Mininec Resonanzfrequenz

Für mein Antennen-Modellierungsprogramm pymininec (das eine Python-Reimplementierung des original Mininec Basic-Codes darstellt) habe ich mich damit beschäftigt, warum die Resonanzfrequenz, die von Mininec berechnet wird, immer etwas zu hoch ist (die reale Resonanzfrequenz ist etwas niedriger als simuliert und um die korrekte höhere Resonanzfrequenz zu bekommen müssen Drähte etwas kürzer konfektioniert werden als von Mininec simuliert).

Das bedeutet wenn man die Resonante Länge für eine gegebene Frequenz berechnet, dass Mininec etwas längere Drähte vorraussagt als NEC-2.

Aus dem Mininec Report [LR86] wissen wir dass Mininec Drähte in Segmente zerlegt (der Benutzer muss die Anzahl der Segmente definieren) und den Punkt zwischen aufeinanderfolgenden Segmenten einen Puls nennt. Es berechnet den Strom an jedem Puls und berechnet dann das resultierende Antennendiagramm aus diesen Strömen. Weil es am Ende eines Drahtes keinen Puls gibt (ausser dieser Draht ist mit einem weiteren Draht verbunden) lässt die Simulation eine halbe Segmentlänge am Ende jedes nicht verbundenen Drahtes weg.

Das bedeutet für einen Dipol dass Mininec ein halbes Segment an jedem Dipolende weglässt und die resultierende Frequenz etwas zu hoch ist wegen dieser Verkürzung.

Die Hypothese ist, dass wir durch kürzere Segmente am Ende eines Drahtes eine niedrigere Resonanzfrequenz – oder äquivalent – eine kürzere resonante Länge bei fester Frequenz bekommen sollten.

Um diese Hypothese zu testen, habe ich die resonante Länge eines Dipols gegen die Anzahl der simulierten Segmente sowohl für NEC-2 als auch für pymininec geplottet. Zusätzlich verwende ich abgestufte Längen, d.h., Ich verwende kürzere Segmente an den Drahtenden und längere Segmente in der Mitte des Dipols. Segmentlängen werden um den Faktor zwei bis zu einem Maximum von \(\lambda/20\) abgestuft. Dieser Abstufungs-Mechanismus ist ein eingebautes Feature von pymininec. Die minimale Segmentlänge war auf \(\lambda/400\) gesetzt.

In der orangen pymininec Kurve (beschriftet mit Mininec length) konvergieren die Werte langsam gegen die blaue NEC-length-Kurve (weil die Segmente kürzer werden) aber schon bei etwa 16 Segmenten ist die grüne Kurve (beschriftet mit Mininec T1 length) mit abgestuften Segmentlängen fast zu den NEC-2 Werten konvergiert.

Zwei Kurven werden in der Grafik standardmässig nicht angezeigt, können aber durch Klick in der Legende auf der rechten Seite eingeschaltet werden. Die graue Kurve beschriftet mit Ballanis 2016 ist eine Abschätzung der resonanten Dipol-Länge aus einem Antennenbuch von C. Balanis [Bal16]. Die rote Linie beschriftet mit Mininec T2 length ist eine weitere Version mit abgestuften Längen, allerdings diesmal mit den kurzen Segmenten in der Mitte des Dipols (beim Speisepunkt) und den längeren Segmenten an den Drahtenden.

Selbst für sehr kurze Segmentlängen (\(10^{-5}\lambda\), ohne Grafik) bleibt die pymininec Kurve mit abgestuften Längen nahe bei der NEC-2 Kurve obwohl damit eigentlich die Annahme von dünnen Drähten (die Segmente sind deutlich dicker als lang) die Mininec zugrundeliegt, verletzt ist. Anscheinend kann der Mininec Algorithmus mit sehr kurzen Segmenten umgehen, solange diese zum selben Draht gehören.

Mit diesem Experiment wird klar, dass der Mininec Algorithmus systematisch einen kürzeren Draht modelliert als vom Anwender spezifiziert, weil die Hälfte des letzten Segments an jedem Drahtende ignoriert wird. Ich habe vor, ein Experiment mit künstlich verlängertem Segment an jedem Drahtende vorzunehmen, um zu sehen ob dieser systematische Fehler damit eliminiert werden kann.