Войти
Диаграмма направленности спиральной антенны 2,4 ГГц (моделирование NEC). Численный Электромагнетизм код, или NEC, является популярной антенной моделирования системы для проволоки и поверхностных антенн. Первоначально он был написан на FORTRAN в 1970-х Джеральдом Бёрком и Эндрю Поджио из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса. Код стал общедоступным для общего использования и впоследствии был распространен для многих компьютерных платформ от мэйнфреймов до ПК.
NEC широко используется для моделирования конструкций антенн, особенно для таких распространенных конструкций, как телевизионные и радиоантенны, коротковолновое и любительское радио и тому подобное. Примеры практически любого распространенного типа антенны можно найти в формате NEC в Интернете. Несмотря на высокую адаптируемость, NEC имеет свои ограничения, и другие системы обычно используются для очень больших или сложных антенн или особых случаев, таких как микроволновые антенны.
Самая распространенная версия - это NEC-2, последняя версия, которая была выпущена в полностью общедоступной форме. Существует широкий и разнообразный рынок приложений, которые встраивают код NEC-2 в рамки для упрощения или автоматизации общих задач. Более поздние версии, NEC-3 и NEC-4, доступны после подписания лицензионного соглашения. Они не были так популярны. Также доступны версии, использующие те же базовые методы, но основанные на совершенно новом коде, включая MININEC.
NEC ведет свою историю с более ранней программы BRACT, которая использовалась для анализа антенн, состоящих из множества тонких проводов в свободном пространстве. Это было полезно для моделирования некоторых распространенных типов антенн, используемых на самолетах или космических кораблях, или в других примерах, где земля находилась достаточно далеко и не влияла на сигналы. Прицветник был разработан в начале 1970 - х годов MBAssociates для ВВС США «s пространства и ракетных систем Центра. MBAssociates, названная в честь партнеров-основателей Боба Майнхардта и Арта Биля, более известна разработкой ракетного орудия Gyrojet.
Успех BRACT привел к заключению второго контракта с MBAssociates, на этот раз с Лабораторией военно-морских исследований и Центром развития авиации ВВС США в Риме, на адаптацию кода BRACT с учетом воздействия земли. Это привело к созданию программы моделирования антенн или AMP, которая была значительно изменена для поддержки файлов на дисках, упрощения ввода и вывода для облегчения использования и обширной документации. В последующем, AMP2, были добавлены вычисления для протяженных поверхностей, таких как отражатели.
NEC - это расширенная версия AMP2 с большим количеством опций и функций. Он был написан программистами Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) по контракту с Центром морских океанских систем и Лабораторией вооружений ВВС. Оригинальный NEC добавил более точную систему для расчета токов вдоль проводов и на стыках между ними, а также опцию, которая увеличивала точность, когда провод был толстым, с низким соотношением сторон по сравнению с его длиной. NEC-2 добавил две основные функции к исходному NEC, числовую функцию Грина для работы с большими плоскостями и расширение кода заземления для работы с материалами с частичными потерями, которые более реалистичны для антенн вблизи земли. С выпуском NEC-2 оригинал стал известен как NEC-1.
Все эти программы возникли в эпоху мэйнфреймов и изначально работали на машинах Control Data. Код был написан на FORTRAN и предназначен для приема входных данных из стопок перфокарт в формате с разделителями столбцов и последующей печати результатов на строчном принтере. Эти ранние версии были широко перенесены на ряд других железных платформ. В AMP добавлена поддержка файлов на диске, имитируя исходную систему, записывая данные с одной перфокарты в строку из 80 столбцов текстового файла, при этом файл в целом представляет собой колоду карт. С переходом от ввода перфокарт к использованию текстовых файлов появилось множество немного разных форматов файлов, которые позже были описаны как «близкие к свободному формату».
Версии были представлены на платформе MS-DOS в конце 1980-х годов, в основном с использованием компиляторов FORTRAN, способных компилировать исходный код. Более поздние версии преобразовали FORTRAN в язык программирования C вручную или с использованием автоматизированных инструментов. Эти версии часто были ограничены ресурсами платформы. Современные версии работают на самых разных платформах. Современные программы обычно имеют отдельный графический интерфейс пользователя (GUI), который позволяет пользователю рисовать и редактировать антенну. Когда это будет завершено, графический интерфейс преобразует дизайн в формат файла колоды NEC-2 и запустит NEC-2. Затем графический интерфейс анализирует вывод NEC-2 и графически отображает результаты.
Разработка исходных кодов NEC продолжалась в LLNL, создавая NEC-3, в котором была добавлена возможность моделировать элементы, заглубленные в землю или выступающие из земли, и NEC-4, в которую было внесено множество обновлений. NEC-4 формализовала то, что уже было широко распространено, принимая ввод из указанного файла, отправляя вывод в другой файл и позволяя добавлять комментарии к любой строке с использованием !символа. NEC-4 также представила новую систему лицензирования и не доступна в виде открытого исходного кода.
Код основан на методе решения моментов интегрального уравнения электрического поля (EFIE) для тонких проводов и интегрального уравнения магнитного поля (MFIE) для замкнутых проводящих поверхностей. Он использует итерационный метод для расчета токов в наборе проводов и получаемых полей.
Вычисление начинается с вычисления электрического поля в пространстве для радиосигнала заданной частоты, обычно перемещающегося вдоль оси X в трехмерном пространстве. Это поле однородно по Y и Z, но меняется по оси X ; величина сигнала в любой точке по оси X определяется фазой в этот момент. Антенны работают, потому что поле со временем меняется, когда волновой фронт проходит мимо антенны. Это изменяющееся поле индуцирует ток в проводниках, причем напряжение определяется величиной поля в данный момент. Антенна состоит из протяженных проводников конечной длины, поэтому диаграмма поля приводит к разным напряжениям в разных точках вокруг антенны. В терминах антенны каждый из проводников, составляющих антенну, известен как элемент.
Для расчета конечного результата NEC разбивает элементы антенны на несколько точек выборки, называемых сегментами. Он использует простые вычисления, основанные на диаметре проводника и длине волны сигнала, чтобы определить наведенное напряжение и токи на каждом из этих сегментов. В зависимости от расположения проводов индуцированные токи в одних сегментах будут усиливать токи в других или сопротивляться им. NEC суммирует все это, чтобы определить чистый ток в каждом из проводников.
Когда в проводнике течет переменный ток, он излучает электромагнитную волну (радиоволну). В многоэлементных антеннах поля из-за токов в одном элементе индуцируют токи в других элементах. В этом отношении антенны самовзаимодействуют; волны, переизлучаемые элементами, накладываются на исходный изучаемый радиосигнал. NEC вычисляет поле, полученное в результате этих вкладов, добавляет его к исходному радиосигналу, а затем снова выполняет все вычисления с этим измененным полем. Поскольку переизлученный сигнал обычно мал по сравнению с исходным сигналом, он вызывает лишь небольшое изменение или возмущение результирующих токов элементов. Затем программа снова повторяет расчет с новыми токами элементов, получая новые поля излучения. Этот процесс повторяется до тех пор, пока результирующие значения не сойдутся.
NEC использует отдельный метод для расчета доли протяженных плоскостей материала, например отражателя из проволочной сетки. В этом случае плоскость рассматривается как единое целое, и магнитный вклад рассчитывается напрямую и возвращается в расчет после того, как учитываются вклады от отдельных проводов. Подобные интегральные решения используются для расчета влияния плоскости заземления. Аналогичным образом индуктивные и емкостные нагрузки, изолированные передающие провода над землей и заглубленные в землю, а также другие общие части расширенной антенной системы также моделируются с использованием более простых числовых методов.
Расчеты обычно быстро сходятся. Затем выходные данные дискретизируются в определяемой пользователем точке - нагрузке. В реальной антенне это обычно место, где прикрепляется провод для подключения к передатчику или приемнику. Результатом является значение, которое указывает энергию, подаваемую на нагрузку при приеме, или количество энергии, поглощаемой антенной во время передачи.
Затем NEC повторяет всю эту серию вычислений, изменяя сигнал, чтобы он приближался к антенне под разными углами по осям X и Y, сохраняя результаты для каждой комбинации углов. Затем результаты нормализуются к самому сильному полученному сигналу (почти всегда при X и Y = 0, или «в лоб») для создания трехмерного рисунка, иллюстрирующего относительное усиление для каждого угла. Усиления по отношению к изотропной антенне (дБи), спереди-назад соотношение, коэффициент стоячей волны и общей схеме приема все видно из этих цифр. Программы часто преобразуют это в более общие формы, такие как диаграммы Смита.
Алгоритм не имеет теоретических ограничений по размеру и может применяться к очень большим решеткам или для детального моделирования очень маленьких антенных систем. Алгоритм оказался надежным (вероятно, сойдется к решению) и точным (вероятно, даст результаты, сравнимые с измеренными характеристиками) при моделировании структур из тонких элементов, таких как антенны Yagi и излучающие башни. Механизм NEC также поддерживает моделирование патч-антенн. Его можно использовать, но не очень хорошо, для щелевых волноводных антенн, фрактальных антенн или аналогичных конструкций, в которых составляющие проводящие элементы не являются стержневыми.
Алгоритм метода моментов также имеет практические ограничения; количество вычислений, необходимых для моделирования трехмерной структуры N излучающих элементов примерно пропорционально кубу N. Для моделирования антенны со 100 сегментами проводов требуется 100 3 = 1 миллион вычислений. Для увеличения количества элементов в 10 раз требуется 1000 3 = 1 миллиард вычислений, увеличивая время вычислений в 1000 раз, предполагая, что моделирование завершается при всех данных ограничениях памяти и тому подобном. Следовательно, существуют другие подходы, такие как геометрическая оптика, которые предпочтительны для моделирования больших конструкций.
Большинство программ, использующих NEC, включают функции, которые запускают пакеты вычислений NEC для получения составного вывода. Типичный пример - запустить весь набор вычислений для разных входных частот, а затем построить образцы на одной диаграмме. Это можно было бы использовать для выборки телевизионных частот УВЧ, например, для построения диаграммы, которая иллюстрирует усиление по всему диапазону. Еще одна общая особенность - это итеративный решатель, который регулирует заданный параметр между прогонами, например, интервал между элементами, чтобы максимизировать производительность. Эти операции в высшей степени независимы, и их можно тривиально выполнить на современных машинах.
Входной файл NEC представляет собой последовательность строк; входной файл известен как «колода» (от «колода карт», что означает исходный формат перфокарт) и использует расширение файла .deckили .nec. Каждая строка текста или «карта» начинается с одного из нескольких десятков идентификаторов, которые указать, как следует интерпретировать линию. Одним из наиболее распространенных идентификаторов, встречающихся в кодах NEC, является GW, который определяет одиночный провод (элемент) в антенне. Его определение:
GW ITG NS XW1 YW1 ZW1 XW2 YW2 ZW2 RADСтроковый литерал GWидентифицирует это как линию, описывающую геометрию прямого провода. Параметр ITG, сокращенно от «целочисленный тег», представляет собой предоставленный пользователем номер, используемый для идентификации («тега») этого элемента. Параметр NS определяет количество сегментов, на которые провод должен быть разделен при расчете; использование большего количества сегментов приводит к разрыву провода на более мелкие части и может дать более точные результаты за счет увеличения времени вычислений. Следующие шесть параметров являются действительными числами, которые определяют положения X, Y и Z двух конечных точек провода. Наконец, параметр RAD - это радиус провода. Если он установлен на ноль, то следующая строка должна быть GCлинией, которая включает дополнительную информацию для определения сужающихся стержней.
В следующем примере полной входной деки моделируется логопериодическая антенна, подобная тем, которые используются для приема телевидения в диапазоне УКВ:
Эта 16-элементная логопериодическая конструкция аналогична 12-элементной, моделируемой в демонстрационной колоде. CM TESTEX5 CM 12 ELEMENT LOG PERIODIC ANTENNA IN FREE SPACE CM 78 SEGMENTS. SIGMA=O/L RECEIVING AND TRANS. PATTERNS. CM DIPOLE LENGTH TO DIAMETER RATIO=150. CE TAU=0.93. SIGMA=0.70. BOOM IMPEDANCE=50. OHMS. GW 1 5 0.0000 -1.0000 0.0000000 0.00000 1.0000 0.000.00667 GW 2 5 -.7527 -1.0753 0. -.7527 1.0753 0..00717 GW 3 5 -1.562 -1.1562 0. -1.562 1.1562 0..00771 GW 4 5 -2.4323 -1.2432 0. -2.4323 1.2432 0..00829 GW 5 5 -3.368 -1.3368 0. -3.368 1.3368 0..00891 GW 6 7 -4.3742 -1.4374 0. -4.3742 1.4374 0..00958 GW 7 7 -5.4562 -1.5456 0. -5.4562 1.5456 0..0103 GW 8 7 -6.6195 -1.6619 0. -6.6195 1.6619 0..01108 GW 9 7 -7.8705 -1.787 0. -7.8705 1.787 0..01191 GW 10 7 -9.2156 -1.9215 0. -9.2156 1.9215 0..01281 GW 11 9 -10.6619 -2.0662 0. -10.6619 2.0662 0..01377 GW 12 9 -12.2171 -2.2217 0. -12.2171 2.2217 0..01481 GE FR 0 0 0 0 46.29 0. TL 1 3 2 3 -50. TL 2 3 3 3 -50. TL 3 3 4 3 -50. TL 4 3 5 3 -50. TL 5 3 6 4 -50. TL 6 4 7 4 -50. TL 7 4 8 4 -50. TL 8 4 9 4 -50. TL 9 4 10 4 -50. TL 10 4 11 5 -50. TL 11 5 12 5 -50.,0.,0.,0.,.02 EX 0 1 3 10 1 RP 0 37 1 1110 90. 0. -5. 0. EN
Пример начинается с нескольких CMстрок (комментариев), за которыми следует последний комментарий в CEстроке (конец комментария). За CEсимволом должны следовать геометрические линии (строки, команды которых начинаются с буквы G.
В этом случае геометрическая часть состоит из двенадцати GWэлементов, составляющих антенну. Каждый элемент длиннее предыдущего, и для обеспечения точности более поздние элементы разделены на большее количество сегментов. Во всех измерениях в NEC используются метры, поэтому первый элемент имеет ширину 2 метра, от -1 до 1. GEЛиния указывает конец геометрического раздела. На этом этапе NEC сканирует геометрию на предмет перекрывающихся конечных точек, которые затем соединяет вместе, чтобы сделать один более длинный проводник. GEЛиния также имеет один вход, который указывает, присутствует ли заземления; в этом примере это не указано, поэтому антенна расположена над «стандартной землей».
Затем FRлиния устанавливает тестовую частоту 46,29 МГц. FRлинии могут дополнительно определять количество и величину шагов частоты, если система используется для анализа характеристик в диапазоне частот, но в данном случае это не используется. В TLлинии (линии передачи) соединяют различные элементы вместе. Их можно увидеть на большинстве логопериодических конструкций в виде двух тонких стержней, спускающихся по штанге между основными антенными элементами, хотя в некоторых конструкциях используется сама штанга или скрываются провода внутри штанги. Линия EX(возбуждения) указывает местоположение энергии, подаваемой в конструкцию, в этом случае входящая плоская волна захватывается сегментом 10, в то время как RP(диаграмма направленности) задает некоторые особенности сигнала.
Наконец, ENстрока (конец ввода) указывает, что колода завершена, и в этот момент код NEC запускает моделирование и генерирует отчеты. Отчеты начинаются с повторной печати большей части входных данных, что позволяет пользователю проверять наличие ошибок. Затем он включает длинные разделы, показывающие, как система разбивала антенну на сегменты. Наконец, он начинает перечислять вычисленные значения в табличном формате. Небольшой образец выходных данных из приведенного выше примера включает:
- - - RADIATION PATTERNS - - - - - ANGLES - - - DIRECTIVE GAINS - - - POLARIZATION - - - - E(THETA) - - - - - E(PHI) - - - THETA PHI VERT. HOR. TOTAL AXIAL TILT SENSE MAGNITUDE PHASE MAGNITUDE PHASE DEGREES DEGREES DB DB DB RATIO DEG. VOLTS/M DEGREES VOLTS/M DEGREES 90.00. 00 -999.99 9.75 9.75.00000 90.00 LINEAR 0.00000E+00.00 2.46922E+00 -66.00 85.00. 00 -999.99 9.70 9.70.00000 90.00 LINEAR 0.00000E+00.00 2.45352E+00 -65.20 [many lines removed] 30.00. 00 -999.99 2.10 2.10.00000 90.00 LINEAR 0.00000E+00.00 1.02313E+00 38.02 25.00. 00 -999.99 -.14 -.14.00000 90.00 LINEAR 0.00000E+00.00 7.90310E-01 59.26 [more lines removed]
Выходные данные показывают, что максимальное усиление антенны составляет 9,75 дБи, что чуть более чем в три раза превышает усиление изотропной антенны. Однако, когда сигнал сдвигается даже на пять градусов в сторону, он упал до 9,5. Когда вы отклоняетесь от передней части на 75 градусов, антенна начинает иметь отрицательное усиление. Это указывает на то, что эта антенна достаточно направлена, и можно было бы ожидать, что она будет иметь высокое переднее-заднее отношение.
BRACT был чистым методом реализации моментов, подходящим для использования на антеннах, состоящих из проводников одинакового диаметра, расположенных в свободном пространстве и соединенных друг с другом своими концами (если вообще). Он не моделировал вклад земли (или воды) и был в первую очередь полезен для приложений типа самолетов и космических аппаратов.
AMP модифицировала BRACT, добавив систему для расчета влияния наземных самолетов.
AMP2 добавил возможность моделировать протяженные замкнутые поверхности.
Первоначальный NEC, позже известный как NEC-1, когда был представлен NEC-2, был модификацией более раннего AMP2, добавляя более точное расширение тока вдоль проводов и в нескольких соединениях проводов, а также возможность моделирования проводов для гораздо большей точности. на толстых проводах. Была добавлена новая модель источника напряжения и несколько других модификаций для повышения точности.
NEC-2 - это высшая версия кода в общественном достоянии без лицензии. Он не может моделировать заглубленные радиалы или наземные колья.
NEC-3 модифицировал NEC-2, включив в него модель Зоммерфельда для правильного моделирования проводов, проложенных в земле или близко к ней.
NEC-4 модифицировал NEC-3, чтобы лучше моделировать очень маленькие антенны, такие как на сотовых телефонах и маршрутизаторах WiFi. Самая последняя версия, 4.2, включает улучшенную версию модели Зоммерфельда, используемую в NEC-3 для проводов в земле и вблизи земли, добавлены источники тока вместо только источников напряжения, как в более ранних моделях, и используется новая система управления памятью, которая позволяет произвольно большие конструкции.
NEC-4 остается собственностью Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса и Калифорнийского университета. NEC-4 требует лицензии.
MININEC - это независимая реализация концепций NEC. Он использует тот же метод алгоритма моментов для вычисления результатов, но с использованием полностью оригинального кода. Первые версии были написаны в 1980 году на BASIC для компьютеров Apple II емкостью 32 КБ, а после некоторых советов профессора Уилтона из Университета Миссисипи первый общедоступный выпуск был выпущен в 1982 году для компьютеров 64 КБ. Усовершенствованная версия MININEC2 была выпущена в 1984 году, после чего в 1986 году последовал перенос на IBM PC как MININEC3. Как и исходный NEC, MININEC теперь работает на многих платформах, хотя его популярность упала с более широким распространением оригинального NEC. коды в форме C.
MININEC страдает некоторыми известными недостатками по сравнению с NEC, самый известный из которых состоит в том, что резонансные частоты могут немного ошибаться. Однако MININEC обрабатывает провода разного диаметра лучше, чем NEC-2 и, вероятно, NEC-4; это включает в себя параллельные провода разного диаметра, провода разного диаметра, соединенные под углом, и элементы антенны с коническим диаметром. Размещение источников на пересечении двух проводов является проблемой для NEC-2, но не для MININEC. MININEC сходится медленнее (требует большего количества сегментов), когда провода соединяются под углом, когда сегменты проводов существенно различаются по длине, и имеет более слабую модель заземления.
