Beim Numerical Electromagnetics Code (NEC) handelt es sich um eine Software zur numerischen Simulation des Abstrahl- und Impedanzverhaltens von linienförmigen Antennen. Zur Berechnung der elektromagnetischen Felder nutzt es die Momentenmethode, ein numerisches Lösungsverfahren. Das ursprüngliche Programm wurde in den 1970er-Jahren von US-amerikanischen Streitkräften in der Sprache FORTRAN entwickelt und unterliegt keinen Copyright-Beschränkungen. Heute existieren zahlreiche nichtkommerzielle und kommerzielle Implementierungen.
Geschichte Die Geschichte von NEC geht auf ein früheres Programm BRACT zurück, das zur Analyse von Antennen mit vielen dünnen Drähten im freien Raum verwendet wurde. Es war nützlich für die Modellierung bestimmter gängiger Antennentypen, die in Flugzeugen oder Raumfahrzeugen verwendet werden, oder für andere Beispiele, bei denen der Boden weit genug entfernt war, um die Signale nicht zu beeinträchtigen. BRACT wurde in den frühen 1970er Jahren von MBAssociates für das US Air Forces Space and Missile Systems Center entwickelt.Burke, Poggio, 1981, NEC Part I, Seite 1 Der Erfolg von BRACT führte zu einem zweiten Vertrag mit MBAssociates, diesmal vom Naval Research Laboratory und dem USAF Rome Air Development Center, um den BRACT-Code so anzupassen, dass er auch die Auswirkungen des Bodens berücksichtigt. Daraus entstand das Antenna Modeling Program (AMP), das umfassend modifiziert wurde, um plattenbasierte Dateien zu unterstützen, die Eingabe und Ausgabe zu vereinfachen und die Benutzung zu erleichtern, und das ausführlich dokumentiert wurde. Ein Nachfolger, AMP2, fügte Berechnungen für erweiterte Oberflächen wie Reflektoren hinzu.Burke, Poggio, 1981, NEC Part I, Seite 2
NEC ist eine erweiterte Version von AMP2 mit mehr Optionen und Funktionen. Es wurde von Programmierern des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) im Auftrag des Naval Ocean Systems Center und des Air Force Weapons Laboratory geschrieben. Der ursprüngliche NEC fügte ein genaueres System zur Berechnung der Ströme entlang der Drähte und an den Verbindungsstellen zwischen den Drähten sowie eine Option hinzu, die die Genauigkeit bei dicken Drähten mit einem geringen Seitenverhältnis im Vergleich zu ihrer Länge erhöhte. NEC-2 fügte dem ursprünglichen NEC zwei wichtige Funktionen hinzu: eine numerische Greensche Funktion für die Arbeit mit großen Flächen und eine Erweiterung des Ground-Plane-Codes, um mit teilweise verlustbehafteten Materialien umgehen zu können, die für Antennen in Bodennähe realistischer sind. Mit der Veröffentlichung von NEC-2 wurde das Original als NEC-1 bekannt.
Alle diese Programme stammen aus der Großrechner-Ära und liefen ursprünglich auf CDC-Maschinen. Der Code war in FORTRAN geschrieben und nahm Eingaben von Lochkartenstapeln im spaltengetrennten Format entgegen und gab die Ergebnisse dann auf einem Zeilendrucker aus. Diese frühen Versionen wurden in großem Umfang auf eine Reihe anderer Großrechnerplattformen portiert. AMP fügte Unterstützung für platten-basierte Dateien mit wahlfreiem Zugriff hinzu, indem es das ursprüngliche System emulierte und die Daten der einzelnen Lochkarten als Zeilen mit 80 Spalten in einer Textdatei codierte, wobei die Datei als Ganzes einen Kartenstapel darstellte.Adler, 1993
Mit dem Übergang von der Lochkarteneingabe zur Verwendung von Textdateien entstand eine Fülle von leicht unterschiedlichen Dateiformaten, die später als „nahe am freien Format“ bezeichnet wurden.Burke, 1992, Seite 17 In den späten 1980er Jahren wurden Versionen auf der MS-DOS-Plattform eingeführt, meist unter Verwendung von FORTRAN-Compilern, die den ursprünglichen Code kompilieren konnten. Spätere Versionen konvertierten FORTRAN in die Programmiersprache C, entweder von Hand oder mit Hilfe automatisierter Tools. Diese Versionen waren oft durch die Ressourcen der Zielplattform begrenzt. Moderne Versionen laufen auf einer Vielzahl von Computersystemen. Sie haben in der Regel eine separate grafische Benutzeroberfläche (GUI), die es dem Benutzer ermöglicht, die Antenne zu zeichnen und zu bearbeiten. Wenn dies abgeschlossen ist, konvertiert die GUI den Entwurf in das NEC-2 Dateiformat und startet NEC-2. Die GUI analysiert dann die Ausgabe von NEC-2 und zeigt die Ergebnisse grafisch an.
Das LLNL entwickelte den Original-Code von NEC weiter. So entstanden NEC-3, das die Fähigkeit besaß, Elemente zu modellieren, die sich im Erdboden befinden oder aus diesem herausragen, sowie NEC-4 und NEC-5, die eine Reihe von weiteren Updates aufwiesen. NEC-4 nahm die Eingabe von einer Datei und sendete die Ausgabe in eine andere Datei und erlaubte Kommentare in jeder Zeile, die mit dem ! Zeichen eingeleitet werden.Burke, 1992, Seite 18 Ab Version NEC-4 ist das Programm nicht mehr als Open Source verfügbar.LLNL Industrial Partnerships Office: NEC v5.0: Numerical Electromagnetic Code
Berechnung Der Code basiert auf der Momentenmethode zur Lösung der Integralgleichung des elektrischen Feldes (EFIE) für dünne Drähte und der Integralgleichung des magnetischen Feldes (MFIE) für geschlossene, leitende Flächen.Burke, Poggio, 1981, NEC Part I, Seite 3 Sie verwendet ein iteratives Verfahren zur Berechnung der Ströme in einer Reihe von Drähten und der daraus resultierenden Felder.Burke, Poggio, 1981, NEC Part I, Seite 3–5
Die Berechnung beginnt mit der Berechnung des elektrischen Feldes im Raum für ein Radiosignal einer bestimmten Frequenz, das sich normalerweise entlang der X-Achse im dreidimensionalen Raum ausbreitet. Dieses Feld ist in Y und Z gleichförmig, variiert aber entlang der X -Achse; die Größe des Signals an einem beliebigen Punkt entlang der X-Achse ist durch die Phase zu diesem Zeitpunkt definiert. Antennen funktionieren, weil sich das Feld im Laufe der Zeit ändert, wenn die Wellenfront an der Antenne vorbeiläuft. Dieses sich ändernde Feld induziert Strom in Leitern, wobei die Spannung durch die Größe des Feldes zu diesem Zeitpunkt definiert ist. Eine Antenne besteht aus ausgedehnten, aber endlich langen Leitern, so dass das Muster des Feldes an verschiedenen Punkten der Antenne zu unterschiedlichen Spannungen führt. In der Antennensprache wird jeder der Leiter, aus denen die Antenne besteht, als Element bezeichnet.Burke, Poggio, 1981, NEC Part I, Seite 12
Zur Berechnung des Nettoergebnisses zerlegt der NEC die Elemente der Antenne in eine Reihe von Abtastpunkten, die Segmente genannt werden. Anhand einfacher Berechnungen, die auf dem Durchmesser des Leiters und der Wellenlänge des Signals basieren, werden die induzierten Spannungen und Ströme an jedem dieser Segmente ermittelt. Je nach der Anordnung der Drähte verstärken die induzierten Ströme in einigen Segmenten die Ströme in anderen oder widerstehen ihnen. NEC summiert alle diese Ströme, um den Nettostrom in jedem der Leiter zu bestimmen.Burke, Poggio, 1981, NEC Part I, Seite 12–13
Wenn in einem Leiter ein Wechselstrom fließt, strahlt er eine elektromagnetische Welle (Radiowelle) ab. In Mehrelement-Antennen induzieren die Felder aufgrund von Strömen in einem Element Ströme in den anderen Elementen. Antennen sind in dieser Hinsicht selbst wechselwirkend; die von den Elementen zurückgestrahlten Wellen überlagern das ursprüngliche Funksignal, das untersucht wird. NEC berechnet das sich aus diesen Beiträgen ergebende Feld, addiert es zum ursprünglichen Funksignal und führt dann die gesamte Berechnung mit diesem modifizierten Feld erneut durch. Da das zurückgestrahlte Signal im Vergleich zum ursprünglichen Signal in der Regel klein ist, führt es nur zu einer kleinen Änderung, der Störung, der resultierenden Elementströme. Das Programm wiederholt dann die Berechnung mit den neuen Elementströmen und erhält so neue Strahlungsfelder. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis die resultierenden Werte konvergieren.Burke, Poggio, 1981, NEC Part I, Seite 20
NEC verwendet eine separate Methode, um den Beitrag von ausgedehnten Materialebenen, wie z. B. einem Drahtgitterreflektor, zu berechnen. In diesem Fall wird die Ebene als eine Einheit betrachtet und der magnetische Beitrag wird direkt berechnet und in die Berechnung zurückgeführt, sobald die Beiträge der einzelnen Drähte berücksichtigt sind.Burke, Poggio, 1981, NEC Part I, Seite 18–20 Ähnliche integrale Lösungen werden verwendet, um die Auswirkungen der Grundplatte zu berechnen. In ähnlicher Weise werden auch induktive und kapazitive Lasten, isolierte Übertragungsdrähte über und unter der Erde und andere übliche Teile eines ausgedehnten Antennensystems mit einfacheren numerischen Methoden modelliert.Burke, Poggio, 1981, NEC Part I, Seite 37–61 Die Berechnungen konvergieren normalerweise schnell. Die Ausgabe wird dann an einem benutzerdefinierten Punkt, der Last, abgetastet. Bei einer realen Antenne ist dies normalerweise der Punkt, an dem der Draht zum Anschluss an den Sender oder Empfänger befestigt ist. Das Ergebnis ist ein Wert, der die beim Empfang an die Last abgegebene Energie oder die beim Senden von der Antenne absorbierte Energiemenge angibt.Burke, Poggio, 1981, NEC Part I, Seite 62
Der NEC wiederholt dann diese gesamte Berechnungsreihe, während er das Signal so verändert, dass es sich der Antenne aus verschiedenen Winkeln entlang der X und Y Achsen nähert, und speichert die Ergebnisse für jede Winkelkombination. Die Ergebnisse werden dann auf das stärkste empfangene Signal normiert (fast immer bei X und Y = 0, oder „frontal“), um ein 3D-Muster zu erzeugen, das den relativen Gewinn für jeden Winkel veranschaulicht. Aus diesen Zahlen lassen sich der Gewinn relativ zu einer isotropen Antenne (dBi), die Richtcharakteristik, das Stehwellenverhältnis und das allgemeine Empfangsmuster ablesen.Burke, Poggio, 1981, NEC Part III, Seite 1 Programme verarbeiten dies oft in gängigen Formen wie dem Smith-Diagramm. Der Algorithmus hat keine theoretische Größenbeschränkung und kann auf sehr große Antennengruppen oder zur detaillierten Modellierung sehr kleiner Antennensysteme angewendet werden. Der Algorithmus hat sich bei der Modellierung dünner Elementstrukturen wie Yagi-Antennen und Sendetürmen als zuverlässig (zu einer Lösung konvergierend) und genau (Ergebnisse sind mit der gemessenen Leistung vergleichbar) erwiesen. Die NEC-Engine unterstützt auch die Modellierung von Patchantennen, Schlitzantennen, Fraktalantennen oder ähnlichen Konstruktionen, bei denen die leitenden Komponentenelemente nicht stabförmig sind, zeigt dort aber Schwächen.
Der Algorithmus der Momentenmethode weist auch praktische Einschränkungen auf; Die Anzahl der Berechnungen, die erforderlich sind, um eine dreidimensionale Struktur aus „N“ strahlenden Elementen zu modellieren, ist ungefähr proportional zur dritten Potenz von „N“. Die Modellierung einer Antenne mit 100 Drahtsegmenten erfordert 1003 = 1 Million Berechnungen. Die Erhöhung der Anzahl der Elemente um den Faktor 10 erfordert 10003 = 1 Milliarde Berechnungen, was die Rechenzeit um den Faktor 1000 erhöht, vorausgesetzt, dass die Simulation bei gegebener Speicherkapazität überhaupt abgeschlossen wird. Folglich gibt es andere Ansätze wie die geometrische Optik, die für die Modellierung großer Strukturen bevorzugt werden.
Die meisten Programme, die NEC verwenden, verfügen über Funktionen, die Stapel von NEC-Berechnungen ausführen, um eine zusammengesetzte Ausgabe zu erzeugen. Ein gängiges Beispiel besteht darin, die gesamte Berechnungssuite für verschiedene Eingangsfrequenzen auszuführen und dann Stichproben in einem einzigen Diagramm darzustellen. Man könnte dies beispielsweise verwenden, um ein Frequenzband abzutasten und so ein Diagramm zu erstellen, das die Verstärkung in diesem Frequenzbereich veranschaulicht. Ein weiteres gemeinsames Merkmal ist ein iterativer Löser, der einen bestimmten Parameter zwischen den Durchläufen anpasst, beispielsweise den Abstand zwischen Elementen, um die Leistung zu maximieren. Diese Operationen sind sehr unabhängig und können auf modernen Maschinen trivial parallelisiert werden.
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