«NEC-2 for MMANA», версия 1.7
Использование NEC-2 позволяет проводить более точный расчет антенн над реальной землей. В отличие от двигателя MININEC, используемого в MMANA, расчет антенны над землей в модели Зоммерфельда-Нортона построен исходя из того, что система "антенна-земля" рассматривается как единая излучающая система. Поэтому в результатах расчета отражается влияние земли как на усиление антенны (т.е. на поле в дальней зоне антенны), так и на значение входного импеданса в точке(-ах) питания. Актуальными такие расчеты становятся для антенн низкочастотных диапазонов, где практическая высота подвеса излучающих частей антенны как правило невелика, в особенности на самых малых высотах, < lambda/2pi . Минимальная высота горизонтально провода над землей в NEC-2 может быть очень невелика, - в сопроводительной документации к NEC-2 она указывается как удовлетворяющая условию (a^2+H^2)^(1/2) > lambda*1E-6, a- радиус провода, H-высота. Однако расчеты с моделью земли Зоммерфельда-Нортона не дают корректного результата если провода касаются земли, например, для вертикалов, торчащих из земли. Соответственно, расчет радиалов непосредственно лежащих на земле напрямую невозможен, но такой расчет может быть произведен если радиалы расположить в модели на маленькой, но ненулевой высоте.
Использование опции "Extended thin wire kernel" в NEC-2 позволяет производить расчет с достаточно малой длиной сегмента, - отношение "длина сегмента"/"радиус провода" при ее включении может быть уменьшен до 2, а близко расположенные проводники или проводники, расположенные низко над землей, учитываются в вычислениях более точно. Минимальное рекомендуемое отношение "длина сегмента"/"радиус провода" без использования данной опции равно 8. Процедура вычислений с использованием "Extended thin wire kernel" не применяется к сегментам на концах проводов, соединенных под углом. NEC-2 также свободен от многих проблем MININEC, в частности, от проблемы проводов, сходящихся под острым углом (которая в MMANA решается увеличением плотности сегментов на концах провода).
Проблема корректного учета соединений проводников разного радиуса не решена, - принято считать что, MININEC делает расчет в подобных случаях точнее.
Утилита "NEC-2 for MMANA", ver. 1.7, предназначена для расчета моделей антенн, сделанных в программе MMANA. Расчет производится с использованием вычислительных возможностей NEC-2, включая расчеты над поверхностью земли в модели Зоммерфельда-Нортона, расчеты с использованием уточненной модели проводников конечного радиуса (Extended thin wire kernel). Также в "NEC-2 for MMANA" можно произвести расчет в случае, когда некоторые проводники антенны в модели MMANA находятся в диэлектрической изоляции. Максимальное количество обрабатываемых сегментов - 3000. Дмитрий Федоров (UA3AVR).
Скачать программу:
MAA_NEC_17.zip (618kb)
«NEC-2 for MMANA» читает файл, создаваемый MMANA с расширением *.maa, и конвертирует его в приемлемую для расчета на NEC-2 форму. Ограничения при конвертации следующие:
- Не воспринимаются установки комбинированного провода в MMANA и установки для расчета стеков. Комбинированный провод и стеки могут быть посчитаны при ручном задании всех проводов и стеков в MMANA.
- Игнорируется установки смещения положения источников или нагрузок относительно начала, конца или центра провода. Т.е., например, если в MMANA задано положение источника как w2b7, то «NEC-2 for MMANA» воспримет положение источника как w2b и расположит его в первом сегменте провода N 2. Для расчета с учетом смещенного источника можно разбить провод в MMANA на две части и установить источник в начале или конце одной из получившихся частей.
- Не воспринимается задание нагрузки S-параметрами.
Установление сегментации.
Для расчета в NEC-2 установление сегментации происходит следующим образом.
- Если для провода в MMANA задана сегментация типа «-1», «-2», «-3», то для расчета в NEC-2 устанавливается линейная сегментация с плотностью lambda/(DM1*EC), т.е. с наибольшей, предлагаемой MMANA, плотностью сегментов на проводе при отключенной опции «DM2 seg». При включенной опции «DM2 seg» устанавливается сегментация с плотностью lambda/DM2.
- Если для провода в MMANA задана сегментация типа «0», то для расчета в NEC-2 устанавливается линейная сегментация с плотностью lambda/DM2, т.е., фактически, в соответствии с сегментацией в MMANA.
- Для сегментации с параметром >0, разбиение на сегменты происходит в соответствии с MMANA.
С параметрами сегментации провода в MMANA «-1», «-2», «-3» установление сегментации для NEC-2 (с отключенной опцией «DM2 seg») часто получается неоправданно плотным, что увеличивает в «NEC-2 for MMANA» время расчета свыше необходимого. Также общее число сегментов может стать больше допустимого, воспринимаемого использованной версией NEC-2, а длина сегментов может стать меньше допустимого для аккуратных расчетов.
Расчет над поверхностью реальной земли.
«NEC-2 for MMANA» устанавливает для расчета внешние условия для антенны (Free Space, Perfect Ground, Real Ground) в соответствии с установками MMANA, прописанными в соответствующем *.maa файле. Для случая реальной земли устанавливается по умолчанию модель земли типа Зоммерфельда-Нортона, однако, если в модели MMANA есть проводники, касающиеся земли (вертикалы, торчащие из земли, например), то расчет с землей Зоммерфельда-Нортона не может быть произведен. В этом случае есть возможность установки типа земли как Perfect Ground.
Параметры реальной земли (диэлектрическая проницаемость и проводимость) в MMANA-файле не передаются. Их необходимо установить вручную в «NEC-2 for MMANA». Поверхность земли типа Зоммерфельда-Нортона предполагается в «NEC-2 for MMANA» неограниченной и однородной.
Расчет модели антенны с проводами в диэлектрической изоляции.
Расчет проводников в изоляции производится в соответствии с идеей Александра Юркова, RA9MB, основанной в свою очередь на декомпозиционном методе расчета полей в электродинамике. Металлическая жила проводника предполагается как имеющая цилиндрическую форму, изоляция на нем расположена также в виде цилиндрического слоя. Для учета влияния изоляции на все изолированные проводники вводится дополнительная погонная индуктивность проводника с утолщением его до радиуса с изоляцией. Погонная индуктивность рассчитывается по формуле:
где 
-
радиус проводника с изоляцией,
-
радиус без изоляции,
-
диэлектрическая проницаемость изоляции,
-
абсолютный коэффициент укорочения (вместе с изоляцией).
Поскольку заранее
(до расчета) точно не известен, но его значения для практических случаев
проводных антенн на КВ мало отличается от 1, то в программе его значение
полагается равным 
.
Даже при его значении в 
ошибка расчета укорочения не превышает
уровней около 0.3-0.4%. Итераций по его точному значению в программе не
производится. С полагаемым в программе значением
точность расчета является достаточной
для практических приложений.
Приведенная формула получена в предположении о том, что
, где 
- магнитное поле
вокруг проводника (на внешней поверхности диэлектрической изоляции, z - изменяется вдоль провода) и ток в проводнике антенны,
длина проводника также должна быть много больше радиуса его с изоляцией. Для
подавляющего большинства практических проводных антенн эти условия можно
считать выполненными.
«NEC-2 for MMANA» требует задания радиуса провода (радиуса металлической жилы провода) в предположении о том, что несколько или все проводники в MMANE имеют радиус, соответствующий радиусу металлической жилы изолированного провода.
Проведение расчетов.
«Find MMANA file».
Файл типа *.maa для расчета находится с помощью процедур по кнопке «Find MMANA file». Его имя вместе с путем
прописывается в соответствующем окне.
«Refresh».
По кнопке «Refresh» обновляются данные антенной модели. Полезна она, когда работа с моделью антенны проводится одновременно в MMANA и в «NEC-2 for MMANA». Можно произвести изменения модели антенны в MMANA и сохранить их в файле. Если имя файла при сохранении изменений не изменяется, то по кнопке «Refresh» утилита «NEC-2 for MMANA» обновляет ранее прочитанные данные из MMANA файла. В настоящей версии (ver.1.3.1) обновление необходимо и производится для данных по окружению антенны и образцу импеданса для расчета КСВ, обновляются данные по высоте антенны и частоте в соответствующих полях, изменяется содержимое списка радиусов проводов, которые можно «одеть» в изоляцию, в поле «Radius of wires to be coated».
«Calculate at original of MMANA file».
По кнопке «Calculate at original of MMANA file» производится конвертация и расчет на NEC-2 модели антенны в том виде, в котором она задана в *.maa файле. Результаты расчета и диаграммы можно посмотреть на закладке «RP plots» и «Table of results».
«Angles for radiation pattern calculation».
В окне «Angles for radiation pattern calculation» задаются углы среза для расчета для азимутальной диаграммы (elevation angle) и для вертикальной (полярной) диаграммы (azimuth angle).
«Ground model».
В окне «Ground model» задаются тип земли и ее параметры.
«Dielectric coated wire calculations».
В данном окне задаются параметры для расчета антенны с изолированными проводниками, расчет производится по кнопке «Calculate» и «Calculate with wires in dielectric coat» (на закладке «Tables of results»).
В поле «Radius of wires to be coated» задается радиус тех проводов из MMANA файла, которые нужно «одеть в изоляцию» (т.е. этот радиус должен быть одним из обозначенных в MMANA). При расчетах предполагается, что один или несколько проводников в MMANA имеют радиус, соответствующий радиусу металлической жилы изолированного провода, - эти провода и будут рассчитываться в изоляции. В выпадающем списке этого поля можно выбрать радиус тех проводов, на которые нужно «одеть» изоляцию.
В поле «Radius of wire with coat» задается радиус провода с изоляцией (его значение должно быть больше обозначенного в поле «Radius of wires to be coated»).
В поле «Dielectric constant of coat» задается диэлектрическая проницаемость изоляции.
В поле «Frequency» задается частота расчета. В это поле прописывается значение частоты из MMANA файла после расчета по кнопке «Calculate at original of MMANA file».
В поле «Make all wires shorter on» (и связанным с ним полосой прокрутки) задается величина укорочения проводников рассчитываемой антенны. При его отличии от 0 укорачиваются все проводники антенны, вне зависимости от их радиуса (т.е. вне зависимости от того, все они в изоляции или нет).
Расчет производится по кнопке «Calculate» или «Calculate with wires in dielectric coat» (на закладке «Tables of results»).
Производя несколько раз расчет при разных частотах можно найти резонансную частоту для антенны с проводниками в изоляции.
Если все проводники в MMANA файле имеют одинаковый радиус, то все они могут быть рассчитаны как изолированные (этот радиус нужно обозначить в поле «Radius of wires to be coated»). Тогда несколькими расчетами с разным параметром укорочения можно найти нужный коэффициент укорочения (по отношению к рассчитанному в MMANA) для проводников в изоляции. Если же проводники в MMANA имеют разные радиусы (в изоляции могут быть рассчитаны только отдельные из них), то изменять длину изолированных проводников лучше непосредственно в MMANA и делать расчет в «NEC-2 for MMANA» с параметром укорочения равным 0.
«Use NEC-2 Extended thin wire kernel».
Задает в NEC-2 расчет с использованием уточненной процедуры учета проводников конечного радиуса. По умолчанию опция включена.
«Show NEC-2 input».
По этой опции в окне на листе «Data sheet» высвечивается помимо результатов расчета также содержимое задания NEC-2 для расчета (входного файла).
«DM2 seg».
Если для провода в MMANA задана сегментация с переменной плотностью типа «-1», «-2» или «-3», включение данной опции устанавливает сегментацию на данном проводе при расчетах на NEC-2 с плотностью lambda/DM2. При отключенной опции плотность сегментации будет lambda/(DM1*EC).
Закладка «RP plots».
На ней показываются диаграммы (азимутальная и полярная) и результаты последнего расчета. В окне с результатами можно делать пометки и надписи с комментариями. По всплывающему меню PopUp можно произвести сохранение полученных результатов.
Через кнопки в окне «Polarization components» можно вывести диаграммы по поляризационным компонентам дальнего поля антенны. Поляризационные компоненты обычно рассчитываются через проекции на орты сферических координат. В MMANA проекция «Phi» обозначена как горизонтальная, «Theta» как вертикальная.
Результаты расчета выводятся также в окне на закладке «Data sheet». Содержимое этого окна можно выделить курсором и скопировать в буфер обмена по всплывающему меню.
Закладка «Table of results».
Результаты расчета выводятся в таблице. Функции кнопок аналогичны тем, что на закладке «Data sheet». В соответствующем окошке можно изменить частоту и высоту расположения антенны (для случая антенны над землей) при включенной в том же окне опции, разрешающей изменить частоту или высоту. При выборе MMANA файла (и по кнопке «Refresh») параметры частоты и высоты из файла прописываются в поля на этом окне, изменения параметров в выбранный MMANA файл не заносятся.
Благодарности: Александру Юркову, RA9MB, за идею расчета проводников в изоляции, Ray Anderson, WB6TPU, и Arie from Neede, Netherlands за прекрасно работающие движки NEC-2, Игорю Гончаренко, DL2KQ-EU1TT, за ценные советы по улучшению интерфейса, - то, что сейчас видно на экране во многом сделано благодаря его вниманию.
Дмитрий Федоров, UA3AVR,
http://www.qsl.net/ua3avr/
