Numeric
Electromagnetic Code (NEC), es un software para el análisis y
modelamiento de antenas, cuyo código fue escrito originalmente en
Fortran por Gerald
J. Burke y
Andrew J. Poggio en
los años 70.
NEC
tuvo sus origenes en una versión anterior llamada AMP (Programa para
el modelamiento de antennas) el cual fue desarrollado por
encargo de un estamento
del
gobierno de
los Estados Unidos. El código de
esa aplicación pasó a ser
público y con base en éste
se han desarrollado tanto aplicaciones comerciales como Libres.
El software NEC2 tiene su fundamentación teórica en la solución
numérica a las
ecuaciones integrales de
campos magnéticos y campos eléctricos. Es
una herramienta para
“analizar la respuesta electromagnetica
de
una estructura arbirtraria de conductores y superficies en el espacio
libre o sobre un plano de tierra”(Guia del Usuario NEC-2,
Abstract).
Se
sabe
que existen infinidad de variables que influyen en el desempeño y
comportamiento de una antena; por
lo tanto
hay
que
tener claro que si bien el software presenta un modelo teórico,
habrá condiciones reales que marcarán la diferencia entre los
resultados presentados por el modelo y el desempeño y comportamiento
real y práctico de la antena. Esto
quiere decir que dentro de las limitaciones de la solución numérica
y dentro
de las
capacidades del software, se obienen resultados bastante precisos.
No
obstante;
tener un modelo ayuda a acortar el camino al éxito disminuyendo la
cantidad de experiencias prueba y error que haya que realizar, lo
cual se traducirá
en otros beneficios que serán
valorados
conforme se
gana
experiencia. “Estamos
parados sobre hombros de gigantes.”
Como
amateurs a las telecomunicaciones, se
prueban
muchas herramientas para el modelamiento de antenas. Si además de
ser aficionados a las telecomunicaciones, tambien se es al Software
Libre y especialmente a GNU Linux, se hechan de menos muchas
herramientas escritas
para el Sistema Operativo
Windows y
cuyos autores por multiples razones no escribieron para GNU Linux.
Una
herramienta para el modelado de antenas no es la excepción a menos
que sea
un usuario avanzado. Afortunadamente Neoklis Kyriazis (5B4AZ) se
ha tomado el trabajo de llevar NEC al escritorio de GNULinux con un
desarrollo bastante amigable para los neófitos y no por eso menos
útil para usuarios igualmente
avanzados;
se trata de “xnec2c”.
Partiendo de éste artículo y a través de los siguientes, se
presentará
“xnec2c”,
se
aprenderá
a utilizarlo y sacar provecho de sus
capacidades.
Antes
de comenzar con “xnec2c”,
y dado que se basa originalmente en el funcionamiento de NEC,
conviene hacer una breve introducción a NEC.
La entrada para NEC es un archivo plano que tiene una estructura bien definida y
que se
describe
aquí.
El
archivo se compone de tres bloques compuestos por lineas llamadas “tarjetas”
(Cards); esto es una herencia de la computación de los años 70s en
que los programas y los datos eran alimentados en las computadora
mediante el empleo de tarjetas perforadas. Cada bloque esta compuesto de
múltiples líneas de datos y cada linea comienza con una etiqueta
(tag) que hace referencia al contenido de la linea.
El primer bloque corresponde a las tarjetas de comentarios, lo que se coloque en
cada linea de este bloque no se computa; es de carácter meramente
documental.
El segundo bloque es donde se define la antena propiamente dicha, su
geometría y otros valores.
El tercer bloque se denomina de comándos, en él se colocan parámetros específicos que se emplearán en el cálculo
del modelo. Algunos comándos hacen referencia a como se
quiere
que sea devuelta la información, de
manera que sea útil a los propósitos del análisis.
Como
se dijo anteriormente, cada
linea en cada bloque comienza con una etiqueta (tag)
y seguidamente van
los
parámetos, sean
éstos datos o comandos.
El
siguiente es un ejemplo de un archivo .nec :
 |
| Ejemplo de archivo .nec |
El bloque de comentarios
Las
primeras tres líneas corresponden a la tarjeta de comentarios y se
interpretan así: la etiqueta de la línea es “CM”, seguida por
un texto arbitrario que sirva de documentación; se trata del
comentario propiamente dicho. Hay dos líneas de comentario en este
ejemplo. Pueden haber tantos comentarios como sea necesario y cada
linea siempre comienza con la etiqueta “CM”. La tercera linea
comienza por la etiqueta “CE” que es la etiqueta de fin de
comentarios.; esta etiqueta debe ser la última linea en la tarjeta
de comentarios y solo debe haber una(1) línea con esta etiqueta en
la tarjeta.
El
bloque de definición de la geometría de la antena
Las
siguientes cuatro (4) líneas corresponden a la tarjeta de definición
de la geometría de la antena. En la tarjeta del ejemplo, se ha
definido la geometría de tres elementos que corresponde a las lineas
cuya etiqueta de inicio es “GW”. La etiqueta GW permite definir
un elemento rectilíneo (un alambre), su longitud, su diámetro y su
posición relativa en el espacio. Esta tarjeta termina con una linea
cuya etiqueta es “GE” indicando el final de la definición de los
elementos de la antena.
El
bloque de comándos
Las
siguientes ocho (8) líneas corresponden a la tarjeta de comándos.
Esta tarjeta termina con una línea cuya etiqueta es “EN”, la
cual indica que es el final de la tarjeta de comándos, lo que haya
luego de ella será ignorado y no será procesado. Algunas etiquetas
en este bloque son: “EX” donde se especifica los parámetros de
alimentación de la antena. “FR” para especificar el rango de
frecuencias que se quiere evaluar. Puede revisar el apendice con la
referencia a todas las etiquetas disponibles en el software.
Una
vez definidos los bloques con sus respectivas tarjetas, el archivo resultante es alimentado al código
de NEC, el cual lo procesa y entrega los resultados
correspondientes, bien sea numéricamente, gráficamente o en ambos
formatos.
La
información arrojada por NEC corresponderá entonces al
comportamiento de la antena modelada en el rango de frecuencias
establecido.
Porqué modelar antes de construir?
De
forma práctica, el primero paso antes de construir una antena
consiste en calcular la longitud de los elementos.
Para
el caso de un dipolo horizontal, que puede ser en solitario o como parte de una Yagui, el
elemento activo o exitado se calcula fácilmente mediante la formula
L
= 150*K/F, donde L es la longitud del elemento en metros, K es el
factor de velocidad en el cable coaxial de alimentación y F es la
frecuencia en Mhz. Luego
se calcularán los demás elementos dependiendo del diseño; en el
caso de una Yagui habrá que calcular el reflector y los directores
así como las distancias relativas de estos. Pero esto solo asegura
teóricamente la frecuencia de resonancia y no brinda información
sobre el comportamiento de la antena en la banda de frecuencias
seleccionadas, debido a que las formulas no incluyen parámetros como
la conductividad del elemento y las caracteristicas del terreno. La
formula es una generalización para una antena ideal en el espacio
libre.
Poder
observar el comportamiento aparente de la antena es útil, para hacer una
construcción más precisa, despejar
dudas y aclarar algunos “mitos”. En el más trival de los casos,
poder observar el patron de radiación dará una idea de la
distribución de potencia de la antena que se pretende
construir.
Para
modelar antenas mediante cualquier software conviene comprender que
los resultados van a depender de los métodos matemáticos empleados
para el análisis. Métodos apropiados en una situación pueden no
ser confiables en otras. En el caso de NEC, se usa un análisis
numérico que se basa en el método de los momentos; este método
hace necesario dividir cada elemento de la antena en trozos llamados
segmentos. El método realiza los calculos para cada segmento y luego
combina los resultados para así obtener el comportamiento del
elemento en su totalidad. Sin adentrar en revisiones avanzadas de
ingeniería lo cual no es el propósito de este artículo; el método
de los momentos es un método bastante preciso dentro de los limites
del software y para las frecuencias de radio que no alcancen las
micro ondas, en cuyo caso otros métodos de cálculo con base en la
fenomenología de la luz son más apropiados. Dicho esto, podemos aventurarnos de forma amateur a diseñar nuestras propias antenas con base en un modelo ajustado minuciosamente mediante xnec2c.
El siguiente vídeo hace una breve Introducción a XNec2c.
Para completar la información suministrada en el vídeo estos son unos tips
para abordar el problema del modelado de las antenas que no se abordaron allí y que deben ser tenidos en cuenta para ir afinando el uso de la herramienta.
Ya
que se empleará xnec2c para modelar antenas, conviene aprovechar la
experiencia y tener en cuenta las siguientes recomendaciones:
-
Defina al menos 9 segmentos por cada media longitud de onda.
-
La longitud del segmento ha de ser superior a 4 veces el diametro del elemento.
En una próxima entrega se hará una demostración más detallada del empleo de XNec2c.
ANEXO.
ETIQUETAS DE TARJETA N.E.C.
Etiquetas
de Comentarios
CM
→ Comentario/Documentación
CE
→ Fin de Comentarios
Etiquetas en las tarjetas de Geometría
GW
→ Especifica un conductor rectilíneo.
GA
→ Especifica un conductor en arco.
GH
→ Especifica un conductor en espiral.
GR
→ Genera una estructura cilindrica.
SP
→ Genera una superficie plana.
SM
→ Superficie plana multiple.
GS
→ Escala las dimensiones de una estructura.
GF
→ Lee el archivo de la función numerica de Green
GM
→ Transformación de coordenadas
GX
→ Define la reflexión en planos de coordenadas.
GE
→ Fin de la definición de geometría
Etiquetas
en las tarjetas de Control.
FR
→ Especifica la frecuencia.
GN
→ Espeficica las condiciones de tierra.
LD
→ Define impedancia de la estructura (Carga)
EK
→ Extiende el grosor del núcleo del conductor.
KH
→ Rango de aproximación de la interacción.
EX
→ Especifica la alimentación de la estructura.
NT
→ Espcifica una red de dos puertos.
TL
→ Especificación de la línea de transmisión.
CP
→ Solicita el cálculo de acoplamiento.
GD
→ Especifica parámetros adicionales de tierra.
NE
→ Solicita que se calcule el campo electrico cercano.
NH
→ Solicita que se calcule el campo magnético cercano.
NX
→ Especifica la siguiente estructura.
PQ
→ Solicita que se imprima la densidad de carga en el elemento.
PT
→ Solicita que se imprima la corriente en el elemento.
RP
→ Solicita que se imprima el patrón de radiación.
WG
→ Escribe el archivo de la función numérica de Green.
XQ
→ Solicita la ejecución de la tarjeta.
EN → Fin de datos
EN → Fin de datos
73s
Bienvenidos los comentarios, recomendaciones, correcciones y sugerencias.
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