رمز الكهرومغناطيسية العددي

برنامج NEC ( البرنامج الكهرومغناطيسي العددي ) هو برنامج حاسوبي شائع لمحاكاة الهوائيات السلكية والسطحية . كُتب البرنامج في الأصل بلغة فورتران خلال سبعينيات القرن الماضي على يد جيرالد بيرك وأندرو بوجيو من مختبر لورانس ليفرمور الوطني . أُتيح البرنامج للاستخدام العام، ووُزّع لاحقًا على العديد من منصات الحوسبة، بدءًا من الحواسيب المركزية وصولًا إلى الحواسيب الشخصية.

يُستخدم برنامج NEC على نطاق واسع لنمذجة تصميمات الهوائيات، لا سيما التصميمات الشائعة مثل هوائيات التلفزيون والراديو، وهوائيات الموجات القصيرة وهوائيات هواة الراديو ، وما شابهها. ويمكن العثور على أمثلة لأي نوع من أنواع الهوائيات الشائعة تقريبًا بصيغة NEC على الإنترنت. ورغم مرونة برنامج NEC العالية، إلا أن له حدودًا، ولذا تُستخدم أنظمة أخرى عادةً للهوائيات الكبيرة جدًا أو المعقدة، أو في حالات خاصة مثل هوائيات الميكروويف.

يُعدّ NEC-2 الإصدار الأكثر شيوعًا ، وهو آخر إصدار تم طرحه للعموم بشكل كامل. يوجد سوق واسع ومتنوع من التطبيقات التي تُدمج شفرة NEC-2 ضمن أطر عمل لتبسيط أو أتمتة المهام الشائعة. أما الإصدارات اللاحقة، NEC-3 وNEC-4، فتتوفر بعد توقيع اتفاقية ترخيص، إلا أنها لم تحظَ بشعبية كبيرة. كما تتوفر إصدارات أخرى تستخدم نفس الأساليب الأساسية ولكنها مبنية على شفرة جديدة كليًا، بما في ذلك MININEC .

يعود تاريخ شركة NEC إلى برنامج سابق يُدعى BRACT، والذي استُخدم لتحليل الهوائيات المكونة من أسلاك رفيعة متعددة في الفضاء الحر. وقد كان هذا البرنامج مفيدًا لنمذجة أنواع معينة من الهوائيات الشائعة الاستخدام في الطائرات أو المركبات الفضائية، أو في حالات أخرى حيث تكون الأرض بعيدة بما يكفي بحيث لا تؤثر على الإشارات. طُوّر برنامج BRACT في أوائل سبعينيات القرن الماضي من قِبل شركة MBAssociates لصالح مركز أنظمة الفضاء والصواريخ التابع للقوات الجوية الأمريكية، وذلك باستخدام جهاز CDC 6600 ، أحد أوائل الحواسيب العملاقة . وتشتهر شركة MBAssociates، التي سُميت تيمنًا بالشريكين المؤسسين بوب مايناردت وآرت بيهل، بتطويرها لمدفع الصواريخ جيروجيت . ^{[ 1 ]}

أدى نجاح برنامج BRACT إلى توقيع عقد ثانٍ مع شركة MBAssociates، هذه المرة من قبل مختبر الأبحاث البحرية ومركز تطوير الطيران التابع للقوات الجوية الأمريكية في روما ، لتكييف برنامج BRACT ليأخذ في الاعتبار تأثير الأرض. نتج عن ذلك برنامج نمذجة الهوائيات (AMP). كما انتقل برنامج AMP من استخدام البطاقات المثقبة للإدخال وإخراج الطابعة الخطية إلى استخدام ملفات نصية على القرص الصلب للإدخال والإخراج. أضاف AMP دعمًا للملفات على القرص الصلب من خلال محاكاة النظام الأصلي، وكتابة البيانات من بطاقة مثقبة واحدة إلى سطر مكون من 80 عمودًا في ملف نصي ، حيث يمثل الملف ككل مجموعة من البطاقات. ^{[ 2 ]} أضاف الإصدار اللاحق، AMP2، حسابات للأسطح الممتدة مثل العاكسات. ^{[ 3 ]}

يُعدّ برنامج NEC نسخةً متطورةً من برنامج AMP2، مع خيارات وميزات إضافية. وقد طُوّر بواسطة مبرمجين في مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) بموجب عقد مع مركز أنظمة المحيطات البحرية ومختبر أسلحة القوات الجوية. ^{[ 3 ]} أضاف برنامج NEC الأصلي نظامًا أكثر دقةً لحساب التيارات على طول الأسلاك، وعند نقاط التقاء الأسلاك، بالإضافة إلى خيارٍ يزيد من الدقة عند استخدام أسلاك سميكة ذات نسبة عرض إلى طول منخفضة. أضاف برنامج NEC-2 ميزتين رئيسيتين إلى برنامج NEC الأصلي، وهما دالة غرين العددية للتعامل مع المستويات الكبيرة، وتوسيع نطاق كود المستوى الأرضي للتعامل مع المواد ذات الفقد الجزئي، وهي مواد أكثر واقعيةً للهوائيات القريبة من الأرض. مع إصدار NEC-2، أصبح البرنامج الأصلي يُعرف باسم NEC-1. ^{[ 3 ]}

طُرحت نسخ من البرنامج على منصة MS-DOS في أواخر ثمانينيات القرن العشرين، مستخدمةً في الغالب مُجمِّعات FORTRAN القادرة على ترجمة الشفرة الأصلية. لاحقًا، حوّلت الإصدارات شفرة FORTRAN إلى لغة البرمجة C ، إما يدويًا أو باستخدام أدوات آلية. كانت هذه الإصدارات غالبًا محدودة بموارد المنصة. أما الإصدارات الحديثة، فتُشغَّل على مجموعة واسعة من المنصات. ^{[ 2 ]} عادةً ما تحتوي البرامج الحديثة على واجهة مستخدم رسومية (GUI) منفصلة تُمكِّن المستخدم من رسم الهوائي وتعديله. بعد ذلك، تُحوِّل واجهة المستخدم الرسومية التصميم إلى تنسيق ملف NEC-2 وتُشغِّل برنامج NEC-2. ثم تُحلِّل واجهة المستخدم الرسومية مُخرجات NEC-2 وتعرض النتائج بيانيًا. مع الانتقال إلى الحواسيب الصغيرة، ظهرت وفرة من تنسيقات الملفات المختلفة قليلًا، والتي وُصفت لاحقًا بأنها "شبه تنسيق حر". ^{[ 4 ]}

استمر تطوير أكواد NEC الأصلية في مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL)، مما أدى إلى إنتاج NEC-3 الذي أضاف إمكانية نمذجة العناصر المدفونة في الأرض أو البارزة منها، وNEC-4 الذي تضمن مجموعة واسعة من التحديثات. وقد رسّخ NEC-4 ما كان شائعًا بالفعل، حيث يستقبل المدخلات من ملف محدد، ويرسل المخرجات إلى ملف آخر، ويسمح بإضافة التعليقات إلى أي سطر باستخدام الرمز ^{[ 5 ]}! . كما قدم NEC-4 نظام ترخيص جديدًا، وهو غير متاح كمصدر مفتوح . ^{[ 6 ]}

يعتمد البرنامج على طريقة العزوم لحل معادلة المجال الكهربائي التكاملية (EFIE) للأسلاك الرقيقة ومعادلة المجال المغناطيسي التكاملية (MFIE) للأسطح الموصلة المغلقة. ^{[ 7 ]} ويستخدم طريقة تكرارية لحساب التيارات في مجموعة من الأسلاك، والمجالات الناتجة عنها. ^{[ 8 ]}

تبدأ الحسابات بحساب المجال الكهربائي في الفضاء لإشارة راديوية بتردد معين، تنتقل عادةً على طول المحور X  في الفضاء ثلاثي الأبعاد. يكون هذا المجال منتظمًا في المحورين Y و Z ، ولكنه يتغير على طول المحور X  ؛ وتُحدد شدة الإشارة عند أي نقطة على طول المحور X بالطور في تلك اللحظة. تعمل الهوائيات لأن المجال يتغير بمرور الوقت مع مرور جبهة الموجة أمام الهوائي. يُحفز هذا المجال المتغير تيارًا في الموصلات، ويُحدد الجهد الكهربائي بشدة المجال في تلك اللحظة. يتكون الهوائي من موصلات ممتدة ولكن ذات طول محدود، لذا ينتج عن نمط المجال جهود كهربائية مختلفة عند نقاط مختلفة حول الهوائي. في مصطلحات الهوائيات، يُعرف كل موصل من الموصلات المكونة للهوائي باسم عنصر . ^{[ 9 ]}

لحساب النتيجة النهائية، يقسم برنامج NEC عناصر الهوائي إلى عدد من النقاط المأخوذة منها عينات، تُسمى أجزاءً . ويستخدم حسابات بسيطة تعتمد على قطر الموصل وطول موجة الإشارة لتحديد الجهد والتيارات المستحثة في كل جزء من هذه الأجزاء. وبحسب ترتيب الأسلاك، فإن التيارات المستحثة في بعض الأجزاء ستعزز أو تقاوم التيارات في أجزاء أخرى. يجمع برنامج NEC كل هذه التيارات لتحديد التيار الكلي في كل موصل. ^{[ 10 ]}

عندما يمر تيار متردد في موصل، فإنه يشع موجة كهرومغناطيسية (موجة راديوية). في الهوائيات متعددة العناصر، تحث المجالات الناتجة عن التيارات في أحد العناصر تيارات في العناصر الأخرى. تتفاعل الهوائيات ذاتيًا في هذا الصدد؛ حيث تتراكب الموجات المعاد إشعاعها من العناصر على إشارة الراديو الأصلية قيد الدراسة. يحسب برنامج NEC المجال الناتج عن هذه المساهمات، ويضيفه إلى إشارة الراديو الأصلية، ثم يعيد إجراء الحساب بالكامل باستخدام هذا المجال المعدل. ولأن الإشارة المعاد إشعاعها عادةً ما تكون صغيرة مقارنةً بالإشارة الأصلية، فإنها تُحدث تغييرًا طفيفًا، أو اضطرابًا ، في تيارات العناصر الناتجة. ثم يُكرر البرنامج الحساب مرة أخرى باستخدام تيارات العناصر الجديدة، ليحصل على مجالات إشعاع جديدة. تُكرر هذه العملية حتى تتقارب القيم الناتجة. ^{[ 11 ]}

تستخدم شركة NEC طريقة منفصلة لحساب مساهمة الأسطح الممتدة المصنوعة من مواد معينة، مثل عاكس شبكي سلكي. في هذه الحالة، يُعتبر السطح وحدةً واحدة، ويتم حساب المساهمة المغناطيسية مباشرةً وإعادتها إلى الحساب بعد مراعاة مساهمات الأسلاك الفردية. ^{[ 12 ]} تُستخدم حلول تكاملية مماثلة لحساب تأثيرات السطح الأرضي . وبالمثل، يتم نمذجة الأحمال الحثية والسعوية، وأسلاك النقل المعزولة فوق الأرض والمدفونة فيها، وغيرها من الأجزاء الشائعة في نظام الهوائي الممتد، باستخدام طرق عددية أبسط. ^{[ 13 ]}

تتقارب الحسابات عادةً بسرعة. ثم تُؤخذ عينة من المخرجات عند نقطة يحددها المستخدم، وهي نقطة الحمل . في الهوائي الحقيقي، تكون هذه النقطة عادةً هي مكان توصيل السلك بجهاز الإرسال أو الاستقبال. والنتيجة هي قيمة تشير إلى الطاقة المُسلَّمة إلى الحمل عند الاستقبال، أو مقدار الطاقة التي يمتصها الهوائي أثناء الإرسال. ^{[ 14 ]}

ثم تُكرر NEC سلسلة الحسابات هذه مع تغيير اتجاه الإشارة بحيث تقترب من الهوائي من زوايا مختلفة على المحورين X و Y  ، وتخزن النتائج لكل تركيبة من الزوايا. بعد ذلك، تُقاس النتائج وفقًا لأقوى إشارة مُستقبلة (عادةً عند X و Y  =  0، أو "مباشرةً") لإنتاج نمط ثلاثي الأبعاد يوضح الكسب النسبي لكل زاوية. ويتضح من هذه الأرقام الكسب النسبي مقارنةً بهوائي متساوي الإشعاع (ديسيبل)، ونسبة الإشارة الأمامية إلى الخلفية ، ونسبة الموجة الموقوفة ، ونمط الاستقبال العام. ^{[ 15 ]} غالبًا ما تُحوّل البرامج هذه البيانات إلى أشكال أكثر شيوعًا مثل مخططات سميث . ^{[ 16 ]}

لا يوجد حد نظري لحجم الخوارزمية، ويمكن تطبيقها على مصفوفات كبيرة جدًا أو لنمذجة أنظمة هوائيات صغيرة جدًا بدقة عالية. وقد أثبتت الخوارزمية موثوقيتها (احتمالية تقاربها نحو الحل) ودقتها (احتمالية إنتاجها نتائج مماثلة للأداء المقاس) في نمذجة الهياكل ذات العناصر الرقيقة مثل هوائيات ياغي وأبراج الإشعاع. كما يدعم محرك NEC نمذجة هوائيات الرقعة. ويمكن استخدامه مع هوائيات الموجات الدليلية المشقوقة ، أو الهوائيات الكسورية، أو التصاميم المشابهة التي لا تكون عناصرها الموصلة على شكل قضبان ، ولكنه غير مناسب لها . ^{[ 15 ]}

تُعاني خوارزمية طريقة العزوم من قيود عملية أيضًا؛ إذ يتناسب عدد العمليات الحسابية اللازمة لنمذجة بنية ثلاثية الأبعاد مكونة من N عنصرًا مُشعًا تقريبًا مع مكعب N.  تتطلب نمذجة هوائي مكون من 100 قطعة سلكية مليون عملية حسابية (100³ ⁾ . ويتطلب زيادة عدد العناصر بمقدار 10 أضعاف  مليار عملية حسابية ^(1000³) ، مما يزيد وقت الحساب بمقدار 1000 ضعف، بافتراض اكتمال المحاكاة في ظل قيود الذاكرة المتاحة. ونتيجةً لذلك، توجد طرق أخرى، مثل البصريات الهندسية، تُفضّل لنمذجة الهياكل الكبيرة. ^{[ 16 ]}     

تتضمن معظم البرامج التي تستخدم NEC ميزات تُشغّل دفعات من حسابات NEC لإنتاج مُخرج مُركّب. ومن الأمثلة الشائعة تشغيل مجموعة الحسابات الكاملة لترددات إدخال مختلفة، ثم رسم عينات على مخطط واحد. يُمكن استخدام هذه الميزة لأخذ عينات من ترددات تلفزيون UHF ، على سبيل المثال، لإنتاج رسم بياني يُوضح الكسب عبر النطاق. ومن الميزات الشائعة الأخرى مُحلِّل تكراري يُعدِّل مُعاملًا مُحددًا بين عمليات التشغيل، كالمسافة بين العناصر، لتحقيق أقصى أداء. هذه العمليات مُستقلة إلى حد كبير، ويُمكن مُوازاتها بسهولة على الأجهزة الحديثة. ^{[ 16 ]}

ملف إدخال NEC عبارة عن سلسلة من الأسطر؛ يُعرف هذا الملف باسم "مجموعة" (نسبةً إلى "مجموعة البطاقات"، في إشارة إلى تنسيقات البطاقات المثقبة الأصلية) ويستخدم امتداد ملف . .deckأو . .necيبدأ كل سطر نصي، أو "بطاقة"، بواحد من عشرات المعرّفات التي تُشير إلى كيفية تفسير السطر. أحد أكثر المعرّفات شيوعًا في أكواد NEC هو GW، الذي يُعرّف سلكًا واحدًا (عنصرًا) في الهوائي. تعريفه هو:

GWITG NS XW1 YW1 ZW1 XW2 YW2 ZW2 RAD

يُعرّف النص الحرفيGW هذا العنصر على أنه خط يصف هندسة سلك مستقيم. أما المعامل ITG ، وهو اختصار لـ "integer tag"، فهو رقم يُدخله المستخدم لتعريف هذا العنصر ("tag"). يُحدد المعامل NS عدد القطع التي يجب تقسيم السلك إليها أثناء الحساب؛ استخدام عدد أكبر من القطع يُقسّم السلك إلى أجزاء أصغر، وقد يُنتج نتائج أكثر دقة على حساب زيادة وقت الحساب. المعاملات الستة التالية هي أعداد حقيقية تُحدد مواقع X و Y و Z لنقطتي نهاية السلك. وأخيرًا، المعامل RAD هو نصف قطر السلك. إذا تم تعيينه إلى الصفر، فيجب أن يكون السطر التالي سطرًا GCيتضمن معلومات إضافية لتحديد قضبان مدببة. ^{[ 17 ]}

يوضح المثال التالي نموذجًا كاملاً لوحدة إدخال الهوائي الدوري اللوغاريتمي ، مثل تلك المستخدمة لاستقبال البث التلفزيوني VHF:

CM TESTEX5 هوائي دوري لوغاريتمي مكون من 12 عنصرًا في الفضاء الحر CM 78 SEGMENTS. SIGMA=O/L RECEVIING AND TERNS. PTENTION. نسبة طول ثنائي القطب إلى قطره = 150 سم. CE TAU=0.93. SIGMA=0.70. BOOM IMPEDANCE=50. OHMS. GW 1 5 0.0000 -1.0000 0.0000000 0.00000 1.0000 0.000 .00667 GW 2 5 -0.7527 -1.0753 0. -0.7527 1.0753 0. 0.00717 GW 3 5 -1.562 -1.1562 0. -1.562 1.1562 0. .00771 GW 4 5 -2.4323 -1.2432 0. -2.4323 1.2432 0. .00829 GW 5 5 -3.368 -1.3368 0. -3.368 1.3368 0. .00891 GW 6 7 -4.3742 -1.4374 0. -4.3742 1.4374 0. .00958 GW 7 7 -5.4562 -1.5456 0. -5.4562 1.5456 0. .0103 GW 8 7 -6.6195 -1.6619 0. -6.6195 1.6619 0. .01108 GW 9 7 -7.8705 -1.787 0. -7.8705 1.787 0. .01191 GW 10 7 -9.2156 -1.9215 0. -9.2156 1.9215 0. .01281 GW 11 9 -10.6619 -2.0662 0. -10.6619 2.0662 0. .01377 GW 12 9 -12.2171 -2.2217 0. -12.2171 2.2217 0. .01481 جنرال إلكتريك FR 0 0 0 0 46.29 0. TL 1 3 2 3 -50. TL 2 3 3 3 -50. TL 3 3 4 3 -50. TL 4 3 5 3 -50. TL 5 3 6 4 -50. TL 6 4 7 4 -50. TL 7 4 8 4 -50. TL 8 4 9 4 -50. TL 9 4 10 4 -50. TL 10 4 11 5 -50. TL 11 5 12 5 -50. ,0.,0.,0.,.02 مثال 0 1 3 10 1 RP 0 37 1 1110 90. 0. -5. 0. الإنجليزية 

يبدأ المثال بعدة CMأسطر (تعليق) متبوعة بالتعليق الأخير في CEسطر (نهاية التعليق). CEيجب أن يتبع ذلك أسطر هندسية (أسطر تبدأ أوامرها بالحرف G. ^{[ 18 ]}

في هذه الحالة، يتكون قسم الهندسة من اثني عشر GWعنصرًا تُشكل الهوائي. كل عنصر أطول من سابقه، وللحفاظ على الدقة، تُقسم العناصر اللاحقة إلى أجزاء أكثر. جميع القياسات في برنامج NEC تُقاس بالمتر، لذا يبلغ عرض العنصر الأول مترين، ويمتد من -1 إلى 1. GEيُشير الخط إلى نهاية قسم الهندسة. عند هذه النقطة، يفحص برنامج NEC الهندسة بحثًا عن نقاط نهاية متداخلة، ثم يربطها معًا لتكوين موصل واحد أطول. GEيحتوي الخط أيضًا على مدخل واحد يُشير إلى وجود مستوى أرضي؛ في هذا المثال، لم يتم تحديده، لذا يقع الهوائي فوق "أرضية قياسية". ^{[ 18 ]}

ثم يضبط الخط FRتردد الاختبار على 46.29  ميجاهرتز. FRيمكن للخطوط، اختيارياً، تحديد عدد وقيمة خطوات التردد إذا كان النظام يُستخدم لتحليل الأداء عبر نطاق من الترددات، ولكن هذا غير مستخدم في هذه الحالة. TLتربط خطوط النقل العناصر المختلفة ببعضها. يمكن رؤية هذه الخطوط في معظم التصاميم اللوغاريتمية الدورية على شكل قضيبين رفيعين يمتدان على طول ذراع الهوائي بين عناصر الهوائي الرئيسية، على الرغم من أن بعض التصاميم تستخدم الذراع نفسه، أو تخفي الأسلاك داخله. EXيشير خط الإثارة إلى موقع الطاقة المُزوَّدة للتصميم، وفي هذه الحالة، يتم تطبيق فرق جهد كهربائي مقداره 1 فولت في منتصف السلك المُعَلَّم بالرقم 1، بينما RPيحدد نمط الإشعاع بعض خصائص الإشارة. ^{[ 18 ]}

أخيرًا، ENيشير السطر (نهاية الإدخال) إلى اكتمال سطح العمل، وعندها يبدأ برنامج NEC عملية المحاكاة ويُنشئ التقارير. تبدأ التقارير بإعادة طباعة جزء كبير من الإدخال، مما يسمح للمستخدم بالتحقق من وجود أخطاء. ثم تتضمن أقسامًا مطولة توضح كيفية تقسيم النظام للهوائي إلى أجزاء. وأخيرًا، تبدأ التقارير في سرد ​​القيم المحسوبة في شكل جدولي. تتضمن عينة صغيرة من مخرجات المثال أعلاه ما يلي:

 - - - أنماط الإشعاع - - - - - الزوايا - - - المكاسب التوجيهية - - - الاستقطاب - - - - E(θ) - - - - - E(Φ) - - - ثيتا فاي عمودي أفقي إجمالي الميل المحوري الإحساس المقدار الطور المقدار الطور درجات درجات ديسيبل ديسيبل ديسيبل نسبة درجة فولت/م درجات فولت/م درجات 90.00 .00 -999.99 9.75 9.75 .00000 90.00 خطي 0.00000E+00 .00 2.46922E+00 -66.00 85.00 .00 -999.99 9.70 9.70 .00000 90.00 خطي 0.00000E+00 .00 2.45352E+00 -65.20 [تم حذف العديد من الأسطر] 30.00 .00 -999.99 2.10 2.10 .00000 90.00 خطي 0.00000E+00 .00 1.02313E+00 38.02 25.00 .00 -999.99 -.14 -.14 .00000 90.00 خطي 0.00000E+00 .00 7.90310E-01 59.26 [تمت إزالة المزيد من الأسطر] 

تشير المخرجات إلى أن الهوائي يتمتع بكسب أقصى يبلغ 9.75 ديسيبل، أي ما يزيد قليلاً عن ثلاثة أضعاف كسب الهوائي متساوي الإشعاع. ومع ذلك، عند تحرك الإشارة بمقدار خمس درجات فقط إلى الجانب، ينخفض ​​هذا الكسب إلى 9.5 ديسيبل. وعند الوصول إلى زاوية 75 درجة من الأمام، يبدأ الهوائي في إظهار كسب سالب. وهذا يدل على أن هذا الهوائي موجه إلى حد كبير، ومن المتوقع أن تكون نسبة الإشارة الأمامية إلى الخلفية عالية. ^{[ 18 ]}