Программа моделирования антенн NEC: История и применение.

Введение

Компьютерная программа для моделирования антенн.

Численный электромагнитный код, или NEC, – популярная компьютерная программа для моделирования антенн, предназначенная для проволочных и поверхностных антенн. Изначально она была написана на FORTRAN в 1970-х годах Джеральдом Берком и Эндрю Поджио из Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора. Код был сделан общедоступным и впоследствии распространялся для множества компьютерных платформ, от мейнфреймов до персональных компьютеров. NEC широко используется для моделирования антенных конструкций, особенно распространенных типов, таких как телевизионные и радиоантенны, антенны для коротких и любительских радиосвязей, и аналогичные примеры. Примеры практически любого распространенного типа антенны можно найти в формате NEC в интернете. Несмотря на высокую адаптивность, NEC имеет свои ограничения, и для очень больших или сложных антенн, а также для специальных случаев, таких как микроволновые антенны, обычно используются другие системы. Наиболее распространенной версией является NEC 2 – последняя, выпущенная в полностью открытом доступе. Существует широкий спектр приложений, которые интегрируют код NEC 2 во фреймворки для упрощения или автоматизации типовых задач. Более поздние версии, NEC 3 и NEC 4, становятся доступными после заключения лицензионного соглашения, однако они не получили такой же популярности. Также доступны версии, использующие те же базовые методы, но основанные на совершенно новом коде, например, MININEC.

История

История NEC восходит к более ранней программе BRACT, которая использовалась для анализа антенн, состоящих из множества тонких проводов в свободном пространстве. Она была полезна для моделирования определенных распространенных типов антенн, применяемых на самолетах или космических аппаратах, или в других случаях, когда земля находилась на достаточном расстоянии, чтобы не влиять на сигналы. BRACT была разработана в начале 1970-х годов компанией MBAssociates для Центра космических и ракетных систем ВВС США. MBAssociates, названная в честь основателей Боба Майнхардта и Арта Биля, более известна разработкой ракетной винтовки Gyrojet. Успех BRACT привел к заключению второго контракта с MBAssociates, на этот раз с Лабораторией военно-морских исследований и Центром разработки авиационных систем ВВС в Риме, для адаптации кода BRACT с учетом влияния земли. Результатом стала программа моделирования антенн (Antenna Modeling Program), или AMP, которая была значительно модифицирована для поддержки файлов на дисках, упрощения ввода и вывода данных для удобства использования и обширно документирована. В последующей версии, AMP2, были добавлены расчеты для расширенных поверхностей, таких как отражатели. NEC является продвинутой версией AMP2, обладающей большим количеством опций и функций. Она была написана программистами в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL) по контракту с Центром морских океанических систем и Лабораторией вооружений ВВС. В оригинальной версии NEC была добавлена более точная система для расчета токов вдоль проводов и в местах их соединения, а также опция, повышающая точность при использовании толстых проводов с небольшим отношением длины к диаметру. NEC 2 добавила две основные функции к оригинальной NEC: численную функцию Грина для работы с большими плоскостями и расширение кода для моделирования земной плоскости, позволяющее учитывать частично диэлектрические материалы, более реалистичные для антенн, расположенных вблизи земли. С выпуском NEC 2 оригинальная версия стала известна как NEC 1. Все эти программы появились в эпоху мэйнфреймов и изначально работали на компьютерах Control Data. Код был написан на FORTRAN и предназначен для приема входных данных из стопок перфокарт в формате с разделителями по столбцам и последующей печати результатов на строчном принтере. Эти ранние версии были широко портированы на множество других крупных вычислительных платформ. AMP добавила поддержку дисковых файлов, эмулируя исходную систему, записывая данные с одной перфокарты в текстовый файл, состоящий из 80 столбцов, при этом весь файл представлял собой колоду карт. С переходом от ввода с перфокарт к использованию текстовых файлов появилось множество слегка отличающихся форматов файлов, которые позже были описаны как «близкие к свободному формату». Версии для платформы MS DOS появились в конце 1980-х годов, в основном с использованием компиляторов FORTRAN, способных компилировать исходный код. В более поздних версиях FORTRAN был преобразован в язык программирования C либо вручную, либо с помощью автоматизированных инструментов. Эти версии часто были ограничены ресурсами платформы. Современные версии работают на широком спектре платформ. Современные программы обычно имеют отдельный графический пользовательский интерфейс (GUI), позволяющий пользователю рисовать и редактировать антенну. После завершения GUI преобразует проект в формат файла данных NEC 2 и запускает NEC 2. Затем GUI анализирует выходные данные NEC 2 и графически отображает результаты. Разработка оригинальных кодов NEC продолжалась в LLNL, что привело к созданию NEC 3, добавившей возможность моделирования элементов, закопанных в землю или выступающих из нее, и NEC 4, которая включала в себя широкий спектр обновлений. NEC 4 формализовала уже широко распространенную практику: прием входных данных из указанного файла, отправку выходных данных в другой файл и возможность добавления комментариев к любой строке с использованием символа «!». NEC 4 также ввела новую систему лицензирования и не является программным обеспечением с открытым исходным кодом.

NEC traces its history to an earlier program, BRACT, which was used to analyze antennas consisting of many thin wires in free space. It was useful for modeling certain common types of antennas used on aircraft or spacecraft or other examples where the ground was far enough away that it did not affect the signals. BRACT was developed in the early 1970s by MBAssociates for the US Air Force's Space and Missile Systems Center. MBAssociates, named after the founding partners of Bob Mainhardt and Art Biehl, are better known for the development of the Gyrojet rocket gun. BRACT's success led to a second contract with MBAssociates, this time by the Naval Research Laboratory and USAF Rome Air Development Center, to adapt the BRACT code to consider the effect of the ground. This produced the Antenna Modeling Program, or AMP, which was extensively modified to support disk based files, simplify the input and output to make it easier to use, and extensively documented. A follow up, AMP2, added calculations for extended surfaces like reflectors. NEC is an advanced version of AMP2, with more options and features. It was written by programmers at Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) under contract to the Naval Ocean Systems Center and the Air Force Weapons Laboratory. The original NEC added a more accurate system for calculating currents along the wires, and at junctions between them, as well as an option that increased the accuracy when the wire was thick, with a low aspect ratio compared to its length. NEC 2 added two major features to the original NEC, a numerical Green's function for working with large planes, and an expansion of the ground plane code to deal with partially lossy materials that are more realistic for antennas near the ground. With the release of NEC 2, the original became known as NEC 1. All of these programs originated in the mainframe era, originally running on Control Data machines. The code was written in FORTRAN and designed to take input from punched card stacks in column delimited format and then print the results on a line printer. These early versions were widely ported to a number of other big iron platforms. AMP added support for disk based files by emulating the original system, writing out the data from a single punch card to 80 column line in a text file, with the file as a whole representing a deck of cards. With the move from punch card input to the use of text files, a profusion of slightly different file formats appeared, which was later described as "close to free format". Versions were introduced on the MS DOS platform in the late 1980s, mostly using FORTRAN compilers capable of compiling the original code. Later versions converted the FORTRAN to the C programming language, either by hand or using automated tools. These versions were often limited by the platform's resources. Modern versions run on a wide variety of platforms. Modern programs usually have a separate graphical user interface (GUI) that allows the user to draw and edit the antenna. When that is complete, the GUI converts the design into the NEC 2 deck file format and runs NEC 2. The GUI then parses NEC 2's output and graphically displays the results. Development of the original NEC codes continued at LLNL, producing NEC 3 which added the ability to model elements buried in or projecting out of the ground, and NEC 4, which included a wide variety of updates. NEC 4 formalized what was already widely the case, taking input from a specified file, sending output to another file, and allowing comments to be added to any line using the ! character. NEC 4 also introduced a new licensing system, and is not available as open source.

Как это работает

Код основан на методе моментов для решения интегрального уравнения электрического поля (EFIE) для тонких проводов и интегрального уравнения магнитного поля (MFIE) для замкнутых проводящих поверхностей. Он использует итеративный метод для вычисления токов в наборе проводов и результирующих полей. Расчет начинается с определения электрического поля в пространстве для радиосигнала заданной частоты, обычно распространяющегося вдоль оси X в трехмерном пространстве. Это поле однородно по осям Y и Z, но изменяется вдоль оси X; величина сигнала в любой точке вдоль X определяется фазой в данный момент времени. Антенны работают, поскольку поле изменяется во времени по мере прохождения волнового фронта мимо антенны. Это изменяющееся поле индуцирует ток в проводниках, а напряжение определяется величиной поля в данный момент. Антенна состоит из протяженных, но конечных проводников, поэтому распределение поля приводит к различным напряжениям в разных точках вокруг антенны. В антенной терминологии каждый из проводников, составляющих антенну, называется элементом. Для расчета суммарного результата NEC разбивает элементы антенны на ряд точек дискретизации, называемых сегментами. Он использует простые вычисления, основанные на диаметре проводника и длине волны сигнала, для определения индуцированного напряжения и токов в каждом из этих сегментов. В зависимости от расположения проводов, индуцированные токи в некоторых сегментах могут усиливать или ослаблять токи в других. NEC суммирует все эти значения для определения суммарного тока в каждом из проводников. Когда по проводнику протекает переменный ток, он излучает электромагнитную волну (радиоволну). В многоэлементных антеннах поля, создаваемые токами в одном элементе, индуцируют токи в других элементах. Антенны в этом отношении самодействующие; волны, переизлучаемые элементами, суперпозируются с исходным изучаемым радиосигналом. NEC вычисляет поле, возникающее в результате этих вкладов, добавляет его к исходному радиосигналу, а затем повторно запускает весь расчет с этим модифицированным полем. Поскольку переизлучаемый сигнал обычно мал по сравнению с исходным сигналом, он вносит лишь небольшое изменение, или возмущение, в результирующие токи элементов. Затем программа повторяет расчет с новыми токами элементов, получая новые поля излучения. Этот процесс повторяется до тех пор, пока полученные значения не сойдутся. NEC использует отдельный метод для расчета вклада протяженных плоскостей материала, таких как отражатель из проволочной сетки. В этом случае плоскость рассматривается как единое целое, а магнитный вклад вычисляется напрямую и возвращается в расчет после учета вклада отдельных проводов. Аналогичные интегральные решения используются для расчета эффектов плоскости земли. Кроме того, индуктивные и емкостные нагрузки, изолированные линии передачи, расположенные над землей и под землей, и другие общие компоненты расширенной антенной системы также моделируются с использованием более простых численных методов. Расчеты обычно сходятся быстро. Затем выходные данные отбираются в точке, заданной пользователем, – нагрузке. В реальной антенне это обычно место подключения провода к передатчику или приемнику. Результатом является значение, указывающее на энергию, доставленную нагрузке при приеме, или количество энергии, поглощенной антенной при передаче. Затем NEC повторяет всю эту серию вычислений, изменяя сигнал так, чтобы он подходил к антенне под разными углами вдоль осей X и Y, сохраняя результаты для каждой комбинации углов. Затем результаты нормализуются к самому сильному принятому сигналу (почти всегда при X и Y = 0, или "в лоб") для создания трехмерной диаграммы, иллюстрирующей относительный коэффициент усиления для каждого угла. Коэффициент усиления относительно изотропной антенны (dBi), отношение переднего и заднего усиления, коэффициент стоячей волны и общая диаграмма направленности очевидны из этих данных. Программы часто обрабатывают эти данные в более распространенные формы, такие как диаграммы Смита. Алгоритм не имеет теоретических ограничений по размеру и может применяться к очень большим антенным решеткам или для детального моделирования очень маленьких антенных систем. Алгоритм доказал свою надежность (вероятность сходимости к решению) и точность (вероятность получения результатов, сопоставимых с измеренными характеристиками) при моделировании тонких элементных структур, таких как антенны Яги и радиовышки. Движок NEC также поддерживает моделирование патч-антенн. Он может использоваться, но не очень хорошо подходит для антенн с прорезями в волноводе, фрактальных антенн или аналогичных конструкций, в которых проводящие элементы не имеют форму стержней. Алгоритм метода моментов имеет практические ограничения; количество вычислений, необходимых для моделирования трехмерной структуры из N излучающих элементов, примерно пропорционально кубу N. Моделирование антенны со 100 сегментами провода требует 100^3 = 1 миллион вычислений. Увеличение количества элементов в 10 раз требует 1000^3 = 1 миллиард вычислений, что увеличивает время вычислений в 1000 раз, при условии, что моделирование завершится с учетом ограничений памяти и т. д. Следовательно, для моделирования больших структур предпочтительны другие подходы, такие как геометрическая оптика. Большинство программ, использующих NEC, включают функции для пакетного запуска вычислений NEC для получения составного результата. Типичный пример – запуск всего набора вычислений для разных входных частот, а затем построение результатов на одном графике. Можно использовать это для сканирования частот УВЧ-телевидения, например, создавая диаграмму, иллюстрирующую коэффициент усиления в этом диапазоне. Другой распространенной функцией является итеративный решатель, который изменяет заданный параметр между запусками, например, расстояние между элементами, чтобы максимизировать производительность. Эти операции высоко независимы и могут быть тривиально распараллелены на современных машинах.

The code is based on the method of moments solution of the electric field integral equation (EFIE) for thin wires and the magnetic field integral equation (MFIE) for closed, conducting surfaces. It uses an iterative method to calculate the currents in a set of wires, and the fields that result. The calculation starts by calculating the electrical field in space for a radio signal of a given frequency, normally traveling along the X axis in three dimensional space. This field is uniform in Y and Z, but varies along the X axis; the signal's magnitude at any point along X is defined by the phase at that instant. Antennas work because the field changes over time as the wavefront moves past the antenna. This changing field induces current in conductors, the voltage being defined by the magnitude of the field at that instant. An antenna consists of extended but finite length conductors, so the pattern of the field results in different voltages at different points around the antenna. In antenna terms, each of the conductors making up the antenna is known as an element. To calculate the net result, NEC breaks the antenna's elements into a number of sampled points, called segments. It uses simple calculations based on the diameter of the conductor and the wavelength of the signal to determine the induced voltage and currents at each of these segments. Depending on the arrangement of the wires, the induced currents in some segments will reinforce or resist the currents in others. NEC sums all of these to determine the net current in each of the conductors. When alternating current flows in a conductor it radiates an electromagnetic wave (radio wave). In multi element antennas, the fields due to currents in one element induce currents in the other elements. Antennas are self interacting in this respect; the waves reradiated by the elements superimpose on the original radio signal being studied. NEC calculates the field resulting from these contributions, adds it to the original radio signal, and then runs the entire calculation again with this modified field. Because the reradiated signal is normally small compared to the original signal, it only produces a small change, or perturbation, in the resulting element currents. The program then repeats the calculation again with the new element currents, getting new radiation fields. This process is repeated until resulting values converge. NEC uses a separate method to calculate the contribution of extended planes of material, like a wire mesh reflector. In this case, the plane is considered as a unit and the magnetic contribution is calculated directly and fed back into the calculation once the contributions from the individual wires are considered. Similar integral solutions are used to calculate the effects of the ground plane. Similarly, inductive and capacitive loads, insulated transmission wires above and buried in the ground and other common parts of an extended antenna system are also modeled using simpler numeric methods. The calculations normally converge rapidly. The output is then sampled at a user defined point, the load. In a real antenna, this is normally where the wire attaches for connection to the transmitter or receiver. The result is a value that indicates the energy delivered to the load on reception, or the amount of energy absorbed by the antenna during transmission. NEC then repeats this entire series of calculations while changing the signal so it approaches the antenna from different angles along the X and Y axes, storing the results for each combination of angles. The results are then normalized to the strongest signal received (almost always at X and Y = 0, or "head on") to produce a 3D pattern illustrating the relative gain for every angle. The gain relative to an isotropic antenna (dBi), front to back ratio, standing wave ratio and the general reception pattern are all evident from these numbers. Programs often process this into more common forms like Smith charts. The algorithm has no theoretical size limit and can be applied to very large arrays or for detailed modeling of very small antenna systems. The algorithm has proven reliable (likely to converge to a solution) and accurate (likely to produce results comparable to measured performance) at modeling thin element structures like Yagi antennas and radiating towers. The NEC engine provides support for modeling patch antennas as well. It can be used for, but is not well suited to, slotted waveguide antennas, fractal antennas or similar designs in which the component conductive elements are not rod like. The method of moments algorithm has practical limitations as well; the number of calculations required to model a three dimensional structure of N radiating elements is roughly proportional to the cube of N. Modeling an antenna with 100 wire segments requires 1003 = 1 million calculations. Increasing the number of elements by a factor of 10 requires 10003 = 1 billion calculations, increasing the computing time by a factor of 1000, assuming the simulation completes at all given memory limitations and such. Consequently, there are other approaches such as geometric optics which are preferred for modeling large structures. Most programs using NEC include features that run batches of NEC calculations to produce a composite output. A common example is to run the entire calculation suite for different input frequencies, and then plot samples on a single chart. One might use this to sample through the UHF television frequencies, for instance, producing a diagram that illustrates the gain across the band. Another common feature is an iterative solver that adjusts a given parameter between runs, say the spacing between elements, in order to maximize performance. These operations are highly independent and can be trivially paralleled on modern machines.

БРАКТ

BRACT представлял собой реализацию метода моментов в чистом виде, подходящую для антенн, состоящих из проводников одинакового диаметра, расположенных в свободном пространстве и соединенных между собой на концах (при наличии таковых). Он не учитывал влияние земли (или воды) и был наиболее полезен для применения в авиационной и космической технике.

АМП

AMP модифицировал BRACT, добавив систему расчета влияния земляных плоскостей.

AMP2

AMP2 добавил возможность моделирования протяженных замкнутых поверхностей.

NEC-1

Оригинальный NEC, позднее известный как NEC 1 после появления NEC 2, являлся модификацией более раннего AMP2, с добавлением более точного расчета распространения тока по проводам и в многопроводных соединениях, а также опции в моделировании проводов для значительно большей точности при работе с толстыми проводами. Была добавлена новая модель источника напряжения и внесены другие изменения для повышения точности.

NEC-2

NEC 2 - это самая новая версия кода, находящаяся в общественном достоянии и не требующая лицензии. Она не поддерживает моделирование закопанных радиалов или заземляющих стержней.

NEC-3

NEC 3 модифицировал NEC 2, добавив модель Зоммерфельда для корректного моделирования проводов, проложенных в земле или вблизи ее поверхности. NEC 4 остается собственностью Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора и Калифорнийского университета. Для использования NEC 4 требуется лицензия.

NEC-5

NEC 5 решает интегральное уравнение электрического поля для проводов и поверхностей, используя более новый метод смешанного потенциала, разработанный Рао, Уилтоном и Глиссоном. NEC 5 остается собственностью Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора и Калифорнийского университета. Для использования NEC 5 требуется лицензия. MININEC имеет некоторые известные недостатки по сравнению с NEC, наиболее заметным из которых является небольшая погрешность в расчете резонансных частот. Однако MININEC лучше обрабатывает провода разного диаметра, чем NEC 2 и, вероятно, NEC 4; это относится к параллельным проводам разного диаметра, проводам разного диаметра, соединенным под углом, и антенным элементам с изменяющимся диаметром. Размещение источников в точке пересечения двух проводов представляет проблему для NEC 2, но не для MININEC. MININEC сходится медленнее (требует большего числа сегментов) при соединении проводов под углом, при соседстве проволочных сегментов существенно различающейся длины, а также имеет менее точную модель земли.