home
***
CD-ROM
|
disk
|
FTP
|
other
***
search
/
Computer Club Elmshorn Atari PD
/
CCE_PD.iso
/
pc
/
0600
/
CCE_0637.ZIP
/
CCE_0637
/
OLGA
/
OLGA.DOC
< prev
next >
Wrap
Text File
|
1989-07-12
|
21KB
|
432 lines
Goettingen, den 18.Dez. 1987
WICHTIGER HINWEIS:
------------------
DIESES PROGRAMM IST AUSSCHLIESSLICH FUER AMATEUR- UND LEHRZWECKE
VORGESEHEN. EINE GEWERBLICHE NUTZUNG DARF NUR MIT SCHRIFTLICHER
GENEHMIGUNG DES AUTORS ERFOLGEN.
DAS PROGRAMM DARF FREI KOPIERT UND WEITERGEREICHT WERDEN, SOFERN
ES IN ALL SEINEN BESTANDTEILEN UND EIGENSCHAFTEN IM ORGINALZU-
STAND BELASSEN WIRD. AUSGENOMMEN HIERVON SIND EINTRAGUNGEN IN DEN
ORDNER 'TIPS'. HIER KANN DER BENUTZER TIPS, ANREGUNGEN UND
MEINUNGEN FUER NACHFOLGENDE ANWENDER HINTERLEGEN.
FUER DIE RICHTIGKEIT DER ANGABEN UND ERGEBNISSE, DIE IM ZUSAMMEN-
HANG MIT DER ANWENDUNG DIESES PROGRAMMS STEHEN, WIRD KEINE
GEWAEHR UEBERNOMMEN. DIE BENUTZUNG DES PROGRAMMS ERFOLGT AUF
EIGENE GEFAHR. FUER HINWEISE UND MITTEILUNG EVENTUELLER FEHLER
IST DER AUTOR JEDERZEIT DANKBAR.
Hinweis fuer Funkamateure: Tips, Meinungen und Verbesserungs-
vorschlaege werden gerne entgegengenommen. Ich bin ueber den
NORD><LINK-Digipeater DB0FE in PAKET RADIO zu erreichen.
Meldungen koennen aus der Mailbox DB0KG abgerufen werden.
Volker Grassmann, DF5AI
Hannoversche Str. 103
3400 Goettingen-Weende
-----------------------------------------------------------------
*************************************************
* *
* OLGA - OPTIMIERUNG LINEARER GRUPPENANTENNEN *
* *
*************************************************
Inhaltsverzeichnis:
1. Einleitung
2. Zum Prinzip der Berechnung
3. Die Kenngroessen
4. Weitere Hinweise zum Gebrauch
5. Vollstaendige Uebersicht ueber die Funktionen
6. Erstellen einer Antennendatei
7. Literatur
1. EINLEITUNG
-------------
OLGA ist ein Public Domain Programm fuer Funkamateure. Es
dient zur Planung von Gruppenantennen, bei denen mehrere einzelne
Richtstrahler zusammengeschaltet werden. Ausgehend von dem
Strahlungsdiagramm der jeweiligen Einzelantenne wird in Ab-
haengigkeit vom Stockungsabstand und von der Anzahl der zu
stockenden Antennen das Diagramm der Antennengruppe berechnet.
Auf diese Weise kann der Anwender die geplante Antennenanlage
unter verschiedenen Gesichtspunkten optimieren.
Die Berechnung von Antennendiagrammen gestaltet sich sehr
schwierig, denn verschiedene physikalische und elektrische
Bedingungen und Einfluesse gilt es zu beruecksichtigen. Die
notwendigen Messgroessen und Parameter stehen dem Benutzer einer
kommerziell gefertigten oder selbstgebauten Antenne in den
seltensten Faellen zur Verfuegung. OLGA orientiert sich daher an
idealisierten Voraussetzungen, der Anwender hat im wesentlichen
nur das Strahlungsdiagramm der jeweiligen Einzelantenne bereit-
zustellen (fuer die Antennenebene, in der die Stockung vorge-
nommen werden soll). Die von OLGA gefundenen Loesungen stellen
daher nur eine erste Naeherung an die tatsaechlichen Begeben-
heiten dar. Dennoch eroeffnen sich dem Anwender interessante
Untersuchungen, die fuer die Planung einer Antennenanlage wert-
voll sein sollten.
OLGA berechnet die Antennendiagramme unter folgenden Voraus-
setzungen:
- die zu stockenden Einzelantennen sind in ihren elektrischen
Eigenschaften identisch,
- die Einzelantennen sind aequidistant angeordnet, d.h. gleiche
Abstaende zwischen den Antennen,
- die Antennen sind auf einer Linie angeordnet, die senkrecht zur
Hauptstrahlrichtung orientiert ist (Querstrahler),
- es existieren keine Kopplungen oder Rueckwirkungen zwischen den
Antennen,
- die Antennen werden gleichphasig und mit gleicher Amplitude
gespeist.
2. ZUM PRINZIP DER BERECHNUNG
-----------------------------
Das Prinzip der Berechnung ist relativ uebersichtlich und
einfach zu verstehen. Als Anwendungsbeispiel sei die Zusammen-
schaltung zweier Yagi-Antennen angenommen. Das Strahlungsdiagramm
der Yagi-Antenne sei bekannt (OLGA wird stets das Diagramm der
elektrischen Feldstaerke betrachten). Ein vollstaendiges
Antennendiagramm gibt die raeumliche Abstrahlcharakteristik der
jeweiligen Antenne an. Zugaenglich sind i.a. nur die E- und H-
Diagramme, die senkrechte Schnittebenen durch das drei-
dimensionale Gesamtdiagramm darstellen. In dem Beispiel sei
angenommen, dass beide Antennen horizontal nebeneinander ange-
bracht werden, so dass das E-Diagramm heranzuziehen ist. Das
Gesamtdiagramm errechnet sich, indem zu jedem Winkel der Feld-
staerkewert aus dem E-Diagramm (in diesem Beispiel) mit dem
jeweiligen Gruppenfaktor multipliziert wird. Der Gruppenfaktor
ist das Antennendiagramm einer fiktiven Antennengruppe, die an
den Positionen der realen Yagi-Antennen Isotropstrahler annimmt.
OLGA kann Ihnen den Gruppenfaktor auch zur Anzeige bringen.
Waehlen Sie die Anzahl der Antennen zu '2' (Menue PARAMETER,
Titel ANZAHL) und beobachten Sie den Gruppenfaktor (unter dem
Menue GRAPHIK) fuer verschiedene Antennenabstaende (Menue
PARAMETER, Titel ABSTAND)! Falls Sie den Abstand gerade so
waehlen, dass sich die halbe Wellenlänge ergibt, dann erzeugen
Sie z.B. das Strahlungsdiagramm eines Dipols ("Zweipols"). Anm.:
die Berechnungen werden erst eingeleitet, wenn Sie unter dem
Menue START/ENDE die Funktion BERECHNUNG aufrufen.
Da das Einzeldiagramm der jeweiligen Antennen mit dem Diagramm
einer Punktstrahlergruppe multipliziert wird, ergibt sich so-
gleich ein wichtiges Ergebnis: bei den Winkelwerten, bei denen
die Einzelantenne eine Nullstelle aufweist, wird auch die
Gruppenantenne eine Nullstelle hervorbringen. Zusaetzlich wird
aber auch der Gruppenfaktor weitere Nullstellen einbringen, auch
diese werden im Gesamtdiagramm wiedergefunden. D.h. das Diagramm
einer Gruppenantenne wird i.a. mehr Nullstellen aufweisen als das
der Einzelantenne - und damit auch mehr Nebenkeulen! Waehrend
die Nullstellen der Einzelantenne fest vorgegeben sind, variieren
die Nullstellen des Gruppenfaktors mit veraendertem Abstand.
Falls Sie den Abstand der Antennen immer weiter vergroessern,
werden die Nullstellen des Gruppenfaktors schliesslich in den
Bereich der Einzelantennen-Hauptkeule wandern. Die Folge ist,
dass die Hauptkeule der Einzelantenne zerschnitten wird: im
Gesamtdiagramm erhaelt man links und rechts von der Hauptstrahl-
richtung unerwuenscht starke Nebenkeulen ueber die Sendeenergie
in ungewollte Richtungen verloren geht. Man wuerde also ver-
suchen, den Stockungsabstand so zu waehlen, dass eine schmale
Hauptkeule mit ausreichend abgesenkten Nebenkeulen entsteht. Fuer
diese Untersuchung steht Ihnen OLGA zur Verfuegung.
3. DIE KENNGROESSEN
-------------------
Die Antennendiagramme werden stets als Winkelverteilung der
normierten elektrischen Feldstaerke behandelt und in linearer
Darstellung ausgegeben. Die in den Diagrammen eingetragenen dB-
Werte beziehen sich hingegen auf das Leistungsdiagramm (Quadrat
der Feldstaerke). Daher liegt das "-3dB"-Niveau nicht bei 0.5
(halbe Feldstaerke), sondern bei 1/SQR(2) (halbe Leistung).
Als Oeffnungswinkel werden die Lagen der "-3dB"-Punkte bezueg-
lich der Hauptstrahlrichtung bezeichnet.
Als Nebenkeulenunterdrueckung wird die Absenkung des groessten
Nebenmaximums bezueglich der Hauptkeule bezeichnet. Dieser Wert
gibt also immer die schlechteste Nebenkeule an.
Die P(rozent)-Werte geben an, welchen Anteil ein bestimmter
Winkelbereich an der gesamten abgestrahlten Leistung besitzt. So
bezeichnet der P(3dB)-Wert, wieviel Prozent der Leistung inner-
halb des 3dB-Öffnungswinkels abgestrahlt werden. Beachten Sie,
dass sich der Oeffnungswinkel mit dem Antennenabstand aendert,
d.h. dass die P(3dB)-Groesse nicht einen konstanten Oeffnungs-
winkel zum Bezug nimmt.
Daher steht eine zweite P-Groesse zur Verfuegung, bei der Sie
einen interessierenden Winkelbereich vorgeben koennen. Diesen
sollten Sie nicht zu gross waehlen, damit der spezifizierte
Winkelsektor innerhalb der Hauptkeule bleibt und nicht Strahlungs
anteile der Nebenkeule erfasst. Diese Groesse gibt also an, wie-
viel Leistung innerhalb eines Winkels von X Grad abgestrahlt
wird.
Die Gewinnangaben beziehen sich stets auf einen Isotrop-
strahler. Die ausgegebenen Werte sind Schaetzwerte, die zwar auf
Grund bestimmter Ueberlegungen und Gesetzmaessigkeiten berechnet
werden, dennoch aber nur eine begrenzte Bedeutung haben. Fuer die
Berechnung des Antennengewinns (zumindest fuer die Direktivitaet)
muesste das vollstaendige raeumliche (!) Antennendiagramm zur
Verfuegung stehen. Hingegen sind die Betrachtungen hier nur auf
eine Ebene beschraenkt, daher ist eine zuverlaessige Er-
mittelung des Antennengewinns nicht moeglich. Es wird allerdings
angenommen, dass das E-Diagramm der Einzelantenne identisch zum
H-Diagramm ist, so dass immerhin noch die Information einer
weiteren Ebene beruecksichtigt werden kann. Der Gewinn wird z.Z.
angenaehert durch folgende Schaetzformel (siehe Literaturhin-
weis):
41253
G = -----------
Phi * Theta
wobei Phi und Theta fuer die Oeffnungswinkel einer idealisierten
Antenne stehen. Die beiden Winkel werden im Programm durch eine
numerische Integration der Diagramme gewonnen. Phi ist das
Integral des Leistungsdiagramms der Einzelantenne, Theta der
Integralwert fuer das Gesamtdiagramm. Integriert werden die
Feldstaerkequadrate von 0 bis 2*Pi. Die Graphik wird mit einem
Fragezeichen versehen, sollte die Nebenkeulenunterdrueckung
groesser -13dB werden. Nochmals: die von OLGA angegebenen
Gewinnwerte sind erste Schaetzungen und von geringer Qualitaet!
4. WEITERE HINWEISE ZUM GEBRAUCH
--------------------------------
Bis jetzt wurde nur die Berechnung relativ einfacher Antennen-
strukturen betrachtet. Es besteht jedoch die Moeglichkeit,
kompliziertere Antennenverteilungen zu beruecksichten. Nehmen wir
an, Sie planen eine 2*2 Antennengruppe, d.h. jeweils zwei
Antennen in der horizontalen und zwei in der vertikalen Ebene:
--- --- obere Antennenebene
(1) (2)
--- --- untere Antennenebene
(3) (4)
linkes rechtes
Antennenpaar
Zunaechst werden nur zwei Antennen behandelt, z.B. die obere
Antennenebene (Antennen 1 und 2) oder z.B. das linke Antennenpaar
(Antenne 3 und 4). Optimieren Sie die jeweilige Anordnung und
speichern Sie diese "neue" Antenne ab. Diese Zweier-Konfiguration
kann nun fuer die naechste Berechnung als "Einzelantenne" aufge-
fasst werden. Falls Sie zu Beginn die obere Antennenebene
untersuchten, die Antennen 1 und 2 also zu einer Antenne
zusammenfassten, so koennen Sie nun die untere Ebene, bestehend
aus den Antennen 3 und 4, als zweite Einzelantenne betrachten und
diese beiden Konstruktionen vertikal stocken. Bitte beachten Sie
fuer dies Beispiel: die Antennen 1 und 2 wurden horizontal
gestockt, die neuen "Einzelantennen" aber vertikal. Hier sollte
also sowohl das E- als auch das H-Diagramm der realen Einzel-
antenne Beruecksichtigung finden.
Auf diese Weise koennen relativ komplizierte Anordnungen
analysiert werden. Z.B. ist es denkbar, eine Antennenzeile zu
konstruieren, bei der vier Antennen nebeneinander angebracht
sind, die aeusseren beiden aber andere Stockungsabstaende auf-
weisen als die inneren beiden Antennen.
Falls Sie derartige Untersuchungen von "synthetischen Einzel-
antennen" vornehmen, sollten Sie den berechneten Antennengewinn
ignorieren. Es wurde ja im 3.Kapitel ausgefuehrt, dass die
Gewinnberechnung gleiche Oeffnungswinkel in den beiden senk-
rechten Antennenebenen voraussetzt. Diese Bedingung ist bei der
Synthese nicht mehr erfuellt. Im obigen Beispiel haette die
Konstruktion der Antennen 1 und 2 einen kleinen horizontalen
Oeffnungswinkel, waehrend in der vertikalen der vergleichsweise
grosse Oeffnungswinkel der realen Einzelantenne beibehalten
bleibt. Noch ein Hinweis: die Stockungsabstaende der
synthetisierten Antennen sind u.U. nicht mehr die geometrischen
Abstaende benachbarter Antennen. Beispiel: vier Antennen werden
zusammengeschaltet, die aeusseren beiden werden jeweils als
Einzelantenne aufgefasst. In der unten stehenden Abbildung setzt
sich die Antenne A aus den realen Einzelantennen 1 und 2
zusammen, die rechte Antenne aus den Einzelelementen 3 und 4. Bei
der horizontalen Zusammenschaltung ist nun die Strecke s als
Abstand anzugeben (also nicht der Abstand der Antennen 2 und 3).
--- --- --- ---
(1) (2) (3) (4)
(A) (B)
<---------- s ----------->
5. VOLLSTAENDIGE UEBERSICHT UEBER DIE FUNKTIONEN
------------------------------------------------
DATEI
LADEN: mit dieser Funktion wird eine Antennendatei mit den
Diagrammwerten in den Rechner geladen.
SPEICHERN: die momentan dargestellte Gruppenantenne wird als neue
Datei einer Einzelantenne abgespeichert.
UEBERNEHMEN: falls durch SPEICHERN eine neue Einzelantenne ange-
fertigt wurde, kann diese nun auch als Einzelantenne im Programm
beruecksichtigt werden. Die Funktion UEBERNEHMEN ist aequivalent
zum EinLADEN der synthetisierten Einzelantenne.
PARAMETER
WELLENL./FREQ.: die mit OLGA durchzufuehrenden Untersuchungen
koennten im Prinzip unabhaengig von der jeweiligen Wellenlaenge
oder Frequenz vorgenommen werden. Antennenabstaende muessten dann
nicht in Meter sondern in Wellenlaengen angegeben werden. Davon
wurde aus praktischen Gesichtspunkten Abstand genommen. Daher ist
die Wellenlaengen-Angabe vom Benutzer einzugeben.
ANZAHL [N]: Anzahl der zu stockenden Einzelantennen. An Stelle
der Mausbedienung (ueber das Pulldown-Menue) kann auch der
Buchstabe 'N' auf der Tastatur gedrueckt werden.
ABSTAND [A]: zur Eingabe des Stockungsabstandes in Meter. Diese
Funktion ist nur fuer die Darstellung des Gruppenfaktors und des
Gesamtdiagramms vorgesehen, vergleiche mit dem Menue GRAPHIK.
ABSTRAHLWINKEL [W]: zur Festlegung eines Winkelsektors fuer die
P(X Grad)-Groesse. Diese Kennzahl zeigt an, wieviel Leistung in
einem bestimmten Winkelbereich (um die Hauptkeule) abgestrahlt
wird. Falls der Wert zu gross gewaehlt wird, so dass Anteile der
Nebenkeule einfliessen (d.h. wenn im angegebenen Winkelbereich
eine Nullstelle des Diagramms auftritt), wird eine Fehlermeldung
ausgegeben.
STOCKUNG VON/BIS [S]: nur fuer die Funktion OPT.ABSTAND im
GRAPHIK-Menue. Hier wird ein Intervall fuer den Stockungsabstand
vorgegeben, siehe unten bei OPT.ABSTAND.
GRAPHIK
EINZELANTENNE [E]: die naechste Bedienung der Funktion BERECHNUNG
(Menue START/ENDE) stellt die momentan im Speicher befindliche
Einzelantenne dar.
GRUPPENFAKTOR [F]: die naechste Bedienung der Funktion BERECHNUNG
(Menue START/ENDE) zeichnet das Gruppendiagramm (Feldstaerke-
Diagramm der Punktstrahler). Die Anzahl der Strahler und die
Abstaende werden im Menue PARAMETER angegeben.
GESAMTDIAGRAMM [G]: die naechste Bedienung der Funktion
BERECHNUNG (Menue START/ENDE) berechnet das Gesamtdiagramm der
Antennengruppe (Produkt aus den Darstellungen bei EINZELANTENNE
und GRUPPENFAKTOR). Die Anzahl der Einzelantennen und deren
Abstaende wird im Menue PARAMETER eingegeben.
OPT.ABSTAND [O]: die naechste Bedienung der Funktion BERECHNUNG
(Menue START/ENDE) untersucht den geschaetzten Gewinn, den
Oeffnungswinkel (3dB-Punkte), die Nebenkeulenunterdrueckung und
die prozentualen Abstrahlungen als Funktion des Stockungs-
abstandes. Das Stockungsintervall wird im Menue PARAMETER ange-
geben.
OPTIONEN
POLARKOORD. [P] und KART.KOORD. [K]: Wahl der Koordinatensysteme,
in denen die Antennendiagramme dargestellt werden sollen.
ANALYSIEREN [U] : bei aktivierter Funktion (Markierung durch ein
Haeckchen) werden bestimmte Kenngroessen aus den Antennendia-
grammen errechnet. Im abgeschalteten Zustand werden die Diagramme
nur gezeichnet, nicht aber einer weiteren Analyse unterworfen.
LOESCHEN [L]: Bei eingeschalteter Funktion wird vor einer
Berechnung der Bildschirm geloescht. Falls fuer bestimmte Unter-
suchungen ueberlagerte Diagramme gezeichnet werden sollen, ist
diese Funktion abzuschalten.
START/ENDE
BERECHNUNG [X]: die oben gelisteten Funktionen leiten noch keine
Berechnungen ein. Dazu ist diese Funktion aufzurufen (wahlweise
den Buchstaben X -eXecute- auf der Tastutur druecken).
PROG.BEENDEN: Rueckkehr ins Desktop.
6. ERSTELLEN EINER ANTENNENDATEI
--------------------------------
Die Eintragungen einer Antennendatei bestehen aus folgenden
Angaben:
1.Zeile: eine Kurzbeschreibung des Antennentyps (in Anfueh-
rungszeichen, max.25 Buchstaben)
2.Zeile: Frequenzangabe (in MHz) und der von Ihnen vermutete
Gewinn in dBiso. Letztere Angabe hat keinen Einfluss
auf die Berechnungen, soll Ihnen aber auf den
Graphiken zur Verfuegung stehen
weitere Zeilen: Winkelwert, elektrische Feldstaerke
Sie sollten bestrebt sein, moeglichst viele Stuetzstellen fuer
das Antennendiagramm anzugeben. Insbesondere sollte die Haupt-
keule genuegend Datenpunkte aufweisen, ferner sollten alle Null-
stellen des Antennendiagramms enthalten sein. Falls ein sym-
metrisches Antenndiagramm vorliegt, genuegt die Spezifizierung
einer Haelfte.
Winkelangaben: falls Sie das Diagramm vollstaendig angeben
koennen, beginnen Sie bei -180 Grad und enden Sie
bei +180 Grad. Bei halben Diagrammen koennen Sie
waehlen: von -180 Grad bis 0 Grad oder von 0 Grad
bis +180 Grad. Wichtig: die jeweiligen 180-Grad-
Werte muessen unbedingt vorhanden sein, ebenso der
0 Grad-Wert.
Feldstaerke : Geben Sie die Werte im linearen Mass an (keine dB-
Werte!). Das absolute Strahlungsmaximum muss sich
bei 0 Grad befinden. Die Werte muessen jedoch
nicht normiert sein (der Wert "1" bei 0 Grad), das
Programm nimmt die Normierung selbststaendig vor,
geben Sie also z.B. cm-Werte einer Abbildung ein.
Eine Antennendatei koennen Sie mit einem Texteditor anfertigen
oder auch programmgesteuert anfertigen. Folgendes Listing bietet
eine Loesung fuer GfA-BASIC:
filename$="Parabeam.ant"
antennentitel$="Parabeam XYZ"
freq=144.3
gewinn=13
datenpaare%=88
'
OPEN "o",#1,filename$
WRITE #1,antennentitel$
WRITE #1,freq,gewinn
FOR i%=1 TO datenpaare%
READ winkel,feld
WRITE #1,winkel,feld
NEXT i%
'
CLOSE #1
'
DATA -180,0.23
DATA -178,0.183
usw.
Am besten Sie schauen in eine bereits vorhandene Datei
(im Desktop Datei mit Doppelklick waehlen und 'Anzeigen' auf-
rufen). Vergessen Sie nicht, Ihre neu geschaffenen Daten in den
OLGA.ANT Ordner zu transferieren. Bei der Weitergabe des Pro-
gramms muessen Sie die von Ihnen erstellten Dateien selbstver-
staendlich nicht loeschen (Veraenderungen an den Public Domain
Programmen sind i.a. nicht gestattet) - die nachfolgenden An-
wender werden es Ihnen danken.
7. LITERATUR
------------
ANTENNEN I,II,III (Adolf Heilmann), BI Hochschultaschenbuecher,
Band 140, 534, 540, Mannheim 1970
Volker Grassmann, DF5AI
Hannoversche Str. 103
3400 Goettingen-Weende