Antennen, die mit einer Gesamtstrahlungsleistung (EIRP) von mehr als 10 W betrieben werden, müssen nach der Verordnung zur Begrenzung elektromagnetischer Felder (BEMFV) bei der Bundesnetzagentur angemeldet werden. Durch Simulation oder Messung muß nachgewiesen werden, daß der standortbezogene Sicherheitsabstand innerhalb des kontrollierbaren Bereichs endet. Außerhalb des kontrollierbaren Bereichs dürfen die festgelegten und unbedenklichen elektrischen und magnetischen Feldstärken nicht überschritten werden.
Der kontrollierbare Bereich ist dabei der Bereich, in dem der Betreiber der Funkstelle die Befugnis hat, Personen wegzuschicken. Eine besondere Sicherung des Bereichs, beispielsweise durch einen Zaun oder auch nur durch Hinweisschilder, ist nicht gefordert. Der kontrollierbare Bereich umfasst auch solche Bereiche, in denen sich normalerweise keine Personen aufhalten. Das sind insbesondere Bereiche oberhalb einer gewissen Höhe, in die niemand ohne weitere Hilfsmittel hineinkommt. Eine genaue Höhe ist nicht definiert, aber es wird offensichtlich eine Höhe von 3 m von der Behörde als plausibel anerkannt. Damit ist der kontrollierte Bereich im allgemeinen das eigene Grundstück und der 3 m überragende Teil des angrenzenden öffentlichen oder privaten Bereichs.
Geräte zur Messung der Feldstärken können beim DARC ausgeliehen werden. Die Messung kann sich allerdings aufwendig gestalten, weil man im Grunde um das gesamte Grundstück herumlaufen und die Sonde jeweils in 3 m Höhe halten muß. Die Messung muß dann für jedes verwendete Frequenzband wiederholt werden. Insofern ist die Simulation mit 4nec2 und die Auswertung der berechneten Daten mit Wattwächter einfacher, aber man muß sich auch hier erst einmal in die Materie einarbeiten. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf die Versionen 4nec2 V5.9.3 und Wattwächter V2.01.
Vorgehensweise
Nahfeld und Fernfeld der Antenne müssen für jedes benutzte Band errechnet und in einzelnen Dateien abgespeichert werden. Für das Nahfeld wird dabei das magnetische Feld und das elektrische Feld separat betrachtet, weil hier der Wellenwiderstand noch weit entfernt vom Feldwellenwiderstandes des leeren Raumes ist. 4nec2 erzeugt somit also mindestens drei Dateien pro Band, wenn höhere Auflösung gewünscht ist, auch mehr. Alle erzeugten Dateien werden Band für Band von Wattwächter eingelesen und können anschließend für die Bestimmung der Grenzwerte benutzt werden.
Die Antenne muß nicht notwendigerweise angepasst sein. Die Bewertung mit Wattwächter benötigt also am Speisepunkt keine reelle Impedanz und ihr Realteil kann auch weit weg von den üblichen 50 Ω liegen. Die unvermeidbaren Verluste eines Anpassungsnetzwerks können berücksichtigt werden.
Hier soll nicht auf die Details von 4nec2 und Wattwächter eingegangen werden. Es gibt hinreichend gute Beschreibungen zu 4nec2 in diversen Foren und für Wattwächter auf der Seite der Bundesnetzagentur. Ich will lediglich dokumentieren, wie ich bei der Berechnung und Anmeldung meiner eigenen, hier beschriebenen, Antenne vorgegangen bin.
Simulation mit 4nec2
Das Design der Antenne, die gepackte 4nec2 Eingabedatei, kann hier heruntergeladen werden. Sie kann direkt mit 4nec2 geöffnet werden und es wird sofort die Struktur der Antenne angezeigt:
Nun sollte man zunächst die Frequenz für die nachfolgenden Simulationen einstellen. Dazu wird mit F6 oder über das Edit Menü der Editor aufgerufen. Im Reiter „Freq./Ground“ stellt man oben links die Frequenz ein:
Für das hier beschriebene Beispiel bleibe ich bei 10,1 MHz und dem 30-m-Band. Als Environment sollte „Free-space“ gewählt werden, weil Wattwächter selbst eine eigene Umgebung berücksichtigt. Für Antennensimulationen zur Bestimmung von Gewinn und Richtwirkung, ohne Verwendung von Wattwächter, sollte man hier aber ein möglichst realistisches Umfeld wählen. Das ist aber nicht Teil dieses Beitrags. Die Änderungen müssen gespeichert werden und durch Klicken auf das Taschenrechnersymbol wird die Simulation gestartet, hier zunächst das Fernfeld (die Reihenfolge ist aber egal):
Ein Klick auf Generate startet die Simulation, die weniger als eine Sekunde Laufzeit benötigt. Es wird automatisch das errechnete vertikale Strahlungsdiagramm angezeigt, das durch Drücken der Leerzeichentaste auf das horizontale Diagramm umgeschaltet werden kann. Zur Erinnerung: es gilt für den freien Raum, der Boden ist nicht berücksichtigt. Durch Drücken von Strg‑S öffnet sich ein Dialog zum Speichern des hier errechneten Fernfeldes. Hier gilt nun eine strikte Regel zur Benamung der Datei, damit Wattwächter sie später korrekt einlesen kann:
Fernfeld: antennenname_frequenz_FF.out Elektr. Nahfeld: antennenname_frequenz_NF_E.out Magn. Nahfeld: antennenname_frequenz_NF_H.out
Man wählt in diesem Beispiel also sinnvollerweise KW-Mehrband-Dipol_10,1_FF.out. Anschließend sollen die elektrischen und magnetischen Nahfelder berechnet werden. Man klickt wieder auf den Taschenrechner oder F7 und es öffnet sich der Dialog zum Simulator.
Man wählt Near Field Pattern und muß nun die Größe der rechteckigen Box um die Antenne herum und den Abstand der errechneten Punkte angeben, innerhalb derer das elektrische oder magnetische Feld bestimmt wird. Dabei gibt es einige Vorgaben zu beachten. Verstößt man dagegen, bricht Wattwächter mit kryptischen Fehlermeldungen ab, die keinerlei Hinweis auf den Verstoß erhalten. Wie in der Wattwächter Programmbeschreibung aufgelistet, gelten folgende Vorgaben:
- Start und Stop definieren einen Würfel um den Ursprung der Antenne mit einer Kantenlänge von etwa 4λ (-2λ … 2λ) in jede Richtung Insbesondere ist zu beachten, dass der berechnete Bereich die modellierte Antenne vollständig umfasst, inklusive eines zusätzlichen Bereiches um die Antenne herum. Dies ist vor allem bei Langdrahtantennen wichtig. - Auflösung (Diskretisierung) etwa λ/10, je feiner die Auflösung desto genauer die Berechnung der Größe des Schutzbereiches im Nahfeld. - Die Kantenlänge geteilt durch die Auflösung muss eine ganze Zahl sein! - Der Würfel muss symmetrisch um den Ursprung platziert sein! - Die einzelnen Punkte des Gitterwürfels dürfen nicht auf der Antenne liegen.
Man sollte sich strikt daran halten, auch wenn Wattwächter bei einem Verstoß scheinbar funktioniert. Bei irgendeiner Frequenz geht es dann plötzlich nicht mehr. Insbesondere muß vermieden werden, daß Punkte des Gitterwürfels auf der Antenne liegen. Wie oben am Beispiel des 30-m-Bandes gezeigt, wurden hier Dimensionen in X- Y- und Z‑Richtung von ‑61 m bis +61 m mit einer Auflösung von 2 m gewählt. Das entspricht der Forderung einer Größe von 4λ in jede Richtung, Symmetrie um den Ursprung und die Kantenlänge von 122 m geteilt durch die Auflösung von 2 m ist eine ganze Zahl. Da die Antenne entlang der X‑Achse liegt, ist Y immer null und somit liegt kein Punkt des Gitters auf der Antenne. Mit 2 m ist die Diskretisierung auch geringer als λ/10, was ja 3 m wären. 4nec2 begrenzt übrigens die maximale Anzahl von Gitterpunkten. Unter „Settings“, „Memory usage“, „Max-nr field-points“ kann man die maximale Anzahl einstellen. Ich habe hier mit 500.000 gearbeitet. Das scheint ein sinnvoller Kompromiss zu sein. Die Rechenzeit und die Dateigrößen steigen mit der Anzahl der Punkte.
Hier eine Tabelle der von mir verwendeten Abmessungen und Diskretisierungen:
gewählte Dimensionen für x, y und z: 1.8 MHz: Start: -325m, Stop: 325m, Step: 10m 3.5 MHz: Start: -162.5 m, Stop: 162.5 m, Step: 5m 5.4 MHz: Start: -122m, Stop: 122m, Step: 4m 7.0 MHz: Start: -82.5m, Stop: 82.5m, Step: 3m 10.1 MHz: Start: -61m, Stop: 61m, Step: 2m 14.0 MHz: Start: -40.2 m, Stop: 40.2 m, Step: 1.2m 18.1 MHz: Start: -34.5 m, Stop: 34.5 m, Step: 1 m 21.0 MHz: Start: -30m, Stop: 30m, Step: 0.8 m 24.9 MHz: Start: -26m, Stop: 26m, Step: 0.8 m 28.0 MHz: Start: -26m, Stop: 26m, Step: 0.8 m 50.0 MHz: Start: -26m, Stop: 26m, Step: 0.8 m 70.0 MHz: Start: -26m, Stop: 26m, Step: 0.8 m
Bei 50 MHz und 70 MHz ist die Bedingung der Auflösung (Lambda/10) nicht ganz erfüllt. Eine kleinere Box würde die Antenne nicht mehr komplett umschließen und eine höhere Auflösung würde die maximale Anzahl an Punkten sprengen (die man, wie oben beschrieben, aber hochsetzen könnte).
Die elektrischen und magnetischen Nahfelder werden also nun wie beschrieben berechnet und in die Dateien
KW-Mehrband-Dipol_10,1_NF_E.out und KW-Mehrband-Dipol_10,1_NF_H.out
gespeichert. In einer Fleißarbeit werden nun nacheinander die Simulationen für alle anderen gewünschten Bänder durchgeführt. Bei den oben gezeigten zwölf Bändern erhält man dann also mindestens 36 Felddateien, jede zwischen 15 und 50 MB groß, die nun in Wattwächter eingelesen werden sollen.
Wattwächter
Wattwächter fragt nach dem Start, ob es im Assistent Modus oder im Erweiterten Modus ausgeführt werden soll. Hier soll eine neue Antenne definiert werden und die erfordert den Erweiterten Modus.
Durch Anklicken des Feldes Antenne in der Spalte A öffnet sich dann der Antennenauswahl-Dialog:
Man kann aus einer Reihe vordefinierter Antennen auswählen oder durch Klicken auf „Neue Antenne“ die mit 4nec2 erzeugten Felddaten einlesen.
Durch Klicken auf NEC-Daten werden nacheinander die einzelnen Felddateien eingelesen. Es genügt dabei, für jede Frequenz nur eine der Dateien anzuklicken. Wattwächter sucht sich anhand des Namens die anderen zu dieser Frequenz gehörenden Dateien dazu. Jede bereits fehlerfrei eingelesene Datei wird in der Liste der Frequenzdaten aufgeführt. Wenn die oben genannten Vorgaben nicht penibel eingehalten wurden, kann es beim Einlesen zu den schon angedeuteten Fehlermeldungen kommen. Beliebt ist beispielsweise „Fehlerhaftes Format der NEC datei : bad number format (field)“. Dann hilft nur, die Felddateien mit korrigierten Parametern neu zu erzeugen.
Als Antennentyp kann man u.a. Langdraht oder Dipol wählen. Der Unterschied scheint nur in der Orientierung zu liegen. Eine Langdrahtantenne ist in X‑Richtung gespannt, ein Dipol in Y‑Richtung. Da der hier untersuchte Faltdipol ursprünglich als Langdrahtantenne geplant war und in X‑Richtung aufgespannt ist, wurde hier der Antennentyp Langdraht gewählt. Bei der Auswertung muß der Azimut dann entsprechend der tatsächlichen Montagerichtung eingestellt werden.
Nachdem alle Daten fehlerfrei eingelesen wurden, klickt man auf „Speichern“ und speichert alle Daten für diese Antenne in einer Datei mit sinnvollem Namen. Im Wattwächter Unterverzeichnis „UserData“ hat Wattwächter nun Dateien für jede Frequenz mit der Endung .field und eine XML-Datei mit dem gewählten Namen erzeugt.
Jetzt erscheint die neu angelegte Antenne im Auswahlmenü und kann genauso wie jede andere Antenne für die weiteren Berechnungen selektiert werden. Das weitere Vorgehen soll hier nicht mehr beschrieben werden. Man konsultiere die Wattwächter Programmbeschreibung oder mehrere Quellen im Internet.
Für die hier beschriebene Antenne ergab sich auf fast allen Bändern eine nutzbare Ausgangsleistung von mindestens 100 Watt, oft deutlich darüber. Der kleine nördliche Zipfel der Antenne, nahe an der Grundstücksgrenze, macht allerdings auf zwei Bändern Probleme: auf 160 m sind maximal 20 Watt möglich und auf dem 30-m-Band geht es nur bis maximal 50 Watt. Damit kann ich leben. Auf 160 m ist die Antenne sowieso suboptimal und auf 30 m ist auch nicht viel Aktivität zu beobachten. Vielleicht spanne ich auch irgendwann mal einen extra Draht für 160 m.