Профессиональная система проектирования антенн The MININEC Professional Series

 ВВЕДЕНИЕ

 

 Из-за подобия в именах, об этом  часто говорилось,  MININEC является всего лишь  вариантом своего  большого коллеги, ФИРМЫ NEC [Burke и Poggio, 1981].

Имеются значительные различия между этими двумя ядрами вычислений . Оба «мотора» используют метод моментов, чтобы решить задачу  расчета поля для токов в электрических тонких проводах. Однако, каждый из них значительно отличается   от другого алгоритмом  для выполнения метода моментов.

 

Экспертный MININEC Ряд - множество инструментальных средств конструирования,

проектирования и анализа проводных антенн. Экспертный MININEC имеет интерфейс пользователя и работает с Microsoft Windows 3.0 и выше включая  98 и WIN NT). Экраны Входных данных обеспечивают  блоки диалога электронной таблицой c одноименными дисплеями данных. Выходные результаты  представляются в виде  таблиц и графиков. Окна входных  и  выходных данных полностью связаны принтером с помощью интерфейса.  Информация может быть передана другим приложениям Windows, типа текстовых процессоров и электронных таблиц.

 

Вычислительные двигатели написаны в ФОРТРАНЕ для большей скорости и  максимально используют  доступную память. Алгоритм использует треугольные функции базиса, приводящие к большей точности. Например,  наименьший  предел сегмента сопоставим с машинной точностью.

 

 

Предпосылка разработки.

  

Оригинал MININEC был написан Джоном Роквей с подачи и с помощью Джима Логана. Rockway – Logan  группа являются отцами одного из  лучших  известных и наиболее полезного  кода моделирования антенны методом моментов.

 

Однажды,  в 1980 году, Джон Роквей и Джим Логан обсуждал методы, доступные радиолюбителям-разработчикам антенн. Большинство любителей в то время не имело доступа к большим  компьютерам  и высококачественным  антенным компьютерным программы моделирования, типа Numerical Electromagnetics Code  (ФИРМА NEC), а персональные компьютеры (PC) только появлялись на  рынке и были относительно

дороги и совершенно ограниченны в возможностях. (Тогда как и в России они обычно расценивались как простые новинки или игрушки. Джим Логан  серьезно подумал о возможности  подстройки  NEC так, чтобы он работал и на PC.Это было непросто в те дни, PC были  ограничены памятью 16КБ с 8 разрядной длиной слова.  Программа была  должна  написанной  на БЕЙСИКЕ.

 

Предложенная компьютерная программа была бы обязательно очень ограничена.

Необходимо было так ограничить исходный код, чтобы возможностей РС еще было  достаточно  для  любого серьезного проектирования   или анализа.

 

Авторы полагали, что программа могла быть по крайней мере  образовательным средством. Даже если она  могла моделировать  однопроволочную антенну, это должно быть полезно студентам, инженерам   в понимании некоторых из фундаментальных антенных принципов.

 

Обсуждение постепенно приводило к проекту  компьютерной программы.

Было убеждение,  что  просто  программу  ФИРМЫ NEC  на PC не установить.

NEC была  очень мощным компьютерным кодом с десятками тысяч формулировок ФОРТРАНА, написанных для использования на больших  компьютерах. Формулировка ы необходимо было  изменить, чтобы допускать более простое выполнение метода моментов, чтобы разработать более компактный код. Не было возможности  включить многие из мощных опций моделирования, обеспечиваемых ФИРМОЙ NEC.

 

После того, как  обсуждение застопорилось на том, как это  выполнить, авторы, позвонили профессору Вилтону в университет Mиссиссипи (теперь  Университет Хьюстона) чтобы посоветоваться с ним. Сначала, профессор Вилтон не воспринял концепцию серьезно.

Он закончил  диалог с усмешкой. Но через несколько дней он сам позвонил авторам, чтобы предложить формулировку и метод приближения моментов, которые могли бы работать для очень простых проводных антенн.

Ободренный  советом профессора Вилтона  с "переносным"  компьютером (весом более чем 20 килограммов) с 32КБ памяти, Джон Роквей совершает в его ежегодном отпуске паломничество в Штат Вашингтон, чтобы посетить профессора. Когда он возвратился, он выполнил формулировку профессора Вилтона для однопроволочного провода. Программа могла вычислять распределение тока и полное сопротивление для однопроволочной антенны в свободном пространстве. Затем  Джон усовершенствовал  программу  для расчета второго, но не связанного с первым, провода.

 

Джим Логан предложил приближение над сегментами изоляции, чтобы трактовать проводные соединения. Пользователь был бы должен обозначить, какой  сегмент перекрывается  с другими сегментами, но зато могли моделироваться сседние провода с соединениями. Позже Джим Логан выполнил  автоматическую схему определения проводных соединений. Новый код мог вычислять токи и полное сопротивление для  антенн до 10 проводов, соединенных или не связанных, и в свободном пространстве или над заземляющей поверхностью, все с необходимой точностью. Код содержал  500 строк программы на БЕЙСИКЕ и работал  на компьютере Apple с памятью 16КБ.

Первая успешная программа MININEC была разработана.

 

Первая демонстрация  MININEC произошла в 1982. Код содержал 550 строк БЕЙСИКА и работал на компьютере  APPLE II  с 64 килобайтами памяти. Программа могла вычислять распределение тока, полное сопротивление, и структуру поля произвольно ориентированного множества проводов в свободном пространстве или над совершенно идеальной землей. Сосредоточенные нагрузки полного сопротивления допускались при соединениях сегмента кроме сегментов, пересекающихся с заземляющей плоскостью. Также, провода, пересекающие заземляющую плоскость были ограничены прямым углам. В интерпретаторе БЕЙСИК  размер был ограничен 10 проводами и  70 сегментами с соединениями. Чтобы использовать код, пользователь был бы должен внести  число сегментов, координаты конца провода,  радиус провода, и  данные о соединениях. Последнее было немного утомительно, потому что пользователь должен был определить координаты соединений перед выполнением программы. Величина целого числа указала  номер провода с  которым соединялся  или пересеклась другой провод. Знак целого числа указал, какой  провод заканчивается. Не имелось никаких возможностей для сохранения или редактирования геометрии.

 Однако, результаты обещали  быть очень точными и совершенно полезными для широкого многообразия простых проводных антенн.

 

MININEC имел  успех. Почти немедленно група  разработчиков  начала расти. В 1984, в частности авторы стали сотрудничать с  С. T. Li и D. Ватт(Вт). Tam, чтобы создать улучшенную версию MININEC.

MININEC2  незначительно отличался  от предшественника, но ограничение для проводов, пересекающих заземляющую плоскость было удалено. Провода могли пересекать землю под любым углом.

 

Между тем, возможности  PC начали расти. Компьютеры работали быстрее, имели больший объем  памяти, и использовали математические сопроцессоры.Стали доступными и трансляторы БЕЙСИКА. Это дало новые перспективы для MININEC.

В 1986, авторы выпустили MININEC3. Эта программа  имела новый интерфейс пользователя, который автоматически определил проводные соединения из  конца координат проводов.  Также можно было читать и интерпретировать неограниченное множество входных данных ФИРМЫ NEC. Однако, снова, не имелось возможности сохранять и редактировать данные геометрии.

MININEC «вырос»  только до  1600 строк БЕЙСИКА. С математическим сопроцессором и транслятором БЕЙСИКА, MININEC3 мог решать антенные задачи до 50 проводов и 50 текущих переменных.

 

Дальнейшие усилия авторов привели к разработке  MININEC SYSTEM  в 1988.

Это было сделано  авторами, чтобы обеспечить улучшенное  формирование рисунка, сохранять размеры элемента, и интерактивную графику. Внедрение  MININEC SYSTEM   совпало с введением Microsoft Windows,. Однако, имелись много заслуживающих внимания новшеств, представленные в этой программе . Это был первый вариант MININEC, который требовал транслятора  БЕЙСИКА. Предыдущие варианты могли выполнятся с интерпретатором БЕЙСИК. Время решения и требования к памяти для  симметричных антенн было значительно уменьшены. Алгоритм элиминации был доступен как опция  пользователя, чтобы допускать вычисление больших задач, до 50 проводов и 90 текущих выборок, или 190 сегментов  без перетранслирования.

Другая опция могла  вычислять соединение " антенна к антенне " для окружающей среды. 

 

Многие другие программисты также попытались улучшить  MININEC. Наиболее известные  новаторские интерфейсы пользователя и графические оболочки,

предложены Роем Левалленом в 1991 и Брайеном Бизли в 1992 году.

Авторы также слышали многочисленные отзывы от различных источников о  попытках перезаписать MININEC в машинный язык, АДУ, ПАСКАЛЬ, C, и ФОРТРАН.

Например, в статье, изданной E. K. Мельником в 1989, было сообщено о  варианте ФОРТРАНА MININEC.

Фактически, авторы тоже пробовали ПАСКАЛЬ, C, и ФОРТРАН  за эти годы, но всегда возвращались БЕЙСИКУ по различным причинам, включая недостатки доступного PC FORTRANS.

 

Однако, теперь для PC доступны превосходные трансляторы ФОРТРАНА. Авторы выбрали это как язык выбора для вычислительных напряженных частей MININEC.

 

Самый новый MININEC, созданный Rockway-Logan группой - Expert MININEC Series for Windows.  Алгоритм был изменен, чтобы использовать треугольные функции базиса, приводящие к гораздо большей точности. Ограничения предыдущих версий MININEC были устранены. Вычислительные двигатели написаны в ФОРТРАНЕ для большей скорости и делают максимальное использование всей  доступной памяти . Интерфейс пользователя работает в  Microsoft Windows. Это представляет значительное улучшение для  MININEC  возможности моделирования антенн. Интерфейс пользователя обеспечивает много удобных опций для определения антенной геометрии. Встроенным в графику, интерактивная контекстная  справка, и прикладная диагностика помогает пользователю в  формировании рисунков . Выходная графика и перенос на электронные таблицы и текстовые процессоры других приложений Windows значительно расширяет интерпретацию и анализ MININEC вычислений.

 

 

НАЗНАЧЕНИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

 

Expert MININEC  series  имеет три версии:

Главное назначение  программы   -  для больших задач и более точных вычислений. Вычислительные коды компилировались с более новым ФОРТРАНОМ 90 трансляторов, которые намного увеличили скорость вычислений. Это значительно облегчило  участь новых пользователей и экспертных пользователей, чтобы разработать прикладные описания. Использование Expert MININEC MININEC Профессионального Ряда обеспечило реализацию обратной  связь на предложенных уточнениях. Эти уточнения были выполнены в Expert MININEC

 

Интерфейс пользователя  Expert MININEC - через Microsoft Windows. Экраны Входных данных обеспечивают формат в рамках записи в индивидуальных окнах с табличными дисплеями данных.

 

Экспертные MININEC конструкции геометрии моделирования включают:

 

Декартовы, цилиндрические и географические системы координат

Выбор метров, сантиметров, футов или  дюймов

Прямые, спиральные, плоские провода , несущий трос и архивируемые провода

Проволочные сетки

Сдвиг  координаты концов провода

Симметричные опции

Вращательные и линейные преобразования

Функцию Numerical Green's

Автоматизированное испытание сходимости

 

Электрические опции(выборы) описания включают:

 

Свободное пространство, идеальная земля, и реальная земля

Диапазон частот  

Нагруженные провода

Сосредоточенные нагрузки

Пассивные цепи

Линии электропередачи

Источники тока  и напряжение

Плоское волновое возбуждение

 

Опции(выборы) описания Решения включают:

 

Ближние поля

Образ лучей.

Четырехполюсники  соединений

Волновой синтез массива(матрицы)

 

Кроме того Экспертный MININEC включает ориентированную на пользователя возможность  анализа  конечных массивов  в пределах возможностей Expert MININEC. Выходные данные показаны в табличный и графической формах.

 

Интегрированная графика Expert MININEC  включает:

 

Трехмерные геометрические фигуры с вращением, изменением размеров окна с помощью" мыши ".

Трехмерные токи дополняют  и дисплеи образа.

Линейный, полулогарифмический масштабы и графики логарифма  токов, соединения, ближних полей, полного сопротивления и полной проводимости.

Графики полного сопротивления и полной проводимости.

Линейные и полярные графики поля.

Вход и экраны выходных данных полностью связаны с помощью интерфейса WINDOWS c другими приложениями, типа графических, табличных  и текстовых процессоров. Также есть интерактивная, контекстная  справка.

 

Вычислительные функции алгоритма выполнены в ФОРТРАНЕ для большей скорости и  максимально используют  доступную память.  

Алгоритм был изменен, чтобы использовать треугольные функции базиса. Это приводит к большей точности. Наименьший  предел сегмента - функция машинной точности. Квадратные рамки и антенны Яги вычисляются идеально. Кроме того, аппроксимация коэффициента отражения Френеля уточняет вычисление токов около реальной земли.

 

Expert MININEC  вычисляет:

 

Токи и напряжения  на проводах. 

Полное сопротивление, полную проводимость, 

Действующую  высоту и моменты тока

Мощность и потери напряжения

Многоходовые (antenna-to-antenna) связи

Ближние электрические и магнитные поля

Параметры луча (dBi или электрические поля,

мощности или  коэффициент усиления)

Разработку массива волновой среды.

Вспомогательные вычисления волны земли, сопротивления штырей

 и башен,  полного сопротивления опоры.

 

Не все возможности Expert MININEC   доступны во всех версиях.

 

Список Expert MININEC   возможностей.

 

 

Classic

Professional

Broadcast
Geometry description

_

_

_
Canonical mesh structure

_

X

X
Convergence test

_

_

X
Dimensions, Environments, Coordinates

X

X

X
Geometry points

X

X

X

Geometry points iteration

X

X

X
Helix/spiral

_

X

X
Numerical Green's Function

_

_

X
Straight wires

X

X

X

Symmetry

 

 

 
Text file input

X

X

X
Transformations

_

X

X
Wire arc

_

X

X
Wire mesh

_

X

X
Spiral wires

_

X

X

 

 

Classic

Professional

Broadcast

Electrical description

_

_

_

Frequency

X

X

X

Ground

X

X

X

Loaded wires

X

X

X

Lumped loads

X

X

X

Passive circuits

_

_

X

Plane wave source

_

_

X

Transmission lines

_

X

X

Voltage/current sources

X

X

X

 

 

Classic

Professional

Broadcast

Solution description

_

_

_

Near fields

X

X

X

Radiation pattern

X

X

X

Two-port coupling

_

X

X

Medium wave array synthesis

X

X

X

Planar antenna phased array

_

_

_

New array definition

_

_

X

Source/load modification

_

_

X

Auxiliary calculations

_

_

_

FCC ground wave

_

_

X

Stub matching

_

_

X

Tower footing impedance

_

_

X

Impedance interpolation

_

_

X

Problem limits

_

_

_

Number of wires

500

2000

4000

Number of unknowns

1250

5000

10000

Expert MININEC Professional  подходящий для опытного студента, любителя  и профессионального инженера.

Expert MININEC Broadcast Professional  - средство для продвинутого студента и профессионального инженера конструктора.

Более подробно о новой программе можно почитать на http://www.emsci.com/mininec.htm

Обновлено 13.06.2003 в 00:07
Автор - Н. Филенко UA9XBI