pymininec 1.1.0

频率

典型用法使用 -f 或 --frequency 选项定义频率，频率以 MHz 为单位指定。此外，定义频率扫描通常也很有意义：扫描的起始频率是 -f 选项给出的值，使用选项 --frequency-increment=<increment> 和 --frequency-steps=<steps> 指定执行多少步长为 increment 的大小。

几何形状

接下来定义天线的几何形状。在当前版本中，只能指定导线。导线定义的格式为

--wire [tag,]<nseg>,<x1>,<y1>,<z1>,<x2>,<y2>,<z2>,<radius>

其中 (x1, y1, z1) 指定导线的第一个端点在笛卡尔坐标系中的位置，(x2, y2, z2) 定义导线的第二个端点，最后指定半径。所有长度和坐标均为米，但请参见下面的 --geo-scale 选项。前导标签是可选的，用于通过其他选项引用导线，例如指定馈点或天线上的负载。如果没有指定标签，导线从最高的指定标签编号开始编号，如果没有指定标签，则从一编号。建议不要混合带标签和无标签的导线。参数 nseg 指定将导线分割成多少段进行计算。

默认情况下，导线被分割成等长的段。段不应超过最短波长 λ 的 1/20。Mininec 通常会生成略高于谐振频率的结果（因此天线过长），这可以通过使用大量段来改进。

段长度渐变

另一种选择是使用不等长度的段。这可以通过使用 --taper-wire 选项来完成。它接受 2–4 个参数。第一个是标识应进行长度渐变的导线标签。第二个参数指定从导线的哪个端开始渐变。端可以是 1、2 分别代表第一和第二个端，3 代表两端。第三个和第四个参数分别指定最小和最大段长度。强制执行最小段长度为半径的 2.5 倍：如果段变短，则违反了细线假设，结果将会错误。渐变从在最小和最大段长度约束下可能的最短段开始，直到达到最大长度，它还停止使段变长，以保持段的数量。

几何变换

有时需要修改几何形状的一部分。有三种几何变换选项可供选择。要旋转天线的一部分或全部，可以使用--geo-rotate选项。它接收4-5个以逗号分隔的参数。第一个是一个用于排序几何变换的数字键：变换的顺序很重要，因此需要指定顺序。接下来的三个选项是围绕X轴、Y轴和Z轴的旋转。可选的第五个参数指定要旋转的地理对象标签（例如，线标签）。如果没有指定标签，则整个天线旋转。如果超过一个旋转不为零，则首先执行X轴旋转，然后是Y轴旋转，最后是Z轴旋转。

--geo-translate选项再次接收4-5个以逗号分隔的参数。第一个是一个排序键。接下来的三个参数指定X轴、Y轴和Z轴方向的位移。最后，还可以指定一个标签以定义要平移的几何对象。如果省略，则整个天线移动。这通常用于修改天线在地面上方的高度：整个天线可以向上移动，而无需编辑所有几何元素的Z组件。

最后，--geo-scale选项将所有几何参数（包括半径）按给定因子缩放。因子是第一个参数，可选的第二个参数再次提供几何标签。如果省略标签，则整个天线缩放。缩放始终是最后应用的，这样--geo-translate选项才适用于原始长度。

示例在test/vdipole-rot-trans.pym中：这具有几何变换选项

--geo-rotate=1,0,0,90
--geo-rotate=2,90,0,0
--geo-translate=3,0,0,7.33

首先将天线围绕Z轴旋转90°（排序键1），然后围绕X轴旋转90°（排序键2），最后整个天线向上移动7.33米（排序键3）。请注意，在这种情况下，我们不能将围绕Z轴和X轴的旋转组合成一个单独的--geo-rotate选项，因为这会首先围绕X轴旋转，这会导致与首先围绕Z轴旋转不同的结果。

脉冲

Mininec使用“脉冲”的概念来定义馈电电压和负载的应用位置。将脉冲视为两个段之间的点。这意味着在线的“末端”（除非有第二条或第三条线连接到那里）没有脉冲。因此，由3个段组成的单线只包含2个脉冲，或者一般来说，由N个段组成的线包含N-1个脉冲。脉冲自动编号，从1开始。

当定义一条新线，连接到已存在的线段的末端，该线段尚未连接，此时该线的接点脉冲由新线“拥有”：它成为新线上的第一个脉冲。

如果超过两条线在一个坐标处连接，将馈电点或负载分配给该脉冲不是一个好主意：馈电点或负载将仅在两条或三条以上线之间。在这种情况下，最好在放置馈电点或负载的位置插入一小段线，如图所示。

馈电点

对于天线至少需要定义一个馈电点。这使用--excitation-pulse选项来完成。脉冲编号是相对于天线所有脉冲的绝对值，或者可以指定一个由两个值组成的逗号分隔序列，其中第一个是相对于由第二个值指定的线标签的脉冲编号。默认情况下，激励电压为1V，但可以通过指定--excitation-voltage选项来更改，该选项接收以伏特为单位的复数。如果定义了多个馈电点，则通过多个--excitation-pulse和--excitation-voltage选项来完成。

集中负载

向天线结构添加负载是一个两步的过程。第一步定义负载。第二步将它们连接到脉冲上。

最简单的负载类型可以通过-l或--load选项指定。它需要一个复数作为参数。注意，这种简单的负载类型不会随频率而改变。在连接负载时，简单的负载会被首先排序。

拉普拉斯负载是最通用的负载类型。使用它，可以模拟集中参数负载的组合。在串联和并联集中组件的组合中，电感用L*s表示，电容用1/(C*s)表示，电阻用R表示。分析完一个复杂电路后，s的多项式结果会在分数的分子和分母中。分母使用--laplace-load-a选项指定，分子使用--laplace-load-b选项指定。两者都接受用逗号分隔的实数列表，表示按指数幂递增的多项式系数。在连接负载时，拉普拉斯负载会被最后排序。

另一个在内部基于拉普拉斯负载的负载类型可以通过--rlc-load选项指定。它需要三个参数，分别是欧姆中的电阻、亨利中的电感和法拉中的电容。法拉位置为零表示短路而不是电容。所有三个集中组件都是串联连接的。在连接负载时，RLC负载会被第二个排序。

最后是陷波负载——在内部也是基于拉普拉斯负载的——允许在天线中指定陷波。它由一个电阻与电感（模拟实际电感的非零电阻）的串联，与电容并联组成。--trap-load选项接受三个用逗号分隔的实数，分别是电阻、电感和法拉中的电容。陷波负载在连接负载时会被第三个排序。

使用--attach-load选项将负载连接到脉冲上。该选项接受2-3个用逗号分隔的参数。第一个是负载索引。负载索引是通过遍历所有简单负载，然后是所有RLC负载，然后是所有陷波负载，最后是所有拉普拉斯负载来计算的，从1开始分配负载索引。

线上的分布式负载

非理想导线具有分布式电导率。可以使用--skin-effect-conductivity选项指定导线的分布式电导率。或者，如果已知导线的电阻率，可以使用--skin-effect-resistivity选项。两个选项都接受一个或两个参数。第一个参数分别是电导率或电阻率。第二个可选参数指定几何形状（例如，导线）标记。如果没有给出标记，则皮肤效应负载连接到所有几何对象。

导线可以有绝缘层。使用--insulation-load选项模拟绝缘对导线分布式阻抗的影响。它接受2-3个参数。第一个参数指定包括绝缘层的导线半径。第二个指定绝缘的相对介电常数。第三个可选参数指定几何形状（例如，导线）标记。如果没有给出标记，则绝缘负载连接到所有导线。

每个导线最多可以指定一个绝缘负载和一个皮肤效应负载。

接地和辐射状导线

可以使用--medium选项指定地面。如果没有指定，则默认为空闲空间。可以指定多个--medium选项，在这种情况下，后续的媒体要么围绕第一个地面同心分布，要么在X方向上线性分配。--boundary选项指定媒体是否同心（--boundary=circular）或在X方向上（--boundary=linear）。默认为线性边界。--medium选项需要3-4个以逗号分隔的参数：介电常数（介电常数）、电导率和高度。如果前三个为零，则假设为理想地面。对于理想地面，仅允许一个--medium选项。

第四个参数给出了地面的宽度（到下一个媒体的距离），对于线性边界是X方向的长度，对于圆形边界是半径。最后一个--medium选项不使用第四个参数。

请注意，通常您希望更外层的媒体高度为负值，这可以模拟山峰。Mininec允许指定更高的地面，但结果将是有疑问的，因为没有对较高地面的反射进行建模。第一个媒体必须始终在高度零。

对于第一个媒体，可以指定径向。仅对非理想地面允许径向。选项--radial-count给出径向的数量。选项--radial-radius给出径向线的半径。指定径向将自动选择圆形边界。径向的长度由到下一个媒体的距离定义。因此，至少需要两个--medium选项。

指定计算的内容

使用--option选项可以指定要计算和打印的输出。此选项可以指定多次。它可以接受far-field、far-field-absolute、near-field和none等参数。当仅指定none作为唯一选项时，只打印电流和馈点阻抗。

far-field选项选择以dBi打印远场。far-field-absolute选项选择以V/m打印远场。此选项可以通过使用–ff-power`选项指定不同的功率水平，并通过使用--ff-distance选项指定远场测量点的径向距离来修改。远场测量是在使用--theta和--phi选项分别指定的仰角和方位角时进行的。仰角theta是从天顶测量的，而方位角phi是从X轴测量的。这两个选项都接受三个以逗号分隔的参数：起始角度、角度增量以及角度数量。默认情况下，theta是“0,10,10”，因此以10度步长从天顶运行到地面。phi的默认值是“0,10,37”，因此以10度步长绕方位圈运行，X轴上的0°和360°值计算两次。这是为了满足某些3d绘图工具绘制3d增益图案闭合表面的需要。

使用 --option=near-field 指定打印近场。这还需要指定 --near-field 选项，它包含9个以逗号分隔的参数：前三个定义近场测量的起始坐标（x，y，z），接下来的三个定义远场测量的增量，最后的三个定义每个方向上的增量数。使用 --nf-power 选项可以修改近场计算的电平。

如果没有任何 --option，则如果没有近场选项，将打印远场。

其他选项

使用 --output-cmdline 选项可以打印给定的命令行选项。这在测试和使用API时很有用：所有选项都可以写出来以重现当前的设置。此选项需要一个文件名作为参数。

使用 --output-basic-input 选项，可以打印原始Mininec代码在Basic中的输入。Basic代码使用提示来请求用户输入。使用此选项可以生成完整的用户输入。通过运行Yabasi并使用 -i 选项将用户输入馈入Basic程序，这对于比较pymininec计算出的值和原始Basic代码计算出的值很有用。此选项需要一个文件名作为参数。

使用 -T 或 --timing 选项，请求打印计算中各个部分的运行时间。此选项不需要参数。

测试覆盖率：确保与原始Mininec一致

针对原始Basic源代码进行了几项测试，测试用例请参阅子目录test。其中一项测试用例是一个简单的7MHz线天线偶极子，波长一半，分为10段。在一种情况下，导线厚度为0.01m（1cm），我们使用这样粗的导线是为了使mininec代码更努力工作，因为它不能使用细导线假设。另一个测试是针对细导线的情况。还添加了来自原始Mininec报告的倒L型和T型天线。所有这些都可以作为示例。目前测试语句覆盖率已达100%。

如果Python版本低于3.10，则pytest框架会标记某行代码未被覆盖。这是在compute_impedance_matrix函数末尾的一个continue语句（截至本文写作的第1388行）。这是Python版本低于3.10时的一个bug：在Python调试器上设置continue语句的断点时，尽管continue语句被正确执行，但断点永远不会到达。一种解决方案是在continue语句之前放置一个虚拟赋值，并验证测试覆盖率现在报告continue语句已被覆盖。我已经在pytest项目中报告了这个bug，并在python中报告了这个bug，由于Python3.9不再维护，这两个bug现在已被关闭。

对于所有测试示例，都仔细验证了结果与Basic原始结果相近（参见在Basic中运行示例以了解如何在21世纪运行原始Basic代码）。差异是由于Basic中单精度实现与Python中双精度实现相比的舍入误差造成的。在可能的情况下，我使用了numpy中的数值代码来加速计算，例如，通过使用numpy.linalg.solve而不是逐行从Basic翻译来求解阻抗矩阵。您可以自己验证差异。在test目录中，有扩展名为.mini的输入文件，这些文件（在转换为回车换行约定后）旨在作为原始Basic代码的输入。Basic代码的输出在扩展名为.bout的文件中，而Python代码的输出在扩展名为.pout的文件中。回归测试中比较了.pout文件。在test目录中的.pym文件是用于使用mininec.py重新创建.pout文件的命令行参数。如果区分大小写，使用Yabasi生成的输出使用大写扩展名.Bout。

在Zeineddin的论文[5]中，他研究了比较近场和远场时的数值不稳定性。他通过在双精度算术中进行某些近场计算来解决此问题。我试图复制这些实验，并在Basic版本中可以重现数值不稳定性。在Python版本中，不存在这种不稳定性（因为一切都是双精度）。但Python计算出的绝对场值低于Zeineddin（以及Basic代码）报告的值。

Python代码中的电流计算似乎没有问题，计算出的电流值低于Basic，导致场值较低。但比较两个版本的阻抗矩阵时，误差非常低，请参见test_matrix_fill_ohio_example测试，位于test/test_mininec.py中，以及plot_z_errors过程用于绘制test/ohio.py中的误差（以百分比表示）。与NEC计算出的值相比，Basic代码对近场和远场产生略高的值，而Python代码产生的值略低于NEC。我尚未在NEC中尝试模拟这一点。

您可以在test/ohio*中找到文件（论文是在俄亥俄大学完成的）。这次有一个python脚本ohio.py，用于计算近场和远场值，无需重新计算阻抗矩阵。此脚本可以在一个图中显示近场和远场值，并在第二个图中显示差异。计算了两个距离，因此代码生成了四个图。还有一个脚本用于绘制Basic近场和远场差异plot_bas_ohio.py。

向量化前的代码质量

向量化之前，代码的状态是这样的

当前的Python代码仍然难以理解 - 它是Basic逐行翻译的结果，尤其是在我还未能理解代码意图的地方。对于变量名，它们可能（尚未）反映代码的意图。我已经将诸如计算复数的角度、计算绝对值或复数的乘除等操作移至python中相应的复数算术，我在检测到模式时进行了这些操作。

因此，代码的“去意大利面化”在某些部分尚未成功 :-) 我的逆向工程笔记可以在文件basic-notes.txt中找到，其中解释了mininec中使用的某些变量和一些子例程，以及（主要从REM语句中获取的）Basic代码的描述。

代码仍然相当慢：Cebik在建模示例中使用的12元素Yagi/Uda天线是一个例子，在我的PC上（该PC具有264个段，比原始Mininec支持的段数多）需要大约50秒（我使用theta和phi角度的5度增量时），对于1度角度大约需要11分钟（！）原因是一切目前都像Basic一样实现为嵌套循环。这应该（并且可以）改为使用numpy中的矢量和矩阵运算。在矩阵填充操作的内部循环中，使用高斯求积或椭圆积分的数值解计算了几个积分。这些现在使用来自scipy.integrate和scipy.special.ellipk的方法（或至少在高斯求积的情况下是常数）实现。

向量化后的代码质量

在开始向量化之前，我将隐式脉冲计算（这使用了一个非常复杂的索引方案来访问脉冲信息）更改为显式数据结构在mininec/pulse.py中。这大大提高了代码的可理解性（使我能够进一步重构以向量化计算）。

当前版本仍然保留着来自Basic实现的模糊变量名，而且在很多情况下，计算过程中的中间值含义并不明确。由于Basic没有复数，计算的语义只能猜测。我希望在获得[2]版本时改进这个问题——版本ADA181682包含许多难以阅读的页面。如果您有更好的可读性版本的报告，请告诉我！

多反转-V示例

1998年Carol F. Milazzo博士（KP4MD）的一个旧网页中有用Mininec模拟的天线示例。这些示例中的第一个是三个交叉的反转-V（其中一个具有负载电感以增加有效长度）。pymininec的模拟结果与KP4MD使用的基于Mininec的NEC4WIN相当。但看起来NEC4WIN可能将打印的“Diam.”作为线的半径（参见网站上的图1），作为半径（参见附录中的天线模型文件）。至少，如果这个格式是从NEC继承下来的，那么线定义的最后列将包含半径，这种格式的解释也与Pymininec的模拟结果更加一致。以下表格显示了原始数据与在Pymininec中使用原始模型直径的一半（“Pymininec r”）和直径作为半径（Pymininec 2r）的比较。当使用（假设）直径作为半径时，输出数据与网站数据更匹配。

KP4MD的所有示例都已转换为Pymininec，并作为inve802B.pym、hloop40-14.pym、hloop40-7.pym、vloop20.pym和lzh20.pym在test目录中提供。只有使用反转-V的inve802B.pym（原始示例中的直径作为Pymininec中的半径）使用原始示例中的直径作为半径，其他所有示例都使用原始示例中的值的一半（应该是直径）作为半径。但大多数示例在半径加倍时与KP4MD计算出的值更匹配。

剑的另一面

有一些新测试检查馈点阻抗与文献中的已知计算。特别是与这个节标题相同的Roy Lewallen的一篇旧文章[8]。

“Python”列来自pymininec，而“Basic Yabasi”列是使用我的Basic解释器Yabasi运行的原始Basic实现。而“Basic pcbasic”列使用pcbasic解释器。

请注意，“弯偶极子”是水平弯曲的（不是倒V形），所有线端都处于同一高度。到目前为止，我还没有能够重现使用仅14段且结果与文章中所示相同（参见弯偶极子的条目 14*）的特殊分段方案。在试图完全重现它时，虚部要低得多（更多容量）。分段方案也不是很好：在mininec中，相邻段应该只有长度的2倍，而不是更多。特殊分段方案有一个5倍的跳跃，这可能导致数值不稳定，从而使我们得到双精度浮点数的结果差异很大。

对于弯偶极子，我进行了三个额外的实验：一个是从两端逐渐变细（条目 14t2），两个是从一端逐渐变细（条目 14t1 和 14t1l）。示例 14t1 对段长度没有限制，而条目 14t1l 强制段长度至少为1/200波长的最小值。在所有一端逐渐变细的情况下，馈点端的最小段长度。这些实验中没有哪一个接近论文中的14段实验。

运行测试

你可以使用以下方法运行测试：

python3 -m pytest test

如果需要报告覆盖率，则变为：

python3 -m pytest --cov mininec test

要获取更详细的覆盖率报告，请使用：

python3 -m pytest --cov-report term-missing --cov mininec test

这将显示未由测试覆盖的行的详细报告。