天线CAD课件(NEC).doc

天线CAD 西安电子科技大学（尹应增） 2007年秋
§1 NEC (Numerical Electromagnetic Code，数值电磁代码)
§1.1 简介（Introduction）
NEC全称Numerical Electromagnetic Code（数值电磁代码），是由美国加利福尼亚的劳伦斯&利沃诺实验室创建的。NEC是基于电场积分方程（EFIE）和磁场积分方程（MFIE）进行矩量法计算的，计算出天线上各段的电流分布，从而得到天线的近场场强和远场的方向图及天线的输入阻抗、极化、轴比等电特性。
§1.2 NEC的分类
NEC软件包括：NEC2、4NEC2（NEC4）、Super NEC、Expert MININEC等。NEC软件都是基于EFIE和MFIE积分方程，进行求解天线电特性的，这些软件能够分析位于自由空间或无限大地面上的任意直导线组成的细线天线。
细线假设包括：
1) 线半径远小于工作波长和线长（a<<λ，a<<）;
2) 分段（每一小段）的长度均大于线半径（），因此认为天 线上只有轴向电流，而没有环向电流。
§1.3 NEC软件的介绍
下面主要介绍NEC2和4NEC2的应用。
§1.3.1 NEC2的应用
NEC2又称卡片式NEC，NEC2的程序主要由一些卡片参数控制，并且这些程序以文本的格式保存，比如保存为：*.nec的格式。NEC2的计算引擎是FORTRAN 90编译器，它采用三角形函数为基函数的伽略金矩量法（Galerking’s Procedure of Moment Method）。
从使用者的观点看，NEC2有三个主要的部分：
1. 使用者能够把描述天线结构的文本文件转换为模拟天线结构的数据。
2. 建立计算子，并用EFIE方程计算得到需要的参数。
3. 结果以文本文件的形式输出，里面包含天线的结构描述、特定几何结构的分析结果和需要的天线电性能参数。
下面具体介绍一下NEC2的用法：
1.CM简单描述所创建的天线结构；
2.CE输入的天线结构的总描述行，起着把天线的结构参数送进NEC的软件中；
3.GW一连串段来描述一直线
GW tag segs x1 y1 z1 x2 y2 z2 radius
Tag：所画物理结构直线的号码；
Segs：直线分的段数；
X1,y1,z1;x2,y2,z2代表直线的起始坐标和终点坐标；
Radius：代表所画直线的半径。
4.GE结束几何参数的读入，如果有地面的运用则重设置几何参数；
GE gpflag blank blank blank blank blank blank blank blank
Gpflag:几何地平面的标志
0：代表没有地平面；
1代表存在地平面，根据镜像原理天线的与它的镜像组成一对称的结构，并且天线上的电流由于镜像的影响而从新分配；
-1：代表存在地面，但是天线上的电流不受镜像的影响。
5.GN详细说明天线附近地面的相对电解质常数和导电率；
GN iperf nradl blank blank epse sig
Iperf：地面型号标记
-1：前面所用的地面参数无效并且设置自由空间的状态；
0：有限大地面，近似反射系数；
1：理想地面；
2：有限大地面，Sommerfeld/Norton方法；
Nradl：地面屏幕上的栅格线的近似数，0或者blank表示没有栅格线；
Floating point:
Epse：天线附近地面的相对电解质常数，blank表示理想地面；
Sig：天线附近地面的导电率，单位mhos/meter，blank表示理想地面；
a. F3-F6对于理想的地面，为BLANK；
b. 对于有限大的地面，栅格线描述地面的（nradl非零），地面屏幕一般在x-y平面，中心在原点；
F3：地面屏幕的半径，单位meter；
F4：描述地面屏幕的栅格线的半径，单位meter;
F5&F6：blank.
6.EX详细叙述结构的激励，激励可以是电压源，也可以是基本的电流元或平面入射波；
EX I1 I2 I3 I4 F1 F2 F3 F4 F5 F6
I1决定着激励源的类型：
0— 电压源（用电场源）；
1— 入射平面波，线性极化；
2— 入射平面波，右旋椭圆极化；
3— 入射平面波，左旋椭圆极化；
4— 基本电流元；
5— 电压源（current-slope-discontinuity）.
a. 电压源（I1=0 OR 5）
I2激励源所处的物理结构的号码
I3激励源所处在第I2个物理结构的第几段，比如I3=m表示激励源处在第m段
I4:
1- 相对于激励段和连接的网络不对称的最大导纳矩阵，将被计算和被打印出来；
0- 没有作用
b.入射平面波（I1=1、2、3）
(I2)入射平面波的θ角
(I3)入射平面波的φ角
(I4)1-相对于连接的网络不对称的最大导纳矩阵，将被计算和被打印出来；
0- 没有作用；
c.基本电流元
I2&I3都是blank;
I4和上面一样；
Floating point options
电压源(I1=0&5)
(F1)电压源的实部，单位是伏特；
(F2)电压源的虚部，单位是伏特；
F3、F4&F5都是blank;
入射平面波(I1=1、2、3)
(F1)角θ的大小，单位度；
(F2)角φ的大小，单位度；
(F3)角η的大小，单位度；角η是极化角；
(F4)角θ的增量，单位度；
(F5)角φ的增量，单位度；
(F6)轴比。
基本电流元(I1=4)用地卡尔坐标和方位角以及它的幅度来描述:
(F1)-X POISITION IN METER
(F2)-Y POISITION IN METER
(F3)-Z POISITION IN METER
(F4)角度α，单位度，α是电流元与X-Y平面所成的角；
(F5)角度β，单位度，β是电流元在X-Y平面的射影与X轴所成的角；
(F6)电流元的电流力矩。
7.FR详细说明频率，单位MHz；
FR IFRQ NFRQ BLANK BLANK FMHZ DEFLRQ BLANK
IFRQ决定频率步进的类型
0- 线性步进
1- 乘法步进
NFRQ频率步进的次数；
FMHZ频率，单位MHz；
DEFLRQ频率步进的增量，如果是线性步进，则每次增加到频率上，若是乘法步进，则该数值为乘机因子，每次乘以频率。
8.RP详细说明方向图的取样参数，并且执行程序。
RP I1 I2 I3 I4 F1 F2 F3 F4 F5 F6
I1选择辐射场的计算模式：
0-正常模式，计算空间波场 ；
1-沿地面传播的表面波加入空间波场，在这种情况下地面的参数必须详细描述在GN卡上；
2-存在两种不同的介质，并且两种介质有一个垂直的线性界面，天线在上面一层的介质上；
3-存在两种不同的介质，并且两种介质有一个垂直的环形界面，该界面的中心在原点，天线在上面一层的介质上；
4-存在栅格线地面屏幕，中心在原点；
5-存在栅格线地面屏幕和线性的垂直界面；
6-存在栅格线地面屏幕和环形的垂直界面；
I2(NTH)计算角θ的数量；
I3(PTH)计算角φ的数量；
I4(XNDA)这个可选的整数包括四个独立的数值在17、18、19、20列I1=1，则I4没有意义，应该设为BLANK；
X(17列)控制输出的形式：
X=0输出最大轴、最小轴和总的增益
X=1输出垂直、水平和总的增益
N(18列)在指定的场点输出标准增益之后，输出归一化增益：
N=0没有归一化增益；
=1最大轴增益归一化；
=2最小轴增益归一化；
=3垂直轴增益归一化；
=4水平轴增益归一化；
=5总增益归一化；
D(19列)对于输出的标准增益和归一化增益选择是能量增益还是定向增益：
D=0能量增益
=1定向增益
A(20列)计算覆盖场点区域的平均能量增益：
A=0没有平均增益
=1计算平均增益
=2计算平均增益
如果NTH和NPH都是1，那么无论A为何值，都不计算平均增益；
F1(THETS)角θ的起始大小，单位度(如果I1=1，则代表在Z轴的初始坐标)
F2(PHIS)角φ的起始大小，单位度
F3(DTH)角θ增量(如果I1=1,则表示z的增量)
F4(DPH)角φ的增量
F5(RFLD)从原点到场点的距离，单位meter. RFLD时可选择的，如果是blank,则辐射电场将带有省略的exp(-jkr)/r因子，若r被详细说明了，它只能代表远场的点，近场的参数不能从RP卡中计算获得。
F6(GNOR)如果在I4中归一化极化被采用，那么这个参数决定归一化极化的要素，如果这个参数是0或blank，则是相对于最大值的归一化；若不是0，则是相对于该参数的归一化。
9.EN结束程序的执行
图1.1为NEC2软件的主界面，该界面主要是要输入描述天线几何参数的文本文件的名称，并且输入保存计算输出的文本文件的名称。描述天线几何参数的文本文件要和NEC2的计算引擎放在同一个目录下。

图1.1 NEC2软件主界面
例如：计算一单极子，地板为PEC，工作频率为300MHz。程序如下：

图1.2 计算单极子的界面
CE
GW 1 11 0 0 0 0 0 0.25 0.001
GE 1
EX 0 1 1 0 1 0
GN 1
FR 0 1 0 0 300 0
RP 0 37 2 1000 -90 0 5 90
EN
该程序保存为Monopole.nec，输出文件保存为Monopole.out，计算该单极子的程序界面如图1.2所示。计算的输出结果为：

*********************************************

NUMERICAL ELECTROMAGNETICS CODE (NEC-2D)

*********************************************

- - - - COMMENTS - - - -

- - - STRUCTURE SPECIFICATION - - -

COORDINATES MUST BE INPUT IN
METERS OR BE SCALED TO METERS
BEFORE STRUCTURE INPUT IS ENDED

WIRE NO. OF FIRST LAST TAG
NO. X1 Y1 Z1 X2 Y2 Z2 RADIUS SEG. SEG. SEG. NO.
1 .00000 .00000 .00000 .00000 .00000 .25000 .00100 11 1 11 1

GROUND PLANE SPECIFIED.

WHERE WIRE ENDS TOUCH GROUND, CURRENT WILL BE INTERPOLATED TO IMAGE IN GROUND PLANE.

TOTAL SEGMENTS USED= 11 NO. SEG. IN A SYMMETRIC CELL= 11 SYMMETRY FLAG= 0

- MULTIPLE WIRE JUNCTIONS -
JUNCTION SEGMENTS (- FOR END 1, + FOR END 2)
NONE

- - - - SEGMENTATION DATA - - - -

COO RDINATES IN METER

I+ AND I- INDICATE THE SEGMENTS BEFOR E AND AFTER I

SEG. COORDINATES OF SEG. CENTER SEG. ORIENTATION ANGLES WIRE CONNECTION DATA TAG
NO. X Y Z LENGTH ALPHA BETA RADIUS I- I I+ NO.
1 .00000 .00000 .01136 .02273 90.00000 .00000 .00100 1 1 2 1
2 .00000 .00000 .03409 .02273 90.00000 .00000 .00100 1 2 3 1
3 .00000 .00000 .05682 .02273 90.00000 .00000 .00100 2 3 4 1
4 .00000 .00000 .07955 .02273 90.00000 .00000 .00100 3 4 5 1
5 .00000 .00000 .10227 .02273 90.00000 .00000 .00100 4 5 6 1
6 .00000 .00000 .12500 .02273 90.00000 .00000 .00100 5 6 7 1
7 .00000 .00000 .14773 .02273 90.00000 .00000 .00100 6 7 8 1
8 .00000 .00000 .17045 .02273 90.00000 .00000 .00100 7 8 9 1
9 .00000 .00000 .19318 .02273 90.00000 .00000 .00100 8 9 10 1

10 .00000 .00000 .21591 .02273 90.00000 .00000 .00100 9 10 11 1
11 .00000 .00000 .23864 .02273 90.00000 .00000 .00100 10 11 0 1

***** DATA CARD NO. 1 EX 0 1 1 0 1.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
***** DATA CARD NO. 2 GN 1 0 0 0 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
***** DATA CARD NO. 3 FR 0 1 0 0 3.00000E+02 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00 0.00000E+00
** DATA CARD NO. 4 RP 0 37 2 1000 -9.00000E+01 0.00000E+00 5.00000E+00 9.00000E+01 0.00000E+00 0.00000E+00

- - - - - - FREQUENCY - - - - - -

FREQUENCY= 3.0000E+02 MHZ
WAVELENGTH= 9.9933E-01 METERS

APPROXIMATE INTEGRATION EMPLOYED FOR SEGMENTS MORE THAN 1.000 WAVELENGTHS APART

- - - STRUCTURE IMPEDANCE LOADING - - -

THIS STRUCTURE IS NOT LOADED

- - - ANTENNA ENVIRONMENT - - -

PERFECT GROUND

- - - MATRIX TIMING - - -

FILL= .000 SEC., FACTOR= .000 SEC.

- - - ANTENNA INPUT PARAMETERS - - -

TAG SEG. FREQUENCY VOLTAGE (VOLTS) CURRENT (AMPS) IMPEDANCE (OHMS) ADMITTANCE (MHOS) POWER
NO. NO. MHZ REAL IMAG. REAL IMAG. REAL IMAG. REAL IMAG. (WATTS)
1 1 3.0000E+02 1.0000E+00 0.0000E+00 1.7620E-02-1.0365E-02 4.2164E+01 2.4803E+01 1.7620E-02-1.0365E-02 8.8098E-03

- - - CURRENTS AND LOCATION - - -

DISTANCES IN WAVELENGTHS

SEG. TAG COORD. OF SEG. CENTER SEG. - - - CURRENT (AMPS) - - -
NO. NO. X Y Z LENGTH REAL IMAG. MAG. PHASE
1 1 .0000 .0000 .0114 .02274 1.7620E-02 -1.0365E-02 2.0442E-02 -30.467
2 1 .0000 .0000 .0341 .02274 1.7294E-02 -1.0700E-02 2.0336E-02 -31.747
3 1 .0000 .0000 .0569 .02274 1.6647E-02 -1.0745E-02 1.9814E-02 -32.841
4 1 .0000 .0000 .0796 .02274 1.5691E-02 -1.0473E-02 1.8866E-02 -33.722
5 1 .0000 .0000 .1023 .02274 1.4442E-02 -9.9165E-03 1.7519E-02 -34.475
6 1 .0000 .0000 .1251 .02274 1.2918E-02 -9.0925E-03 1.5797E-02 -35.140
7 1 .0000 .0000 .1478 .02274 1.1144E-02 -8.0186E-03 1.3729E-02 -35.738
8 1 .0000 .0000 .1706 .02274 9.1421E-03 -6.7118E-03 1.1341E-02 -36.285
9 1 .0000 .0000 .1933 .02274 6.9346E-03 -5.1863E-03 8.6594E-03 -36.792
10 1 .0000 .0000 .2161 .02274 4.5281E-03 -3.4458E-03 5.6901E-03 -37.270
11 1 .0000 .0000 .2388 .02274 1.7967E-03 -1.3895E-03 2.2713E-03 -37.717

- - - POWER BUDGET - -

INPUT POWER = 8.8098E-03 WATTS
RADIATED POWER= 8.8098E-03 WATTS
STRUCTURE LOSS= 0.0000E+00 WATTS
NETWORK LOSS = 0.0000E+00 WATTS
EFFICIENCY = 100.00 PERCENT

- - - RADIATION PATTERNS - - -

- - ANGLES - - - POWER GAINS - - - - POLARIZATION - - - - - - E(THETA) - - - - - - E(PHI) - - -
THETA PHI VERT. HOR. TOTAL AXIAL TILT SENSE MAGNITUDE PHASE MAGNITUDE PHASE
DEGREES DEGREES DB DB DB RATIO DEG. VOLTS/M DEGREES VOLTS/M DEGREES
-90.00 .00 5.19 -999.99 5.19 .00000 .00 LINEAR 1.32088E+00 -123.87 0.00000E+00 .00
-85.00 .00 5.14 -999.99 5.14 .00000 .00 LINEAR 1.31332E+00 -123.87 0.00000E+00 .00
-80.00 .00 4.99 -999.99 4.99 .00000 .00 LINEAR 1.29092E+00 -123.86 0.00000E+00 .00
-75.00 .00 4.74 -999.99 4.74 .00000 .00 LINEAR 1.25438E+00 -123.84 0.00000E+00 .00
-70.00 .00 4.39 -999.99 4.39 .00000 .00 LINEAR 1.20488E+00 -123.81 0.00000E+00 .00
-65.00 .00 3.94 -999.99 3.94 00000 .00 LINEAR 1.14391E+00 -123.78 0.00000E+00 .00
-60.00 .00 3.39 -999.99 3.39 .00000 .00 LINEAR 1.07319E+00 -123.74 0.00000E+00 .00
-55.00 .00 2.72 -999.99 2.72 .00000 .00 LINEAR 9.94596E-01 -123.70 0.00000E+00 .00
-50.00 .00 1.95 -999.99 1.95 .00000 .00 LINEAR 9.09972E-01 -123.65 0.00000E+00 .00
-45.00 .00 1.06 -999.99 1.06 .00000 .00 LINEAR 8.21085E-01 -123.60 0.00000E+00 .00
-40.00 .00 .03 -999.99 .03 .00000 .00 LINEAR 7.29511E-01 -123.55 0.00000E+00 .00
-35.00 .00 -1.15 -999.99 -1.15 .00000 .00 LINEAR 6.36580E-01 -123.50 0.00000E+00 .00
-30.00 .00 -2.53 -999.99 -2.53 .00000 .00 LINEAR 5.43335E-01 -123.45 0.00000E+00 .00
-25.00 .00 -4.15 -999.99 -4.15 .00000 .00 LINEAR 4.50518E-01 -123.41 0.00000E+00 .00
-20.00 .00 -6.14 -999.99 -6.14 .00000 .00 LINEAR 3.58576E-01 -123.37 0.00000E+00 .00
-15.00 .00 -8.68 999.99 -8.68 .00000 .00 LINEAR 2.67689E-01 -123.34 0.00000E+00 .00
-10.00 .00 -12.23 -999.99 -12.23 .00000 .00 LINEAR 1.77805E-01 -123.31 0.00000E+00 .00
-5.00 .00 -18.27 -999.99 -18.27 .00000 .00 LINEAR 8.86938E-02 -123.30 0.00000E+00 .00
.00 .00 -999.99 -999.99 -999.99 .00000 .00 0.00000E+00 .00 0.00000E+00 .00
5.00 .00 -18.27 -999.99 -18.27 .00000 .00 LINEAR 8.86938E-02 56.70 0.00000E+00 .00
10.00 .00 -12.23 -999.99 -12.23 .00000 .00 LINEAR 1.77805E-01 56.69 0.00000E+00 .00
15.00 .00 -8.68 -999.99 -8.68 .00000 .00 LINEAR 2.67689E-01 56.66 0.00000E+00 .00
20.00 .00 -6.14 -999.99 -6.14 .00000 .00 LINEAR 3.58576E-01 56.63 0.00000E+00 .00
25.00 .00 -4.15 -999.99 -4.15 .00000 .00 LINEAR 4.50518E-01 56.59 0.00000E+00 .00
30.00 .00 -2.53 -999.99 -2.53 .00000 .00 LINEAR 5.43335E-01 56.55 0.00000E+00 .00
35.00 .00 -1.15 -999.99 -1.15 .00000 .00 LINEAR 6.36580E-01 56.50 0.00000E+00 .00
40.00 .00 .03 -999.99 .03 .00000 .00 LINEAR 7.29511E-01 56.45 0.00000E+00 .00
45.00 .00 1.06 -999.99 1.06 .00000 .00 LINEAR 8.21085E-01 56.40 0.00000E+00 .00
50.00 .00 1.95 -999.99 1.95 .00000 .00 LINEAR 9.09972E-01 56.35 0.00000E+00 .00
55.00 .00 2.72 -999.99 2.72 .00000 .00 LINEAR 9.94596E-01 56.30 0.00000E+00 .00

60.00 .00 3.39 -999.99 3.39 .00000 .00 LINEAR 1.07319E+00 56.26 0.00000E+00 .00
65.00 .00 3.94 -999.99 3.94 .00000 .00 LINEAR 1.14391E+00 56.22 0.00000E+00 .00
70.00 .00 4.39 -999.99 4.39 .00000