Кіріспе

Антеннаны модельдеуге арналған компьютерлік бағдарлама. Сандық электромагнетизм коді немесе NEC – сымдық және беттік антенналар үшін танымал антенна модельдеу компьютерлік бағдарламасы. Ол бастапқыда 1970-ші жылдары Джерральд Берк және Эндрю Погжио Лоренс Ливермор ұлттық зертханасында FORTRAN тілінде жазылған. Код жалпы пайдалану үшін ашық түрде қолжетімді болды және кейіннен негізгі компьютерлерден жеке компьютерлерге дейін көптеген компьютерлік платформалар үшін таратылды. NEC антенна дизайндарын модельдеу үшін кеңінен қолданылады, әсіресе теледидар және радио антенналары, қысқа толқынды және әуесқой радио байланысы, сондай-ақ осыған ұқсас мысалдар сияқты кең таралған дизайндар үшін. Кез келген әдеттегі антенна түрінің мысалдары NEC форматында интернеттен табылуы мүмкін. Өте бейімделгіш болса да, NEC-тің шектері бар, сондықтан өте үлкен немесе күрделі антенналар немесе микротолқынды антенналар сияқты ерекше жағдайларда басқа жүйелер жиі қолданылады. Ең көп таралған нұсқасы – NEC 2, соңғы толық ашық түрде жарияланған нұсқа. NEC 2 кодын жалпы міндеттерді жеңілдету немесе автоматтандыру үшін шеңберлерге енгізетін қосымшалардың кең және әртүрлі нарығы бар. NEC 3 және NEC 4 нұсқалары лицензиялық келісімге қол қойғаннан кейін қолжетімді, бірақ олар бұрынғыдай танымал болған жоқ. MININEC-ті қоса алғанда, бірдей негізгі әдістерді қолданатын, бірақ толығымен жаңа кодқа негізделген нұсқалар да бар.

Тарих

NEC өзінің тарихы ертедегі BRACT бағдарламасына негізделген, ол бос кеңістікте көптеген жұқа сымдардан тұратын антенналарды талдау үшін пайдаланылған. Бұл ұшақтарда немесе ғарыш кемелерінде немесе жердің сигналдарға әсер етпейтін жеткілікті қашықтықта орналасқан басқа да мысалдарда қолданылатын антенналардың белгілі бір жалпы түрлерін модельдеу үшін пайдалы болды. BRACT-ті 1970 жылдардың басында MBAssociates компаниясы АҚШ Әскери-әуе күштерінің Ғарыш және зымыран жүйелері орталығы үшін әзірледі. MBAssociates компаниясы Боб Майнхардт пен Арт Бильдің құрылтайшыларының есімдерімен аталады, олар Gyrojet зымыранды қаруын жасаумен танымал. BRACT-тің табысы MBAssociates компаниясымен екінші келісімшартқа қол қойды, бұл жолы Кеме қатынасы ғылыми-зерттеу зертханасы мен АҚШ Әскери-әуе күштерінің Рим әуе даму орталығының келісімшартына сәйкес келді. Бұл Antenna Modeling Program немесе AMP-ді шығарды, ол дискіге негізделген файлдарды қолдау үшін, енгізу мен шығаруды жеңілдету үшін және кеңінен құжатталған. AMP2 қосымшасы рефлекторлар сияқты кеңейтілген беттер үшін есептеулерді қосты. NEC – бұл AMP2-нің жетілдірілген нұсқасы, оның мүмкіндіктері мен мүмкіндіктері көбірек. Ол Лоуренс Ливермор ұлттық зертханасының (LLNL) бағдарламашылары әскери-теңіз жүйелері орталығы мен Әуе күштерінің қару-жарақ зертханасымен келісімшарт бойынша жазылған. Бастапқы NEC сымдардың бойымен және олардың арасындағы түйісулерде тоқтарды есептеу үшін дәл жүйе қосты, сондай-ақ сымның қалыңдығы кезінде оның ұзындығына қарағанда төмен қатынасымен дәлдікті арттыратын опцияны қосты. NEC 2 түпнұсқа NEC-ке екі негізгі ерекшелікті қосты, үлкен жазықтықтармен жұмыс істеу үшін сандық Грин функциясы және жерге жақын антенналар үшін нақтырақ болатын ішінара жоғалған материалдарды өңдеу үшін жер тегіс кодын кеңейту. NEC 2 шығарылымымен түпнұсқа NEC 1 деп аталды. Бұл бағдарламалардың барлығы бастапқыда Control Data машиналарында жұмыс істейтін, мейнфрейм дәуірінде пайда болды. Код FORTRAN-та жазылған және перфокарталардың тізбегінен бағаналармен шектелген форматта кіріс алу үшін, содан кейін нәтижелерді сызықтық принтерге басып шығару үшін жасалған. Бұл ерте нұсқалар басқа да үлкен платформаларға кеңінен көшірілді. AMP бастапқы жүйені эмуляциялау арқылы дискіге негізделген файлдарды қолдауды қосты, деректерді тек бір перфокартадан мәтіндік файлда 80 бағандық жолға жазып, файлдың барлығы карталар жиынтығын білдіреді. Перфокарталық енгізуден мәтіндік файлдарды пайдалануға көшумен, сәл өзгеше файл пішімдерінің көптеген түрлері пайда болды, кейін "еркін форматқа жақын" деп сипатталды. MS DOS платформасында 1980-ші жылдардың соңында нұсқалар енгізілді, көбінесе FORTRAN компиляторларын қолданып, бастапқы кодты құрастыра алады. Кейінгі нұсқалар FORTRAN-ды C бағдарламалау тіліне қолмен немесе автоматтандырылған құралдарды қолдана отырып түрлендірді. Бұл нұсқалар көбінесе платформаның ресурстарымен шектелді. Қазіргі заманғы нұсқалары әртүрлі платформаларда жұмыс істейді. Қазіргі заманғы бағдарламаларда әдетте пайдаланушыға антеннаны суреттеп, өңдеуге мүмкіндік беретін жеке графикалық пайдаланушы интерфейсі (GUI) болады. Бұл аяқталғаннан кейін GUI дизайнды NEC 2 палубасының файл пішіміне аударады және NEC 2 орындайды. GUI содан кейін NEC 2 шығысын талдап, нәтижелерді графикалық түрде көрсетеді. LLNL-де бастапқы NEC кодтарын әзірлеу жалғасты, NEC 3 өндірілді, ол жерге көмілген немесе жер астынан шығатын элементтерді модельдеу мүмкіндігін қосты, ал NEC 4 көптеген жаңартуларды қамтыды. NEC 4 бұрыннан кең таралған жағдайды ресмилендірді, белгілі бір файлдан кіріс алып, шығысты басқа файлға жіберіп, кез келген жолға ! сипаты. NEC 4 сонымен қатар жаңа лицензиялық жүйе енгізді және ашық бастапқы код ретінде қол жетімді емес.

Қалай жұмыс істейді

Код негізделген сәулелі өрістің интегралдық теңдеуін (EFIE) жұқа сымдар үшін және магниттік өрістің интегралдық теңдеуін (MFIE) жабық өткізгіш беттер үшін моменттер әдісімен шешуге. Ол сымдар жиынтығындағы тоқтарды және олардан туындаған өрістерді есептеу үшін итеративті әдіс қолданады. Есептеу үш өлшемді кеңістікте X осі бойымен қозғалатын белгілі бір жиіліктің радиосигналының электр өрісін есептеуден басталады. Бұл өріс Y және Z бойынша біркелкі, бірақ X осі бойымен өзгереді; X бойындағы кез келген нүктедегі сигналдың амплитудасы сол сәттегі фазамен анықталады. Антенналардың жұмыс істеуіне себеп – толқын фронты антеннаның жанынан өтетін кезде өрістің уақыт өте өзгеруі. Бұл өзгеретін өріс өткізгіштерде ток тудырады, кернеу сол сәттегі өрістің амплитудасымен анықталады. Антенна – шекті ұзындығы бар өткізгіштерден тұрады, сондықтан өрістің конфигурациясы антеннаның әртүрлі нүктелерінде әртүрлі кернеулерге әкеледі. Антенна терминологиясында антеннаны құрайтын әрбір өткізгіш элемент деп аталады. Нәтижені есептеу үшін NEC антенна элементтерін сегменттер деп аталатын бірнеше дискретті нүктелерге бөледі. Ол өткізгіштің диаметрі мен сигналдың толқын ұзындығына негізделген қарапайым есептеулерді қолданады, бұл сегменттердің әрқайсысындағы индукцияланған кернеу мен токты анықтайды. Сымдардың орналасуына байланысты, кейбір сегменттердегі индукцияланған тоқтар басқаларындағы тоқтарды күшейтеді немесе қарсылық көрсетеді. NEC әрбір өткізгіштегі жалпы токты анықтау үшін осылардың барлығын қосады. Ауыспалы ток өткізгіште ағып тұрғанда электромагниттік толқын (радиотолқын) сәулеленеді. Көп элементті антенналарда бір элементтегі тоқтарға байланысты өрістер басқа элементтердегі тоқтарды тудырады. Антенналар осы тұрғыдан өзара әрекеттеседі; элементтер қайта сәулеленетін толқындар зерттелген бастапқы радиосигналға қосылады. NEC осы үлестерден туындаған өрісті есептейді, оны бастапқы радиосигналға қосады, содан кейін осы өзгертілген өріспен бүкіл есептеуді қайтадан орындайды. Қайта сәулеленген сигнал әдетте бастапқы сигналға қарағанда кішкентай болғандықтан, ол туындаған элементтік тоқтарда кішкентай өзгеріс немесе бұзылыс тудырады. Содан кейін бағдарлама жаңа элементтік тоқтармен есептеуді қайталайды, жаңа сәулелену өрістерін алады. Бұл процесс алынған мәндер жинақталғанша қайталанады. NEC материалдың кеңейтілген жазықтығының үлесін есептеу үшін, мысалы, сымдық торды рефлектор сияқты бөлек әдіс қолданады. Бұл жағдайда жазықтық бірлік ретінде қарастырылады және магниттік үлес тікелей есептеледі және жеке сымдардың үлесін ескергеннен кейін есептеуге қайтарылады. Жердің жазықтығының әсерін есептеу үшін ұқсас интегралды шешімдер қолданылады. Сонымен қатар, индуктивті және сыйымдылық жүктемелер, үстіне және жерге көмілген оқшауланған тарату сымдары және кеңейтілген антенна жүйесінің басқа да жалпы бөліктері де қарапайым сандық әдістерді қолдана отырып модельдендіріледі. Есептеулер әдетте жылдам жинақталады. Содан кейін нәтиже пайдаланушы анықтаған нүктеде, жүктемеде дискреттеледі. Нақты антеннада бұл әдетте сымның таратушымен немесе қабылдағышпен қосылуы үшін бекітілетін жері. Нәтиже – қабылдау кезінде жүктемеге жеткізілген энергияны немесе тарату кезінде антенна сіңіретін энергия мөлшерін көрсететін мән. NEC сигналды өзгерте отырып, осы есептеулердің бүкіл сериясын қайталайды, сондықтан ол X және Y осьтері бойынша әртүрлі бұрыштардан антеннаға жақындап, бұрыштардың әр комбинациясының нәтижелерін сақтайды. Нәтижелер кейін әр бұрыш үшін салыстырмалы пайданы көрсететін 3D үлгісін жасау үшін ең күшті сигналға қалыпқа келтіріледі (әлде қашан X және Y = 0 немесе "алдынан"). Изотроптық антеннаға (dBi) қатысты пайда, алдыңғы-артқы қатынас, тұрақ толқын қатынасы және жалпы қабылдау үлгісі осы сандардан көрінеді. Бағдарламалар көбінесе осы мәліметтерді Смит диаграммалары сияқты кең таралған формаларға түрлендіреді. Алгоритмнің теориялық өлшем шектері жоқ және оны өте үлкен массивтерге немесе өте кішкентай антенна жүйелерін егжей-тегжейлі модельдеуге қолдануға болады. Алгоритм сенімді (шешімге жетуге бейім) және дәл (өлшенген өнімділікке ұқсас нәтижелер беруге бейім) болып шықты, мысалы, Яги антенналары және сәулелендіру мұнараларын модельдеуде. NEC қозғалтқышы жапсырмалы антенналарды модельдеуді де қолдайды. Ол ойықталған толқын жетек антенналары, фракталды антенналар немесе құрауындағы өткізгіш элементтері таяқ тәрізді емес конструкциялар үшін де қолданылуы мүмкін, бірақ оларға тиімді емес. Моменттер әдісі алгоритмінің практикалық шектемелері де бар; N сәулелендіру элементтерінен тұратын үш өлшемді құрылымды модельдеу үшін қажетті есептеулер саны шамамен N кубына пропорционал. 100 сым сегментінен тұратын антеннаны модельдеу үшін 1003 = 1 миллион есептеу қажет. Элементтер санын 10 есеге арттыру 10003 = 1 миллиард есептеуді қажет етеді, егер симуляция мүлдем аяқталса, жад шектемелері және т.б. ескерілгенде, есептеу уақытын 1000 есеге арттырады. Осылайша, үлкен құрылымдарды модельдеу үшін геометриялық оптика сияқты басқа тәсілдер артықшылыққа ие. NEC қолданатын көптеген бағдарламалар NEC есептеулерінің партияларын орындап, біріктірілген нәтижені шығару мүмкіндігін қамтиды. Көптеген жағдайларда, әртүрлі кіріс жиіліктері үшін есептеулердің толық жиынтығын орындап, содан кейін нәтижелерді бір диаграммада көрсетуге болады. Мысалы, UHF теледидар жиіліктері арқылы дискреттеуге болады, нәтижесінде жолақ бойынша пайданы көрсететін диаграмма пайда болады. Тағы бір кең таралған мүмкіндік – итеративті шешімдегіш, ол элементтер арасындағы аралық сияқты белгілі бір параметрді өзгеретін нөмірлер арасында өзгертеді, осылайша өнімділікті максималдауға болады. Бұл операциялар өте тәуелсіз және қазіргі заманғы машиналарда оңай параллельдеуге болады.

БРАКТ

BRACT – бұл моменттер әдісін таза түрде іске асыру болған, бос кеңістікте орналасқан және ұштарынан (болған жағдайда) бір-біріне қосылған, бірдей диаметрлі өткізгіштерден құралған антенналар үшін қолдануға ыңғайлы. Ол жердің (немесе судың) әсерін ескермейтін және көбінесе ұшақтар мен ғарыш кемелері сияқты қолданулар үшін пайдалы болды.

АМП

AMP BRACT-ті жер жазықтықтарының әсерін есептеу жүйесін қосып өзгертті.

АМП2

AMP2 кеңейтілген жабық беттерді модельдеуге мүмкіндік қосты.

NEC-1

Алғашқы NEC, кейін NEC 2 пайда болғаннан кейін NEC 1 деп аталды, ол бұрынғы AMP2-нің өңделген нұсқасы болып табылды. Оған сымдар бойымен және көптеген сымдардың қосылған жерлерінде тоқтың дәл кеңеюі қосылды, сондай-ақ қалың сымдарда жоғары дәлдікке мүмкіндік беретін сымдарды модельдеу опциясы енгізілді. Кернеу көзі үшін жаңа модель қосылды және дәлдікті арттыру мақсатында бірнеше басқа өзгерістер жасалды.

NEC-2

NEC 2 - лицензиясы жоқ, жалпы қолданысқа арналған кодтың ең жоғары нұсқасы. Ол жерге көмілген радиалдарды немесе жер тіректерін модельдей алмайды.

NEC-3

NEC 3, жер астында немесе жерге жақын орналасқан сымдарды дұрыс модельдеу үшін Sommerfeld моделін қосып, NEC 2-ні өзгертті. NEC 4 Лоренс Ливермор Ұлттық зертханасы мен Калифорния университетінің меншігінде қалады. NEC 4 пайдалану үшін лицензия талап етеді.

NEC-5

NEC 5 Рао, Уилтон және Глиссон әзірлеген жаңа аралас потенциал әдісін қолдана отырып, сымдар мен беттер үшін электр өрісінің интегралдық теңдеуін шешеді. NEC 5 Лоренс Ливермор ұлттық зертханасы мен Калифорния университетінің меншігі болып қала береді. NEC 5 пайдалануға лицензия қажет. MININEC, NEC-ке қарағанда, белгілі бір кемшіліктері бар, олардың ең танымалсы – резонанстық жиіліктердің шамалы дәлдігі төмен болуы мүмкін. Дегенмен, MININEC әртүрлі диаметрдегі сымдарды NEC 2 және, мүмкін, NEC 4-тен жақсырақ өңдейді; бұған параллель сымдардың әртүрлі диаметрде болуы, сымдардың бұрышта жалғануы және диаметрі өзгеріп отыратын антенна элементтері жатады. Екі сымның қиылыс нүктесіне көздерді орналастыру NEC 2 үшін қиындық туғызады, бірақ MININEC үшін емес. MININEC бұрышта қосылған сымдарда, айтарлықтай ұзындығы әртүрлі сым сегменттерінің жанында жиналу жылдамдығы төмендейді (көп сегменттерді қажет етеді) және жер моделі нашаррақ.