При всем внешнем несходстве все существующие программы моделирования антенн устроены однотипно. В основе расчётов лежит вычислительное ядро, обеспечивающее численное решение уравнений поля (NEC) методом моментов для каждой точки. Над ядром существует сервисная оболочка, готовящая данные для ядра и представляющая в удобном виде полученные результаты расчёта. Легко понять, что возможная точность расчетов (то есть совпадение модели с реальной антенной) определяется именно ядром. Конечно, бестолково написанная оболочка (прежде всего с малым максимально допустимым числом точек) может понизить точность конечного результата, но увеличить – никогда.
В настоящее время существует три основных ядра. Все они написаны в Америке, большими коллективами предназначены для профессиональных (в первую очередь - военных) целей. Сомневаться в их точности (естественно если модель не "вылезает" ни за одно из общих ограничений метода моментов - см. предыдущий параграф) не приходится, поскольку ядра прошли многолетнюю и тщательную проверку коллективами профессионалов, на соответствие расчётных и реальных параметров антенн. Рассмотрим все три ядра.
MININEC (MiniNumerical Electromagnetic Code). Присутствующее в названии Mini означает не урезанность, а то, что время вычислений минимизировано. Имеет несколько версий. Исторически самое первое удачное ядро, примененное на персональном компьютере. Основной недостаток: при моделировании реальной земли не учитываются потери ближней реактивной зоны антенны (что это такое - см. параграф 3.1) в реальной земле. При вычислениях входного сопротивление земля полагается идеальной. Поэтому при моделировании низковисящих антенн возникает погрешность в определении усиления (только для горизонтальных антенн на высоте <0,16l) и входного сопротивления (ДН считаются верно, с корректным учетом потерь в реальной земле). Подробнее об этом в параграфах 2.2.5.1, 3.3.4 и 3.4.5.
NEC2 (Numerical Electromagnetic Code 2). Вышел на несколько лет позднее MININEC>а. Не является более новой версией MININECа – это отдельное вычислительное ядро. Написан для преодоления вышеупомянутого недостатка MININECа. Входное сопротивление и усиление низковисящих над реальной землей антенн считается точнее, с учетом потерь ближней зоны .Также, требуемая точность расчета достигается при меньшем, чем у MININEC числе сегментов. Это ускоряет вычисления, и лет в конце 20-го века назад было отчаянно важно – существовавшие тогда компьютеры с частотой менее 100 МГц считали большие, профессиональные антенны очень долго (сейчас, когда частота компьютеров зашкалила за 3 ГГц, это потеряло актуальность). К сожалению NEC2 приобрел свои (отсутствующие у MININECа) недостатки. Это : невозможность учёта противовесов лежащих на земле и ошибки при стыковке проводов разного диаметра. На последнем стоит остановиться. В принципе хотели как лучше , введена коррекция на скачки диаметра при стыках проводов. Но она даёт хорошие результаты в случае, если провод с такими скачками резонансный и стыкуемые отрезки не слишком коротки. При нарушении этих условий (скажем учёт нерезонансной телескопической мачты или траверсы, или короткой толстой вставки) NEC2 выдает результаты просто с большой ошибкой.
NEC4. Дальнейшее развитие NEC2. Может учитывать противовесы как на поверхности земли, так и закопанные в неё. Проблема с коррекцией скачков диаметров для коротких и нерезонансных отрезков хотя и не решена полностью, но удушена до приемлемой в большинстве случав точности. В общем, сплошная идиллия? Увы. В отличие от MININEC и NEC2, исходные коды которых (как ни странно это прозвучит) исходно были сделаны и распространяются как freeware (ох, недорабатывал у них в Америке секретный отдел), ядро NEC4 распространяется только по лицензии. Нет, это не синоним платности (если б только в этом дело было!) – хуже. На это ядро наложил руку лицензирования COCOM (комитет США по контролю над экспортом). Этот комитет запрещает экспорт оборудования и технологий, которые могут быть использованы для производства оружия. На NEC4 их секретный одел таки проснулся. И поэтому в обозримом будущем рядовому пользователю NEC4 не видать. Антенны – это тоже оружие. Впрочем, не стоит расстраиваться – многочисленные тесты показывают, что исключая случаи закопанных в землю проводов, MININEC и NEC2 дают результаты очень близкие к NEC4.
Разобравшись с ядрами, обратимся к оболочкам. Ядро ведь цифры (координат проводов, сегментации) получило – цифры (величины токов, напряженности полей) выдало. А входные данные надо приготовить. Сделать виды антенны, возможность её редактирования, модификации. Да все в понятном и удобном пользователю виде. И результаты расчета тоже желательно бы в графики-диаграммы разрисовать. Как минимум этим и занимается оболочка. Как минимум – потому что хорошая оболочка делает еще и много всего другого. Кроме того, оболочка стыкует вычислительные возможности компьютера с вычислительными потребностями ядра. По сути, оболочка (конечно со вставленным в нее ядром) это и есть готовая к употреблению программа моделирования антенн.
Первые удачные оболочки: ELNEC, EZNEC первых версий, NEC4WIN (это не ядро NEC4, а рекламная уловка - NEC for Win) использовали ядро MININECa. К сожалению, то ли в погоне за массовым потребителем (а это всё платные программы), то ли по какой иной причине авторы этих оболочек ограничили максимальное число точек 120, 120 и 300 соответственно (в самом ядре нет ограничения по этому параметру – ограничивает именно оболочка). Это мало для сложных антенн , и при попытке смоделировать такие антенны в рамках 120..300 сегментов получалось совсем нехорошо - результаты временами не желали иметь ничего общего с реальностью. Ввод описания антенны (проводов) производился только цифрами координат начала и конца провода (кропотливая и долгая работа, требующая терпения, граничащего с занудством пространственного воображения миллиметровой бумаги и калькулятора под рукой). Вывод результатов особым сервисом тоже не блистал (хотя NEC4WIN имел возможность оптимизации отдельных элементов антенны).
Появившиеся позднее оболочка EZNEC3.0 (и еще несколько малоизвестных) на ядре NEC2 хотя и имели более удобный интерфейс, но все же их авторы удобствами пользователя не очень озаботились - все те же длинные ряды цифр в таблице описывающей провода надо было набивать руками. Максимальное количество точек тоже не поражало воображение – 300..500, маловато для серьёзных антенн. Отсутствие автоматической оптимизации приводило к необходимости настраивать антенну вручную (очень "несложно": найти в десятках цифр в таблице проводов нужные, правильно их изменить, просчитать антенну, посмотреть результат, снова изменить и так множество раз).
Все вышеупомянутые оболочки, несмотря на более чем ненавязчивый сервис и небольшое максимальное число сегментов, стоят от 60 до 90 долларов.
Оболочки же, имеющие удобный графический интерфейс пользователя (рисование и правка антенны мышью), хороший сервис и с большим максимальным числом точек (до нескольких тысяч) стоят в среднем вдесятеро больше. Причем как на ядре MININEC - Expert MININEC Professional MININEC Broadcast, так и на ядре NEC2 – WireGrid SuperNEC, Antenna Solver, NEC-Win Pro.
На ядре же NEC4 мне известно только две подобные оболочки GNEC (800$) и EZNEC pro 3.0 (600$). И это еще, если вам удастся получить лицензию на NEC4, который в страны СНГ не поставляется (и в очень многие другие - тоже).