Com'è nata

Nell'articolo Simulare antenne senza Windows abbiamo mostrato come simulare un dipolo a 869 MHz con strumenti open source. Poche ore dopo Fabrizio ha risposto nel gruppo con la foto di una Yagi a 2 elementi in tubo di rame, montata sul tetto accanto al suo nodo solare pybot, e con i file .nec dei suoi modelli.

Simulandoli ci siamo accorti che valeva la pena raccoglierli in un posto solo, insieme ad altre antenne, e spiegare bene cosa dice ogni numero. Così è nata la galleria delle antenne.

Cosa trovi in ogni scheda

I numeri principali, calcolati a 869,618 MHz, la frequenza del preset italiano: guadagno, rapporto avanti/dietro, ROS, impedenza e frequenza di risonanza.
Cosa dicono questi numeri, in parole semplici: quante volte l'antenna concentra la potenza rispetto a un dipolo, quanta potenza torna indietro per il ROS, se l'antenna è lunga o corta e va quindi accorciata o allungata.
La potenza massima da impostare sul nodo per restare entro i 500 mW ERP della sub-banda 869,4–869,65 MHz, con 0, 1 o 2 dB di perdita nel cavo. I limiti sono spiegati nella pagina sulla normativa.
Una vista 3D del diagramma di irradiazione con l'antenna dentro, da ruotare col mouse o col dito, e i grafici di ROS e impedenza da 855 a 885 MHz.
Il file .nec spiegato riga per riga, da scaricare e aprire con xnec2c, 4nec2 o EZNEC.
Costruzione, esperimenti ed errori comuni: misure, lista di taglio, materiali e cosa succede se si cambia qualcosa.

C'è anche una guida per chi parte da zero: lunghezza d'onda, dBi e dBd, polarizzazione, ROS, adattamento a 50 Ω, ERP e come si scrive un file NEC.

Le antenne di oggi

Antenna	Guadagno	ROS a 869,618 MHz
Yagi 2 elementi con riflettore, di Fabrizio (in uso su pybot)	6,4 dBi	1,09
Yagi 2 elementi con direttore, di Fabrizio	5,3 dBi	1,02
Yagi 10 elementi, progetto da 432 MHz riscalato, di Fabrizio	12,4 dBi	1,91
Dipolo a mezz'onda	2,1 dBi	1,44
Ground plane λ/4 con 4 radiali a 45°	2,2 dBi	1,01
Yagi 3 elementi	8,1 dBi	1,23

Le ultime tre sono progetti di riferimento accordati da noi. Il dipolo risuona a 160,6 mm, gli stessi 161 mm a cui arriva il tutorial di Paolo su Lora Italia.

Qualche numero è diverso da quello che si legge spesso in giro. Un esempio: con quattro radiali orizzontali una ground plane non sta a 36 Ω ma intorno a 25 Ω. Piegando i radiali a 45° si arriva a 50 Ω. La scheda spiega il perché.

Sono simulazioni in spazio libero: indicano la tendenza, ma non sostituiscono una misura con un NanoVNA sull'antenna montata.

Aggiungi la tua antenna

La galleria vive su GitHub nel repository meshcore-ita/antenne. Per aggiungere un'antenna bastano una cartella con il file .nec, un piccolo meta.json con titolo e autore e, se vuoi, qualche foto e le note di costruzione. Le istruzioni sono in CONTRIBUTING.md. A ogni modifica il sito rifà da solo le simulazioni e rigenera le pagine.

Se non usi GitHub, manda il file .nec e una foto nel gruppo Telegram MeshCore ITA: lo aggiungiamo noi, citandoti.

Grazie a Fabrizio per aver aperto la strada.

Da dove partiamo

Su Lora Italia Paolo ha pubblicato Eznec! Chi era costui?, un ottimo tutorial in italiano: un dipolo verticale a 869 MHz, prima nello spazio libero e poi sopra un terreno reale, simulato con EZNEC. Vi consigliamo di leggerlo: qui rifacciamo gli stessi passi con altri strumenti.

L'articolo spiega che i due programmi più usati, EZNEC e 4nec2, sono gratuiti ma girano solo su Windows. E sono gratuiti, non open source: il codice non è disponibile.

Entrambi però sono interfacce grafiche costruite sopra lo stesso motore, il Numerical Electromagnetics Code. La versione NEC-2 è di pubblico dominio, e da lì sono nati diversi progetti aperti.

Le alternative open source

Strumento	Cos'è	Piattaforme
xnec2c	NEC-2 con interfaccia grafica: geometria, diagrammi, impedenza, ROS. Legge i file `.nec` di 4nec2.	Linux, BSD, macOS
nec2c	Il motore NEC-2 tradotto in C, da riga di comando	Ovunque
necpp / PyNEC	NEC-2 in C++ con binding Python, per simulazioni e ottimizzazioni via script	Ovunque
openEMS	Solutore 3D a elementi finiti nel tempo (FDTD)	Linux, Windows, macOS

Per rifare il tutorial serve xnec2c, che è quello più vicino a EZNEC. PyNEC è utile se volete l'equivalente dell'ottimizzatore di 4nec2 scritto in Python. openEMS è un altro mondo: serve per antenne su circuito stampato e piani di massa, dove NEC fatica. Ci torneremo.

Installare xnec2c

Debian, Ubuntu, Raspberry Pi OS: sudo apt install xnec2c
Arch e derivate: sudo pacman -S xnec2c (o dall'AUR)
Fedora: sudo dnf install xnec2c
macOS: sudo port install xnec2c con MacPorts

Il dipolo a 869 MHz

A differenza di EZNEC, xnec2c descrive l'antenna con un file di testo a "schede", il formato originale di NEC. Sembra ostico, ma per un dipolo sono poche righe. Le misure sono in metri. Salvate questo come dipolo-869.nec:

CM Dipolo verticale 869 MHz, spazio libero
CE
GW 1 11 0 0 -0.0805 0 0 0.0805 0.001
GE 0
EX 0 1 6 0 1 0
FR 0 1 0 0 869 0
RP 0 37 73 1000 0 0 5 5
EN

Riga per riga:

GW: un filo (wire) numero 1, diviso in 11 segmenti, da z = −80,5 mm a z = +80,5 mm, quindi lungo 161 mm, con raggio 1 mm (diametro 2 mm). Sono le misure a cui arriva il tutorial originale dopo aver accorciato da 172 mm.
GE 0: fine della geometria, nessun terreno (spazio libero).
EX: alimentazione in tensione sul filo 1, segmento 6, cioè al centro.
FR: una sola frequenza, 869 MHz.
RP: calcola il diagramma di irradiazione su tutta la sfera, a passi di 5°.

Aprite il file con xnec2c dipolo-869.nec. Nella finestra principale troverete l'antenna; dal menu View aprite il diagramma di irradiazione e il grafico della frequenza, dove leggere impedenza e ROS. Dovreste trovare un'impedenza vicina ai 73 Ω con reattanza piccola, e il classico diagramma a ciambella del dipolo a mezz'onda.

Per ripetere l'esperimento sul diametro, cambiate l'ultimo numero di GW in 0.005 (diametro 10 mm): la reattanza torna induttiva e, come nel tutorial, bisogna accorciare verso i 153 mm.

Più frequenze in un colpo

Qui xnec2c ha un vantaggio comodo: con una scheda FR a più passi calcola una spazzata, e il grafico mostra subito dove l'antenna risuona.

FR 0 41 0 0 849 1

Sono 41 frequenze da 849 a 889 MHz, a passi di 1 MHz. Il minimo del ROS vi dice se il dipolo è corto o lungo, senza tentativi.

Sopra un terreno reale

Come nel tutorial, alziamo l'antenna di 1 metro e aggiungiamo il terreno. Il centro del dipolo va a 1,0805 m, così l'estremità bassa sta a 1 m:

CM Dipolo verticale 869 MHz, 1 m sopra terreno reale
CE
GW 1 11 0 0 1.0 0 0 1.161 0.001
GE 1
GN 2 0 0 0 13 0.005
EX 0 1 6 0 1 0
FR 0 1 0 0 869 0
RP 0 19 73 1000 0 0 5 5
EN

GE 1: c'è un terreno.
GN 2: terreno reale calcolato con il metodo di Sommerfeld, il più accurato, con costante dielettrica 13 e conducibilità 0,005 S/m (un terreno "medio").
RP ora calcola solo la mezza sfera sopra il suolo.

Vale lo stesso limite spiegato nell'articolo: NEC-2 non gestisce fili che toccano il terreno o finiscono sotto. Non è un difetto di xnec2c, è il motore: lo hanno anche EZNEC e 4nec2 nella versione gratuita.

Nel diagramma di elevazione vedrete i lobi che si formano per la riflessione sul suolo e l'angolo di irradiazione principale che si abbassa, come nel tutorial.

E se proprio volete EZNEC

EZNEC e 4nec2 funzionano in genere anche sotto Wine. Può bastare se dovete aprire un modello che vi ha passato qualcuno. Per iniziare da zero, però, un programma nativo e aperto è più comodo.

Per saperne di più

Il tutorial originale di Paolo su Lora Italia
La documentazione di xnec2c
Il manuale di NEC-2 con il significato di ogni scheda

Se simulate un'antenna per un nodo MeshCore, aggiungetela alla galleria delle antenne: il file .nec è di testo, si legge e si modifica facilmente, e la galleria lo simula e lo spiega da sola. Come è nata lo raccontiamo in questo post.

MeshCore ITA — Blog: Software

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