplane.
  11.  
  12. Over the years a number of rules of thumb have developed giving
  13. good mounting practices. But these have always been suspect,
  14. sometimes without reason, but other times as a result of flaws
  15. such as poor performance in some direction, or an unusually high
  16. SWR. Too often, a nagging uncertainity remained- is this the best
  17. that can be done.
  18.  
  19. The advances of the past several years in antenna modeling by
  20. computer has opened the way to look at these antenna to structure
  21. interactions in considerable detail. This article is intended to
  22. be an introduction to these techniques for Amateur type antenna
  23. problems, using equipment, techniques and software now easily
  24. available to individuals.
  25.  
  26. It is assumed that the software is one of the versions of MININEC
  27. 3 which are available (see ads in the Amateur magazines). Those
  28. with change 12 are the best, since this change eliminated a
  29. restriction on angle between wires. However, any after change 6
  30. should be satisfactory.
  31.  
  32. There is a version of NEC available for the PC family. However,
  33. it is relatively expensive, and available only to members of The
  34. Applied Computational Electromagnetics Society. See the authors
  35. article in thefirst issue of Communications Quarterly for Society
  36. information.
  37.  
  38. CONCEPTS OF STRUCTURE MODELLING
  39.  
  40. In doing this work, it is convenient to consider that there are
  41. two types of structures. The first can be called "antenna- like
  42. structures". This includes many items commonly found close to the
  43. antenna. Booms, towers and guys are of this class. Because their
  44. dimensions are not greatly different than antenna dimensions,
  45. they are easy to model, essentially with the same rules as used
  46. for the antennas themselves.
  47.  
  48. There hasn't been a good name for the second class of structure.
  49. Relatively large areas of metal are involved, usually as curved
  50. surfaces, as found in the body of an auto or the skin of an
  51. aircraft. The large areas mean that the standard antenna modeling
  52. techniques of straight, thin wires can't be used directly.
  53. Instead, the structure must be approximated by a model composed
  54. of the thin, straight wires which the antenna models can handle.
  55. The usual name for these are "wire- frame models". Examples are
  56. now found in almost every issue of electronic and computer
  57. journals, often in ads for drafting software. The pre- computer
  58. name would have been "Tinker- Toy models" after the childs toy.
  59.  
  60. Here, it must always be remembered that the performance output of
  61. a computer antenna model is only an approximation to the real
  62. antenna performance. In fact, this is true for most antenna
  63. calculations, because the equations representing conditions are
  64. so complex that they can only be solved by approximation. The
  65. approximations are even poorer when large areas are analyzed.
  66. This does not say to throw out the model results, however. The
  67. results are useful guides, to design and to operation. As the
  68. saying goes, at least the starting point is in the right
  69. ball-park, if not exactly at the right plate. Use the model
  70. results for what they are- guides to the real situation, accurate
  71. enough to give relative performance and a good starting point for
  72. final adjustment.
  73.  
  74. ANTENNA-LIKE STRUCTURES
  75.  
  76. The class of structures made of long thin elements are easily
  77. modelled using the rules standard for antennas. To review, the
  78. rules are;
  79.  
  80. -Neglect undriven elements if less than about 0.1 wavelength
  81. long:
  82. -Use 4 segments per half-wave for an indication of performance, 8
  83. for reasonable accuracy, 16 or more if high accuracy is
  84. important:
  85. -Check the geometry, especially the end points, to be certain the
  86. elements are properly positioned.
  87.  
  88. A boom is treated exactly like a dipole element, except that it
  89. normally is not driven but parasitic. Guys are also simple, being
  90. just inclined long wires. One end of grounded guys must end at
  91. the earth's surface, z-dimension of zero. Poor earth can be
  92. simulated by introducing a loss, a load resistance at the
  93. junction point.
  94.  
  95. Over most common frequencies, the tower is simple, just a
  96. grounded vertical antenna. But the tower size-frequency relation
  97. must be watched. For example, a common tower leg width is 12
  98. inches, about 0.3 meter. At 14 Mhz, this represents .014
  99. wavelength, well within the "wire size" limit for good accuracy.
  100. However, at 144 Mhz, the tower width is about 1/8 wavelength, and
  101. accuracy will be poor because the thin-wire approximation is not
  102. valid.
  103.  
  104. This does not say that the results are worthless, however. In a
  105. typical situation the tower currents will be low if the antenna
  106. is symmetrically mounted on the tower. A typical value of maximum
  107. tower current will be one percent of the antenna driving point
  108. current. Since power varies as the square of current, the tower
  109. radiation will be around one hundredth percent of the antenna
  110. radiation, or 40 DB below the drive power. About the only effect
  111. of the tower current will be to fill in the nulls somewhat.
  112.  
  113. Suppose the calculation of this current is off by a factor of
  114. ten, so the actual current is 10 percent of the antenna drive.
  115. Now the power radiated will be 20 DB down. Such an error will not
  116. affect the main-lobe calculations at all, but may mean that the
  117. secondary lobes and nulls are very much in error. In addition,
  118. there may be some error in the driving point impedance. However,
  119. the calculated results will still give an overall estimate of
  120. performance.
  121.  
  122. There are several ways to check the importance of such stray
  123. currents. One is to compare the pattern and drive resistance of
  124. the antenna alone and with the tower present. A second is to
  125. introduce a large resistance at the point of maximum stray
  126. current, and make the same comparison. And still another is to
  127. move the drive point from the antenna to the stray current point.
  128. If the antenna-alone pattern appears to be badly degraded, try
  129. another structure. Or consider introducing insulators, which is
  130. the equivalent to the large resistance trial. 
  131.  
  132. In this connection, it is no longer necessary to physically cut a
  133. guy or even a tower to stop the current flow. Several ferrite
  134. beads or even pieces of old TV H-oscillator or deflection ferrite
  135. cores at the point of maximum current will reduce the current to
  136. a negligible value. See the book by W2DU and the ARRL Antenna
  137. Handbook for methods of estimating and measuring the effects.
  138.  
  139. If the stray currents on a thick tower do seem to be important,
  140. the tower interaction should be analyzed as a wire-frame model,
  141. see below.
  142.  
  143. EXAMPLE OF ANTENNA-LIKE STRUCTURE ANALYSIS
  144.  
  145. Suppose that you have been asked to advise a friend on the use of
  146. his sailboat rigging as an antenna. The common way of doing this
  147. is to insulate the backstay, and to use this as a sloping
  148. vertical, fed against the ballast, motor and other metal hull
  149. parts. Is this the best way to go?
  150.  
  151. For simplicity, assume that the boat is 12 meters LOA, 4 meters
  152. beam, with a 10 meter high mast, about the dimensions of common
  153. 35 footers. Also for simplicity, assume that the mast is stepped
  154. on the ballast, and that the stay and shroud chain-plates make a
  155. straight line with their wires, effectively connecting to the
  156. earth at water level. The spreaders are at 5 meters, and are
  157. non-conducting. Then the ship model is as shown in the two views
  158. of Fig. 1. Assume that the shroud/stay diameter is .01 meter, and
  159. the mast diameter is 0.2 meters. Use 16 segments for the longer
  160. elements, and 8 for the shorter.
  161.  
  162. The solution speed will depend on the computer. 15-20 minutes per
  163. frequency will be typical. Making a paper copy of results will
  164. add to the time, but is worthwhile for future reference.
  165.  
  166. Assuming that the feed is at the base of the backstay, with other
  167. stay/shroud/mast connections intact, the following is found:
  168.                       Drive, Ohms        Radiation   Ratios, DB
  169.      Band      Resistance   Reactance     F/Back     F/Side
  170.      160          0.4         260           0         6.6
  171.       80         80          1240         -.5         1.5
  172.       40        335          -450        -1.6         -.8
  173.       20         30            80         3.3         6.5
  174.       15        170          -270        10.7         0.6
  175.  
  176. With a parallel resonance at 5.24 Mhz, and a series resonance at
  177. 13.28 Mhz. With a good antenna match box, this will be a good
  178. antenna from 80 to 15 meters, and a usable but inefficient one on
  179. 160. There is some signal variation as heading changes, but this
  180. is less than the normal fading range.
  181.  
  182. Additional runs can be made with the feed at other locations, and
  183. with various insulation trials, at the top and/or bottom of
  184. shrouds and stays. Other antennas can be introduced, for example,
  185. the often used "Hustler Whip" on the quarter. Since this is an
  186. example rather than a real problem, these are not explored here.
  187.  
  188. LARGE-SURFACE STRUCTURES
  189.  
  190. To show the approach to using thin-wire antenna analysis in
  191. modelling surfaces, assume that an antenna is to be mounted on a
  192. square metal plate, a ground plane. The plate can be represented
  193. by a grid of crossed wires, two forms being shown in Fig. 2.
  194.  
  195. One limiting condition shows up if it is necessary to mount the
  196. antenna at the center of the plate. Since there is no wire
  197. junction at the center on Fig. 1A, there is no "ground" to feed
  198. the antenna against. This point does exist in Fig. 1B. It is
  199. evident that the planning of the wire grids must include antenna
  200. location as a factor.
  201.  
  202. The usual "rule of thumb" is that the wire surface area should
  203. equal the area of the surface it is to represent. But there are
  204. limits to this. One is that the wire radius must be small
  205. compared to a wavelength: a radius greater than 1/30 wavelength
  206. is likely to give errors. Also, the segmentation of wires is
  207. important: a segment should not be longer than 1/5 wavelength.
  208.  
  209. The ususal arrangement is a square mesh, i.e., four 90 degree
  210. angles. However, there are situations where other angles are
  211. necessary to model the surface geometry, and even places where
  212. different angles give better results. For example, the flat
  213. plates of Fig. 2 can also be represented by the radial wires of
  214. Fig. 3. These give at least as good a representation as the
  215. square mesh, and have the merit of requiring fewer wires and
  216. therefore less computation time. Probably the best rule is to use
  217. the square mesh for the general body, and radial connections at
  218. and close to the antenna mounting point.
  219.  
  220. One problem with the models of Figs. 2 and 3 is that the current
  221. is necessarily the same on the top and bottom of the plate. This
  222. may not be accurate, for example with a ground-plane antenna
  223. mounted atop a mast. In such situations two plates separated by a
  224. small distance are necessary, as shown in cross-section in Fig.
  225. 4.
  226.  
  227. It is evident from this that there is a considerable amount of
  228. art in the design of the model for analysis. Also, any attempt at
  229. accurate modelling is likely to end up with a large number of
  230. wires, which means a large computer and long run times. In
  231. Amateur use with no more than a PC available, models will have to
  232. be crude, and run times long.
  233.  
  234. It is very easy to make an error in laying out and entering the
  235. model data. Use a consistent approach to numbering wires, and use
  236. symmetry to help keep the numbers and dimensions correct. A
  237. program which assembles antennas from wires or elements is a big
  238. help, especially if it will allow mirror-imaging the elements, an
  239. easy way to get symmetry. In a complex model, check andrecheck is
  240. the procedure.
  241.  
  242. EXAMPLE ANALYSIS- A CAR ANTENNA
  243.  
  244. Suppose there is a proposal to use a diplexer with the
  245. factory-mounted whip antenna af a typical small two door auto.
  246. The basic questions are, what is the drive characteristic, and
  247. what kind of a pattern is obtained.
  248.  
  249. Figs. 5, 6, and 7 show three views of a wire-frame model of such
  250. a car. Note that the top is supported at three points along the
  251. sides, with no other top-body connection, to represent windows.
  252. The top and body sections do have a wire along the center-line,
  253. and the body does have three side to side side straps across the
  254. bottom.
  255.  
  256. Despite it's relative crudity, the model approaches the limit of
  257. typical PCs. Only one current pulse per wire segment can be used
  258. with standard MININEC. 
  259.  
  260. Even with this crude model and the limits of the computer, the
  261. results are worthwhile and interesting. At 146 mhz, the factory
  262. mounted 30 inch whip on the right front fender at the windshield
  263. front shows a drive impedance of 95 -j18 ohms, an easy match. The
  264. pattern is surprisingly good. As seen by the car driver, the
  265. front-back ratio to the horizon is 0.8 DB. The right side
  266. radiation is 0.6 DB below the forward, and the left side 0.9 DB
  267. lower. The pattern is essentially circular. Diplexer design
  268. should be relatively easy.
  269.  
  270. The built-in antenna could be used at 28.5 Mhz. As with all short
  271. antennas, the drive impedance is poor, 2.4 ohms resistive and
  272. -415 ohm reactive. The pattern remains quite good, with a F/B
  273. ratio of -0.9 DB. The front-right ratio is -2.2 DB and the front
  274. left is -3 DB. The poorest radiation is to the front.
  275.  
  276. Having the basic car model, it is easy to move the antenna
  277. location and to change length. The absolute values calculated
  278. from this coarse model are likely to be in error. But the
  279. relative change will be better, and it is easy to see if a
  280. "relatively best" location has been found. (It will take some
  281. time to run the range of possibilities, however.)
  282.  
  283. More wires and therefore better accuracy would be possible with a
  284. late model computer with more memory, provided the arrays used in
  285. the program are redimensioned. Compiling the program (as in Quick
  286. Basic) is a good time saver. If much work is to be done, a
  287. numeric co-processor saves time.
  288.  
  289. DATA ON MODELLING
  290.  
  291. There is considerable data on the relation between model design
  292. and accuracy in the paper, Verifying Wire-Grid Model Integrity
  293. with Program "Check", C.W.Trueman and S.J.Kubina, Applied
  294. Computational Electromagnetics (ACES) Journal,V5N2, Winter, 1990.
  295. This includes a table of warning/error conditions, and many
  296. sketches showing problem situations.
  297.  
  298. The same issue includes Selecting Wire Radius for Grid/Mesh
  299. Models, by L.A.Oyckanmi and J. Watkins. The previous issue
  300. includes Modeling Electrically Small, Thin Surfaces with Wire
  301. Grids, by T.H. Hubing and J.F. Kauffman.
  302.  
  303. Wire Grid modeling of Surfaces, by A.C. Ludwig, IEEE Trans.
  304. Antennas and Propagation, vol. AP-35, Sept. 1987 will also be
  305. helpful. The references to these will lead to other papers.
  306.  
  307.  
  308.  
  309.  
  310. Captions
  311.  
  312.  
  313. Fig. 1.
  314.  
  315. RF model of a typical sailboat. Only key metallic elements are
  316. shown, keel, engine and chain plates are assumed to be at water
  317. level or below. a) View from port or starboard. b) View from bow
  318. or stern.
  319.  
  320.  
  321. Fig. 2.
  322.  
  323. Wire-grid models of a square ground-plane plate. a) A coarse
  324. grid, which requires large conductor size, and limits antenna
  325. locations. However, it conserves computer memory, and requires
  326. less time for solution. b) Fine grid, suitable for use at higher
  327. frequencies, with less restriction on antenna location. Wire size
  328. can be one-half that of a) for the same accuracy. Grids are shown
  329. as squares, the prefered arrangement, but may be 3, 5 or more
  330. sides, with angles other than 90 degrees.
  331.  
  332. Fig. 3.
  333.  
  334. An alternate to an equal-sided grid, especially useful at the
  335. antenna mounting location. Such radials may be used as diagionals
  336. to ensure good distribution of current and better accuracy.
  337. However, such refinements increase memory demand and run time.
  338.  
  339. Fig. 4.
  340.  
  341. Accurate models sometimes require a closed surface, to allow currents on the top and bottom to be independent. The mast mounted ground plane is an example. The ground plane may be a grid as in Fig. 2, or radial as in Fig. 3.
  342.  
  343. Fig 5.
  344.  
  345. Modeling flat or curved surfaces requires many wire sections. This side view of a typical small auto ignores many features, such as wheels and bumpers. The relatively coarse grid is adequate for reasonable accuracy at 28 MHz, but the number of wires could be increased for better accuracy at 144 MHz.
  346.  
  347. Fig. 6.
  348.  
  349. Top view of the auto of Fig. 5. In numbering wires for computer entry, time can be saved by making use of the symmetry of the structure. It is also easier to avoid errors if the wires are numbered in mirror-image pairs.
  350.  
  351. Fig. 7.
  352.  
  353. Front view of the auto of Fig. 5. This and additional views are not usually necessary to see all of the model wires, but are helpful in avoiding numbering, dimension and entry errors. Some CAD programs produce this third view automaticlly, and also output a table of line (wire) end points. If much work is to be done, a small program can be written to transfer the table to RF analysis format.
  354.