El Código Electromagnético Numérico (Numerical Electromagnetics Code , NEC ) es un popular programa informático de modelado de antenas para antenas de superficie y de cable . Fue escrito originalmente en FORTRAN durante la década de 1970 por Gerald Burke y Andrew Poggio del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore . El código se puso a disposición del público para uso general y, posteriormente, se ha distribuido para muchas plataformas informáticas, desde mainframes hasta PC.
El NEC se utiliza ampliamente para modelar diseños de antenas, en particular para diseños comunes como antenas de televisión y radio, radio de onda corta y de radioaficionado , y ejemplos similares. Se pueden encontrar ejemplos de prácticamente cualquier tipo de antena común en formato NEC en Internet. Si bien es muy adaptable, el NEC tiene sus límites y otros sistemas se utilizan comúnmente para antenas muy grandes o complejas o casos especiales como las antenas de microondas.
La versión más común es, con diferencia, la NEC-2 , la última que se publicó de forma totalmente pública. Existe un amplio y variado mercado de aplicaciones que incorporan el código NEC-2 en marcos de trabajo para simplificar o automatizar tareas habituales. Las versiones posteriores, NEC-3 y NEC-4, están disponibles tras firmar un acuerdo de licencia. Estas no han sido tan populares. También hay versiones que utilizan los mismos métodos subyacentes pero basadas en un código totalmente nuevo, como MININEC .
El origen de NEC se remonta a un programa anterior, BRACT, que se utilizaba para analizar antenas formadas por muchos cables delgados en el espacio libre. Era útil para modelar ciertos tipos comunes de antenas utilizadas en aeronaves o naves espaciales u otros ejemplos en los que el suelo estaba lo suficientemente lejos como para no afectar las señales. BRACT fue desarrollado a principios de la década de 1970 por MBAssociates para el Centro de Sistemas Espaciales y de Misiles de la Fuerza Aérea de los EE . UU. MBAssociates, que lleva el nombre de los socios fundadores Bob Mainhardt y Art Biehl, es más conocido por el desarrollo del cañón de cohetes Gyrojet . [1]
El éxito de BRACT condujo a un segundo contrato con MBAssociates, esta vez por parte del Laboratorio de Investigación Naval y el Centro de Desarrollo Aéreo de Roma de la USAF , para adaptar el código BRACT para considerar el efecto del suelo. Esto produjo el Programa de Modelado de Antenas, o AMP, que fue ampliamente modificado para admitir archivos basados en disco, simplificar la entrada y salida para que sea más fácil de usar y documentado extensamente. Un seguimiento, AMP2, agregó cálculos para superficies extendidas como reflectores. [2]
NEC es una versión avanzada de AMP2, con más opciones y características. Fue escrita por programadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) bajo contrato con el Centro de Sistemas Oceánicos Navales y el Laboratorio de Armas de la Fuerza Aérea. [2] El NEC original agregó un sistema más preciso para calcular corrientes a lo largo de los cables y en las uniones entre ellos, así como una opción que aumentaba la precisión cuando el cable era grueso, con una relación de aspecto baja en comparación con su longitud. NEC-2 agregó dos características principales al NEC original, una función numérica de Green para trabajar con aviones grandes y una expansión del código de plano de tierra para tratar con materiales parcialmente con pérdidas que son más realistas para antenas cercanas al suelo. Con el lanzamiento de NEC-2, el original pasó a conocerse como NEC-1. [2]
Todos estos programas se originaron en la era de los mainframes y se ejecutaban originalmente en máquinas de datos de control . El código se escribió en FORTRAN y se diseñó para recibir la entrada de pilas de tarjetas perforadas en formato delimitado por columnas y luego imprimir los resultados en una impresora de líneas . Estas primeras versiones se trasladaron ampliamente a varias otras plataformas de gran tamaño. AMP agregó soporte para archivos basados en disco emulando el sistema original, escribiendo los datos de una sola tarjeta perforada en una línea de 80 columnas en un archivo de texto, con el archivo en su conjunto representando una baraja de cartas. [3] Con el paso de la entrada de tarjetas perforadas al uso de archivos de texto, apareció una profusión de formatos de archivo ligeramente diferentes, que luego se describió como "formato cercano al libre". [4]
Las versiones se introdujeron en la plataforma MS-DOS a fines de la década de 1980, principalmente utilizando compiladores FORTRAN capaces de compilar el código original. Las versiones posteriores convirtieron el FORTRAN al lenguaje de programación C , ya sea a mano o utilizando herramientas automatizadas. Estas versiones a menudo estaban limitadas por los recursos de la plataforma. Las versiones modernas se ejecutan en una amplia variedad de plataformas. [3] Los programas modernos generalmente tienen una interfaz gráfica de usuario (GUI) separada que permite al usuario dibujar y editar la antena. Cuando eso está completo, la GUI convierte el diseño al formato de archivo de plataforma NEC-2 y ejecuta NEC-2. Luego, la GUI analiza la salida de NEC-2 y muestra gráficamente los resultados.
El desarrollo de los códigos NEC originales continuó en LLNL, produciendo NEC-3, que agregó la capacidad de modelar elementos enterrados o que sobresalen del suelo, y NEC-4, que incluyó una amplia variedad de actualizaciones. NEC-4 formalizó lo que ya era ampliamente el caso, tomando la entrada de un archivo específico, enviando la salida a otro archivo y permitiendo que se agreguen comentarios a cualquier línea que use el !carácter. [5] NEC4 también introdujo un nuevo sistema de licencias y no está disponible como código abierto . [6]
El código se basa en el método de solución de momentos de la ecuación integral del campo eléctrico (EFIE) para cables delgados y la ecuación integral del campo magnético (MFIE) para superficies conductoras cerradas. [7] Utiliza un método iterativo para calcular las corrientes en un conjunto de cables y los campos resultantes. [8]
El cálculo comienza calculando el campo eléctrico en el espacio para una señal de radio de una frecuencia dada, que normalmente viaja a lo largo del eje X en el espacio tridimensional. Este campo es uniforme en Y y Z , pero varía a lo largo del eje X ; la magnitud de la señal en cualquier punto a lo largo de X está definida por la fase en ese instante. Las antenas funcionan porque el campo cambia con el tiempo a medida que el frente de onda pasa por la antena. Este campo cambiante induce corriente en los conductores, y el voltaje se define por la magnitud del campo en ese instante. Una antena consta de conductores extendidos pero de longitud finita, por lo que el patrón del campo da como resultado diferentes voltajes en diferentes puntos alrededor de la antena. En términos de antena, cada uno de los conductores que componen la antena se conoce como elemento . [9]
Para calcular el resultado neto, NEC divide los elementos de la antena en una serie de puntos muestreados, llamados segmentos . Utiliza cálculos simples basados en el diámetro del conductor y la longitud de onda de la señal para determinar el voltaje y las corrientes inducidas en cada uno de estos segmentos. Dependiendo de la disposición de los cables, las corrientes inducidas en algunos segmentos reforzarán o resistirán las corrientes en otros. NEC suma todos estos para determinar la corriente neta en cada uno de los conductores. [10]
Cuando fluye corriente alterna en un conductor, irradia una onda electromagnética (onda de radio). En las antenas de múltiples elementos, los campos debidos a las corrientes en un elemento inducen corrientes en los otros elementos. Las antenas interactúan entre sí en este sentido; las ondas reirradiadas por los elementos se superponen a la señal de radio original que se está estudiando. NEC calcula el campo resultante de estas contribuciones, lo suma a la señal de radio original y luego ejecuta todo el cálculo nuevamente con este campo modificado. Debido a que la señal reirradiada normalmente es pequeña en comparación con la señal original, solo produce un pequeño cambio, o perturbación , en las corrientes de los elementos resultantes. Luego, el programa repite el cálculo nuevamente con las nuevas corrientes de los elementos, obteniendo nuevos campos de radiación. Este proceso se repite hasta que los valores resultantes convergen. [11]
NEC utiliza un método independiente para calcular la contribución de planos extendidos de material, como un reflector de malla de alambre. En este caso, el plano se considera como una unidad y la contribución magnética se calcula directamente y se retroalimenta al cálculo una vez que se consideran las contribuciones de los cables individuales. [12] Se utilizan soluciones integrales similares para calcular los efectos del plano de tierra. De manera similar, las cargas inductivas y capacitivas, los cables de transmisión aislados por encima y enterrados en el suelo y otras partes comunes de un sistema de antena extendido también se modelan utilizando métodos numéricos más simples. [13]
Los cálculos normalmente convergen rápidamente. Luego, la salida se muestrea en un punto definido por el usuario, la carga . En una antena real, este es normalmente el punto donde se conecta el cable al transmisor o receptor. El resultado es un valor que indica la energía entregada a la carga en la recepción, o la cantidad de energía absorbida por la antena durante la transmisión. [14]
NEC luego repite toda esta serie de cálculos mientras cambia la señal para que se acerque a la antena desde diferentes ángulos a lo largo de los ejes X e Y , almacenando los resultados para cada combinación de ángulos. Los resultados luego se normalizan a la señal más fuerte recibida (casi siempre en X e Y = 0, o "de frente") para producir un patrón 3D que ilustra la ganancia relativa para cada ángulo. La ganancia relativa a una antena isotrópica (dBi), la relación de adelante hacia atrás , la relación de onda estacionaria y el patrón general de recepción son todos evidentes a partir de estos números. [15] Los programas a menudo procesan esto en formas más comunes como los diagramas de Smith . [16]
El algoritmo no tiene límite de tamaño teórico y se puede aplicar a conjuntos muy grandes o para el modelado detallado de sistemas de antenas muy pequeños. El algoritmo ha demostrado ser confiable (es probable que converja hacia una solución) y preciso (es probable que produzca resultados comparables al rendimiento medido) en el modelado de estructuras de elementos delgados como antenas Yagi y torres radiantes. El motor NEC también proporciona soporte para el modelado de antenas de parche. Se puede utilizar para antenas de guía de ondas ranuradas , antenas fractales o diseños similares en los que los elementos conductores componentes no son similares a varillas, pero no es muy adecuado para ellos . [15]
El algoritmo del método de momentos también tiene limitaciones prácticas; el número de cálculos necesarios para modelar una estructura tridimensional de N elementos radiantes es aproximadamente proporcional al cubo de N. Modelar una antena con 100 segmentos de cable requiere 100 3 = 1 millón de cálculos. Aumentar el número de elementos por un factor de 10 requiere 1000 3 = 1 mil millones de cálculos, lo que aumenta el tiempo de cálculo por un factor de 1000, suponiendo que la simulación se complete en absoluto dadas las limitaciones de memoria y demás. En consecuencia, existen otros enfoques, como la óptica geométrica, que se prefieren para modelar estructuras grandes. [16]
La mayoría de los programas que utilizan NEC incluyen funciones que ejecutan lotes de cálculos NEC para producir una salida compuesta. Un ejemplo común es ejecutar todo el conjunto de cálculos para diferentes frecuencias de entrada y luego representar las muestras en un solo gráfico. Se podría utilizar esto para muestrear las frecuencias de televisión UHF , por ejemplo, y producir un diagrama que ilustre la ganancia a lo largo de la banda. Otra característica común es un solucionador iterativo que ajusta un parámetro dado entre ejecuciones, por ejemplo, el espaciado entre elementos, para maximizar el rendimiento. Estas operaciones son altamente independientes y se pueden realizar en paralelo de manera trivial en máquinas modernas. [16]
El archivo de entrada NEC es una secuencia de líneas; el archivo de entrada se conoce como "deck" (de "card deck", en referencia a los formatos originales de tarjetas perforadas) y utiliza una extensión de archivo .decko .nec. Cada línea de texto, o "tarjeta", comienza con uno de varias docenas de identificadores que indican cómo debe interpretarse la línea. Uno de los identificadores más comunes que se encuentran en los códigos NEC es GW, que define un solo cable (elemento) en la antena. Su definición es:
GW ITG NS XW1 YW1 ZW1 XW2 YW2 ZW2 RADLa cadena literal GWidentifica esto como una línea que describe la geometría de un cable recto. El parámetro ITG , abreviatura de "etiqueta de entero", es un número proporcionado por el usuario que se utiliza para identificar ("etiquetar") este elemento. El parámetro NS define la cantidad de segmentos en los que se debe dividir el cable durante el cálculo; el uso de más segmentos divide el cable en partes más pequeñas y puede producir resultados más precisos a costa de un mayor tiempo de cálculo. Los siguientes seis parámetros son números reales que definen las ubicaciones X , Y y Z de los dos puntos finales del cable. Finalmente, el parámetro RAD es el radio del cable. Si se establece en cero, la siguiente línea debe ser una GClínea que incluya información adicional para definir las varillas cónicas. [17]
El siguiente ejemplo de un deck de entrada completo modela una antena log-periódica , como las que se utilizan para la recepción de televisión VHF:
Prueba CM 5ANTENA PERIÓDICA LOGARITARIA DE 12 ELEMENTOS CM EN ESPACIO LIBRECM 78 SEGMENTOS. SIGMA=O/L PATRONES DE RECEPCIÓN Y TRANSMISIÓN.RELACIÓN ENTRE LA LONGITUD Y EL DIÁMETRO DEL DIPOLO CM=150.CE TAU=0,93. SIGMA=0,70. IMPEDANCIA DE LA PLUMA=50. OHMIOS.GW 1 5 0,0000 -1,0000 0,0000000 0,00000 1,0000 0,000 .00667GW 2 5 -.7527 -1.0753 0. -.7527 1.0753 0. .00717GW 3 5 -1,562 -1,1562 0. -1,562 1,1562 0. .00771GW 4 5 -2,4323 -1,2432 0. -2,4323 1,2432 0. .00829GW 5 5 -3,368 -1,3368 0. -3,368 1,3368 0. .00891GW 6 7 -4.3742 -1.4374 0. -4.3742 1.4374 0. .00958GW 7 7 -5,4562 -1,5456 0. -5,4562 1,5456 0. .0103GW 8 7 -6,6195 -1,6619 0. -6,6195 1,6619 0. .01108GW 9 7 -7,8705 -1,787 0. -7,8705 1,787 0. .01191GW 10 7 -9,2156 -1,9215 0. -9,2156 1,9215 0. .01281GW 11 9 -10,6619 -2,0662 0. -10,6619 2,0662 0. .01377GW 12 9 -12,2171 -2,2217 0. -12,2171 2,2217 0. .01481EGES 0 0 0 0 46.29 0.Número de modelo 1 3 2 3 -50.Tamaño: 2 3 3 3 -50.Tamaño: 3 3 4 3 -50.Tamaño: 4 3 5 3 -50.Tamaño: 5 3 6 4 -50.Tamaño: 6 4 7 4 -50.Tamaño: 7 4 8 4 -50.Tamaño: 8 4 9 4 -50.TL 9 4 10 4 -50.Tamaño: 10 4 11 5 -50.TL 11 5 12 5 -50. ,0.,0.,0.,.02EJ 0 1 3 10 1RP 0 37 1 1110 90. 0. -5. 0.ES
El ejemplo comienza con varias CMlíneas (de comentarios) seguidas del último comentario en una CElínea (fin del comentario). CEDeben ir seguidas de líneas de geometría (líneas cuyos comandos comienzan con la letra ) G. [18]
En este caso, la sección de geometría consta de doce GWelementos que forman la antena. Cada elemento es más largo que el anterior y, para mantener la precisión, los elementos posteriores se dividen en más segmentos. Todas las mediciones en NEC utilizan metros, por lo que el primer elemento tiene 2 metros de ancho y va de -1 a 1. La GElínea indica el final de la sección de geometría. En este punto, NEC escanea la geometría en busca de puntos finales superpuestos, que luego conecta para formar un único conductor más largo. La GElínea también tiene una única entrada que indica si hay un plano de tierra; en este ejemplo, no se especifica, por lo que la antena se ubica sobre una "tierra estándar". [18]
La FRlínea establece entonces la frecuencia de prueba a 46,29 MHz. FRLas líneas pueden definir opcionalmente el número y la magnitud de los pasos de frecuencia si el sistema se está utilizando para analizar el rendimiento en un rango de frecuencias, pero esto no se está utilizando en este caso. Las TLlíneas (línea de transmisión) conectan los diversos elementos entre sí. Estas se pueden ver en la mayoría de los diseños log-periódicos en forma de dos varillas delgadas que recorren el brazo entre los elementos principales de la antena, aunque algunos diseños utilizan el propio brazo u ocultan los cables dentro del brazo. La EXlínea (de excitación) indica la ubicación de la energía suministrada al diseño, en este caso se aplica 1 voltio de diferencia de potencial eléctrico en el medio del cable etiquetado como 1, mientras que el RP(patrón de radiación) establece algunos detalles específicos de la señal. [18]
Finalmente, la ENlínea (fin de la entrada) indica que la plataforma está completa, momento en el que el código NEC inicia la simulación y genera informes. Los informes comienzan reimprimiendo gran parte de la entrada, lo que permite al usuario verificar si hay errores. Luego incluye secciones extensas que muestran cómo el sistema dividió la antena en segmentos. Finalmente, comienza a enumerar los valores calculados en formato tabular. Una pequeña muestra del resultado del ejemplo anterior incluye:
- - - PATRONES DE RADIACIÓN - - - - - ÁNGULOS - - - GANANCIAS DIRECTIVAS - - - POLARIZACIÓN - - - - E(THETA) - - - - - E(PHI) - - - THETA PHI VERT. HOR. INCLINACIÓN AXIAL TOTAL DETECCIÓN MAGNITUD FASE MAGNITUD FASE GRADOS GRADOS DB DB DB RELACIÓN GRADOS VOLTIOS/M GRADOS VOLTIOS/M GRADOS 90,00 .00 -999,99 9,75 9,75 .00000 90,00 LINEAL 0,00000E+00 .00 2,46922E+00 -66,00 85,00 .00 -999,99 9,70 9,70 .00000 90,00 LINEAL 0,00000E+00 .00 2,45352E+00 -65,20[muchas líneas eliminadas] 30,00 .00 -999,99 2,10 2,10 .00000 90,00 LINEAL 0,00000E+00 .00 1,02313E+00 38,02 25,00 .00 -999,99 -.14 -.14 .00000 90,00 LINEAL 0,00000E+00 .00 7,90310E-01 59,26[más líneas eliminadas]
La salida indica que la antena tiene una ganancia máxima de 9,75 dBi, un poco más de tres veces la ganancia de una antena isotrópica. Sin embargo, a medida que la señal se mueve incluso cinco grados hacia un lado, este valor se reduce a 9,5. Cuando se alcanzan los 75 grados desde el frente, la antena comienza a tener una ganancia negativa. Esto indica que esta antena es bastante direccional y se esperaría que tenga una alta relación de frente a espalda. [18]
BRACT era un método puro de implementación de momentos, adecuado para su uso en antenas que consistían en conductores de diámetro uniforme dispuestos en el espacio libre y conectados entre sí en sus extremos (si es que lo estaban). No modelaba las contribuciones del suelo (o del agua) y era principalmente útil para aplicaciones de tipo aeroespacial. [1]
AMP modificó BRACT agregando un sistema para calcular los efectos de los planos de tierra. [2]
AMP2 agregó la capacidad de modelar superficies cerradas extendidas. [2]
El NEC original, conocido posteriormente como NEC-1 tras la introducción del NEC-2, fue una modificación del AMP2 anterior, que añadió una expansión de corriente más precisa a lo largo de los cables y en las uniones de cables múltiples, y una opción en el modelado de cables para lograr una precisión mucho mayor en cables gruesos. Se añadió un nuevo modelo para una fuente de voltaje y se realizaron varias otras modificaciones para aumentar la precisión. [2]
NEC-2 es la versión más alta del código dentro del dominio público sin licencia. No puede modelar radiales enterrados ni estacas en el suelo.
El NEC-3 modificó el NEC-2 para incluir un modelo Sommerfeld para modelar adecuadamente los cables enterrados en el suelo o cerca de él. [19]
El NEC-4 modificó el NEC-3 para modelar mejor las antenas muy pequeñas, como las de los teléfonos celulares y los enrutadores WiFi . La versión más reciente, 4.2, incluye una versión mejorada del modelo Sommerfeld utilizado en el NEC-3 para cables en tierra y cerca de ella, agregó fuentes de corriente en lugar de solo fuentes de voltaje como en los modelos anteriores y utilizó un nuevo sistema de administración de memoria que permite diseños de cualquier tamaño. [19]
El NEC-4 sigue siendo propiedad del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y de la Universidad de California . El NEC-4 requiere una licencia. [20]
NEC-5 resuelve la ecuación integral del campo eléctrico para cables y superficies utilizando el nuevo método de potencial mixto desarrollado por Rao, Wilton y Glisson. [21]
El NEC-5 sigue siendo propiedad del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y de la Universidad de California . El NEC-5 requiere una licencia. [20]
MININEC es una implementación independiente de los conceptos de NEC. Utiliza el mismo método del algoritmo de momentos para calcular los resultados, pero utilizando código completamente original. Las primeras versiones se escribieron en 1980 en BASIC para computadoras Apple II de 32 kB y, después de seguir algunos consejos del profesor Wilton de la Universidad de Mississippi, la primera versión pública se realizó en 1982 para máquinas de 64 kB. Una versión mejorada, MININEC2, se lanzó en 1984, seguida de una adaptación para IBM PC como MININEC3 en 1986. Al igual que el NEC original, MININEC ahora se ejecuta en muchas plataformas, aunque su popularidad ha disminuido con la disponibilidad más generalizada de los códigos originales de NEC en formato C. [22]
MININEC tiene algunas fallas conocidas en comparación con NEC, la más conocida es que las frecuencias resonantes pueden tener un ligero error. Sin embargo, MININEC maneja diferentes diámetros de cable mejor que NEC-2 y probablemente NEC-4; esto incluye cables paralelos de diferentes diámetros, cables de diferentes diámetros unidos en un ángulo y elementos de antena de diámetro cónico. Colocar fuentes en una intersección de dos cables es un problema para NEC-2 pero no para MININEC. MININEC converge más lentamente (requiere más segmentos) cuando los cables se unen en un ángulo, cuando segmentos de cable de longitud significativamente diferente son adyacentes y tiene un modelo de tierra más débil. [23]