Введение к работе
Актуальность темы. Разработка современных мобильных антенно-фидерных устройств и систем, обладающих высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, невозможна без применения средств автоматизированного проектирования. Развитие электродинамических САПР (ВЧ, СВЧ и КВЧ диапазонов) позволяет решать как совершенно новые задачи в области антенно-фидерной техники, требующие значительных вычислительных затрат, так и практически реализовать многие научные разработки, высокая степень сложности которых тормозила их практическое воплощение. К числу подобных научных направлений относятся разработка плоских дифракционных антенн (ПДА) СВЧ и КВЧ диапазонов, область применения которых простирается от бортовых систем миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн до индивидуальных станций приема программ спутникового телевизионного вещания и радиовещания, и проектирование малоэлементных вибраторных антенных решеток (АР), использующихся в мобильных комплексах пеленгации и радиомониторинга источников радиоизлучения.
САПР антенно-фидерных устройств, ориентированные на популярные персональные IBM-совместимые компьютеры и функционирующие в операционной среде Windows NT (подобные Microwave Office, SIMULINK, LabView, SysCalk, System View, APLAC), имеют весьма ограниченные возможности в плане моделирования и оптимизации параметров сложных электродинамических объектов и систем. В частности, анализ трехмерных многослойных метал-ло-диэлектрических структур, электрические размеры которых превышают 3x10x10 X3, с помощью вышеупомянутых САПР либо невозможен, либо требует неоправданно больших затрат машинного времени вследствие универсальности используемого математического аппарата (как правило, метода Галерки-на решения интегральных уравнений или метода конечных элементов).
Наиболее известные фирмы-изготовители СВЧ оборудования и антенной техники используют мощные электродинамические САПР (HP Momentum, HP Eesof, Mentor Graphics Integration), разработанные, как правило, под операционную систему Unix и полностью реализующие свои возможности на дорогостоящих рабочих станциях типа HP Apollo, Sun SPARC и DEC. Стоимость программных продуктов фирмы Hewlett-Packard (являющейся безусловным лидером среди разработчиков мощных электродинамических симуляторов), использующихся для анализа и оптимизации СВЧ гибридных схем и антенн, весьма высока, что существенно ограничивает круг их пользователей.
Актуальность темы диссертации определяется необходимостью преодоления вышеупомянутых проблем при автоматизированном проектировании дифракционных и вибраторных мобильных антенных решеток путем создания специализированной объектно-ориентированной САПР, опирающейся на ряд простых аналитических, полуэмпирических и эвристических методов и математических моделей, отличающихся «физичностью» и наглядностью с точки зрения протекающих в электродинамическом объекте (системе) процессов.
Работа выполнена в соответствии с межвузовской научно-технической программой «Информационные технологии в образовании н науке» в рамках основных научных направлений Воронежского государственного технического университета «САПР и системы автоматизации производства», «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства, системы передачи, приема, обработки и защиты информации».
Цель и задачи исследования. Целью диссертации является создание математического обеспечения специализированной объектно-ориептировапной САПР дифракционных и вибраторных мобильных антенных решеток, ориентированной на IBM-совместимые ПК с процессором Pentium.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
провести анализ современных отечественных и зарубежных электродинамических САПР, выделить основные существующие проблемы в данной области и выяснить причины их появления, определить пути повышения эффективности математического моделирования, оптимизации и автоматизированного проектирования дифракционных и вибраторных мобильных АР;
разработать математические модели базовых элементов плоских дифракционных СВЧ антенн и вибраторных мобильных АР, создать эффективный метод анализа трехмерных многослойных металло-диэлектрических структур;
провести численное моделирование, экспериментальные исследования и оптимизацию параметров базовых дифракционных структур САПР мобильных антенных решеток;
осуществить разработку, исследование и оптимизацию параметров плоских антенн дифракционного типа в рамках созданной САПР;
разработать алгоритмы пеленгации источников радиоизлучения с использованием одноярусных и многоярусных вибраторных АР, обладающих высокой разрешающей способностью, оценить их адекватность и эффективность, провести численное моделирование АР указанного класса с различной геометрией, выполнить сравнительный анализ алгоритмов сверхразрешения источников радиоизлучения;
создать методику компьютерной коррекции диаграммы направленности (ДН) АР, основанную на учете поверхностных высокочастотных токов, возбуждаемых на корпусе носителя, и измеренного в натурных условиях пеленга источника радиоизлучения;
провести исследование и оптимизацию характеристик широкополосных направленных базовых элементов мобильных вибраторных антенных решеток;
разработать методику автоматизированного проектирования двухчас-тотной линейной АР и создать алгоритм оптимизации ее диаграммы направленности;
разработать информационное и программное обеспечение САПР дифракционных и вибраторных антенных решеток, оценить его адекватность и эффективность.
Методы исследования. При выполнении работы использованы основные положения теории систем автоматизированного проектирования, методы технической электродинамики, теория дифракции электромагнитных волн на металло-диэлектрических структурах, стандартные методики измерений характеристик антенно-фидерных устройств СВЧ диапазона волн, методы оптимизации, функционального анализа, теории функции комплексной переменной и теории вероятности.
Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:
математические модели дифракции плоских однородных электромагнитных волн на многослойных металло-диэлектрических структурах, отличающиеся «физичностыо» и простотой алгоритмизации и позволяющие анализировать плоские дифракционные антенны, построенные на основе нижеперечисленных видов дифракционных решеток: одноуровневых и многоуровневых металлических гребенок со сложной морфологией периода и одномерной периодичностью, двумерно-периодичных металлических гребенок, прямоугольного металлического эшелетта (модель основана на применении метода обобщенных матриц рассеяния), а также ленточных отражательных структур, содержащих несколько полосок на периоде;
приближенный метод решения задач дифракции однородных плоских электромагнитных волн на трехмерных многослойных металло-диэлектрических структурах с двойной периодичностью, основанный на переходе к двум двумерным задачам дифракции однородных плоских волн на одномерно-периодичных структурах и отличающийся наглядностью протекающих в анализируемой структуре физических процессов, небольшим числом выполняемых математических операций (производительность метода на порядок выше степени быстродействия методов численного решения интегральных уравнений), простотой алгоритмизации, экономичностью в плане использования ресурсов ЭВМ;
физико-математическая модель и алгоритм численного анализа предложенного автором рупорно-щелевого возбуждающего устройства, основанные на применении электродинамического принципа суперпозиции и отличающиеся небольшим требуемым числом вычислительных операций (по сравнению с методами конечных элементов и Галеркина) и высокой эффективностью при степени точньсти, достаточной для инженерных применений;
алгоритм оптимального структурного синтеза плоских СВЧ дифракционных антенн, оспованный на процедуре нахождения максимального коэффициента корреляции между требованиями технического задания и характеристиками базовых вариантов разрабатываемого устройства; библиотека базовых схем и методика оптимизации параметров плоских СВЧ дифракционных антенн с фиксированной и электронно управляемой поляризацией, позволяющие повысить технические характеристики проектируемых устройств и эффективность САПР; результаты экспериментальных и натурных исследований пло-
скнх антенн, разработанных с помощью созданной САПР, свидетельствующие об ее адекватности и эффективности;
алгоритм определения угловых координат пеленгуемого источника радиоизлучения с помощью малоэлементных антенных решеток произвольной геометрии, основанный на попарном перемножении парциальных диаграмм направленности элементов, отличающийся высокой разрешающей способностью и однозначностью определения пеленга в широкой полосе частот; алгоритм пеленгования источника радиоизлучения с помощью многоярусных антенных решеток, отличающийся повышенной устойчивостью к негативному эффекту взаимовлияния элементов АР и высоким быстродействием;
алгоритмы оптимизации линейной двухчастотной вибраторной АР и широкополосных элементов кольцевых АР, обеспечивающие коррекцию углового положения главного лепестка и уровня боковых лепестков ДН и отличающиеся небольшим числом вычислительных операций;
математическая модель и алгоритм коррекции в реальном масштабе времени измеренного в натурных условиях пеленга, основанные на учете поверхностных токов корпуса носителя антенной решетки, отличающиеся простотой программной реализации и высокой степенью точности в широкой полосе частот пеленгуемого источника.
Практическая ценность работы заключается в создании математического обеспечения и программно-методического комплекса САПР дифракционных и вибраторных антенных решеток, ориентированной на IBM-совместимые компьютеры с процессором Pentium, функционирующие в операционной среде Windows. Использование в САПР простых и эффективных методов, физико-математических моделей и алгоритмов позволяет разрабатывать плоские дифракционные СВЧ антенны с фиксированной и электронно управляемой поляризационной чувствительностью для многих практических целей (от бортовых систем миллиметрового диапазона волн до установок индивидуального приема программ спутникового телевидения), а также вибраторные АР с изотропными и направленными элементами, обладающие высокой разрешающей способностью, для мобильных комплексов радиолокации, навигации, пеленгации и мониторинга. Основные возможности САПР апробированы на практике путем изготовления лабораторных образцов дифракционных и вибраторных антенных решеток, натурные испытания которых в комплексе с разработанными алгоритмами подтвердили адекватность и эффективность созданной САПР.
Реализация результатов работы. Научные результаты, изложенные автором, получены в рамках госбюджетной НИР Б-1/97 «Принципы аналоговой и цифровой обработки медицинской информации»; хоздоговорных НИР 47/90 «Исследование антенны миллиметровых волн с электронным управлением диаграммой направленности», 25/94 «Исследование дисперсии электромагнитных волн при дифракции Брэгга на слоистых металлодиэлектрических структурах».
Они внедрены: в процесс автоматизированного проектирования мобильных комплексов радиомониторинга и пеленгации источников радиоизлучения на предприятии «ИРКОС» (г. Москва) с годовым экономическим эффектом 320 тысяч рублей в ценах 1999 г.; в процесс автоматизированного проектирования двухчастотной антенной решетки для аппаратуры связи УКВ диапазона и
рупорно-щелевой антенны трехсантиметрового диапазона волн в НКТБ "Феррит" (г. Воронеж) в 1998 г.; в процесс автоматизированного проектирования систем связи СВЧ и КВЧ диапазонов во ВНИИС (г. Воронеж) в 1990-1991 гг., в процесс автоматизированного проектирования охранных систем, производимых НПАО «Дозор» (г. Воронеж) с экономическим эффектом 104 тысячи рублей в 1996-1999 гг.
Подсистемы моделирования, оптимизации и автоматизированного проектирования дифракционных плоских антенн сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн и антенных решеток, состоящих из совокупности одиночных элементов, а также алгоритмы обработки сигналов с помощью АР используются при выполнении курсового и дипломного проектирования студентами специальности 200700 «Радиотехника» в Воронежском государственном техническом университете.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на 27-й и 28-й международных научно-технических конференциях «Теория и техника антенн» (Москва, 1994, 1998 гг.); на 2-й и 3-й международных научно-технических конференциях «Направления развития радиосистем и средств радиосвязи» (Воронеж, 1995, 1996 гг.); на научно-практической конференции высшей школы МВД РФ (Воронеж, 1996 г.); всероссийской научно-технической конференции «Направления развития лазерных и миллиметровых систем и средств в технике передачи информации и медицине» (Воронеж, 1995 г.); всероссийской научно-технической конференции «Радио- и волоконно-оптическая связь, локация и навигация» (Воронеж,-* 1997 г.); 4-й и 5-й международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 1998,1999 гг.); ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского государственного технического университета (1990-1999 гг.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 61 печатных работах, включая 1 монографию (из них 8 публикаций в центральной печати, в том числе 7 печатных работ в журналах РАН).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения на 275 с, содержит 145 рисунков, 14 таблиц, список литературы (199 наименований), 7 приложений.
