Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время перспективным направлением совершенствования антенн сверхвысоких частот (СВЧ), широко используемых в системах с радиоканалами, является их микроминиатюризация на основе малогабаритных линий передачи. Современные микрополосковые антенны (МПА) обеспечивают высокую повторяемость размеров, низкую стоимость, малые металлоемкость, габаритные размеры и массу.
Антенны являются одним из наиболее важных элементов любой приемопередающей аппаратуры, определяя качественные и количественные характеристики передачи информации по радиоканалу. Обычно антенны располагаются в непосредственном соприкосновении с окружающей средой, испытывая механические и тепловые нагрузки. Это неизбежно приводит к деформациям антенного полотна и, как следствие, к отклонению их электрических характеристик относительно расчетных, что влияет на работу всей системы в целом. Особенно критичными являются деформации антенного полотна вследствие тепловых нагрузок. Так, например, радиосистема охраны периметра объектов, оснащенная микрополосковой антенной и подверженная тепловым деформациям, может допустить ложное срабатывание или пропуск нарушителей в охраняемую зону.
Существующие математические модели не позволяют учесть влияние тепловых воздействий на конструкторские и электрические характеристики МПА, поэтому возникает необходимость математического моделирования и оценки влияния таких воздействий еще на этапе проектирования.
В связи с этим актуальной является задача математического моделирования излучения микрополосковых антенн с учетом тепловых воздействий окружающей среды для оптимизации ее конструкции и достижения устойчивости к этим воздействиям с целью повышения надежности эксплуатации этих систем.
Наибольший вклад в решение проблем математического моделирования излучения, рассеяния и распространения электромагнитных волн внесли Л. Д. Бахрах, А. Б. Борзов, Д. И. Воскресенский, В. В. Никольский, Р. В. Островитянов, Ю. Г. Смирнов, А. В. Соколов,
Л. А. Школьный, А. Н. Якимов и другие ученые.
Развитию методов проектирования с учетом внешних воздействий способствовали работы А. А. Самарского, Ю. Х. Вермишева,
Ю. Н. Кофанова, И. Г. Мироненко, И. П. Норенкова, П. И. Осищера,
Е. Н. Талицкого, А. Н. Якимова и др.
Достижения в области вычислительной техники в настоящий момент предоставляют возможность применить методы моделирования, позволяющие создавать адекватные математические модели и анализировать влияние внешних воздействий на характеристики антенн с высокой степенью точности. Существующие вычислительные методы, например конечных элементов и конечных разностей, на основе которых реализованы алгоритмы в известных коммерчески доступных пакетах прикладных программ – HFSS, Microwave Office,
Microwave studio, ANSYS, T-Flex анализ, Solid Works, Рro engineer
и ряд других – адекватны технологиям сегодняшнего дня, однако
не включают математическое моделирование тепловых воздействий
на характеристики излучения микрополосковых антенн.
Целью диссертационной работы является построение и исследование математической модели микрополосковой антенны, учитывающей влияние тепловых воздействий окружающей среды на ее характеристики, для оптимизации конструкции на этапе проектирования.
Для достижения цели необходимо решить следующие взаимосвязанные задачи:
1 Построить электродинамическую модель микрополосковой антенны, позволяющую рассчитать ее характеристики излучения с учетом деформаций антенного полотна.
2 Построить тепловую модель микрополосковой антенны, позволяющую рассчитать ее геометрические характеристики с учетом влияния тепловых воздействий и оценить возникающие при этом деформации антенного полотна.
3 Разработать обобщенную модель, связывающую тепловую и электродинамическую модели и позволяющую оценить влияние тепловых воздействий на характеристики микрополосковой антенны.
4 Разработать алгоритм и методику построения обобщенной математической модели микрополосковой антенны.
5 Разработать компьютерное приложение, позволяющее реализовать предлагаемые математические модели и проектировать микрополосковые антенны с заданными техническими характеристиками с учетом влияния тепловых воздействий.
6 Провести оптимизацию конструкции микрополосковой антенны по критерию минимального влияния тепловых воздействий с использованием разработанного компьютерного приложения.
Объектом исследования является тепловое воздействие окружающей среды на многослойные излучающие структуры произвольной конфигурации.
Предмет исследования – влияние тепловых воздействий на характеристики микрополосковых антенн.
Методы исследования. При проведении исследований использовались положения линейной теории упругости и теплообмена, векторного и функционального анализа, электромагнитных волн, методы математического моделирования, векторной алгебры, оптимизации.
Достоверность научных положений и выводов, содержащихся в работе, основывается на подтверждении адекватности предложенных моделей посредством вычислительного эксперимента и сравнении
с известными моделями, успешной практической апробации решений, полученных на основе теоретических разработок и подтвержденных актами о внедрении.
Научная новизна диссертационной работы заключаются в следующем:
1 Построена электродинамическая модель микрополосковой антенны, отличающаяся дискретным представлением ее излучающих элементов, что позволяет при деформации учесть влияние изменения пространственного положения отдельных фрагментов этих элементов на характеристики излучения МПА.
2 Построена тепловая модель микрополосковой антенны, отличающаяся стержневым представлением параллелепипедных элементов ее дискретизации, позволяющая рассчитать геометрические характеристики с учетом влияния тепловых воздействий и оценить возникающие при этом деформации антенного полотна.
3 Предложены алгоритм и методика построения обобщенной математической модели микрополосковой антенны, связывающей тепловую и электродинамическую модели, отличающиеся реализацией процедуры автоматического многократного целенаправленного преобразования антенного полотна по результатам исследования его напряженно-деформированного состояния, вызванного тепловым воздействием, что позволяет оценить влияние тепловых воздействий на характеристики микрополосковой антенны.
Практическая значимость работы состоит в использовании разработанных моделей, алгоритма, методики, программного комплекса (свидетельство о регистрации электронного ресурса № 16616
от 05.12.2010 г.) и результатов исследования при решении задач проектирования антенных конструкций, устойчивых к тепловым воздействиям, для систем с радиоканалами.
На защиту выносятся:
1 Электродинамическая модель микрополосковой антенны, позволяющая рассчитать характеристики излучения с учетом деформаций антенного полотна.
2 Тепловая модель микрополосковой антенны, позволяющая рассчитать геометрические характеристики с учетом влияния тепловых воздействий и оценить возникающие при этом деформации антенного полотна.
3 Алгоритм и методика построения обобщенной математической модели микрополосковой антенны, связывающей тепловую и электродинамическую модели и позволяющей оценить влияние тепловых воздействий на характеристики микрополосковой антенны.
Реализация и внедрение результатов работы осуществлялись в виде использования в проектно-конструкторской деятель-ности НИКИРЭТ (г. Заречный Пензенской обл.) и ООО «Автопоиск» (г. Пенза).
Результаты исследований использованы также при построении математических моделей для изучения влияния воздействия тепловых нагрузок на микрополосковые антенны в рамках научно-исследовательской работы «Исследование излучения электромагнитных волн с учетом возмущающих воздействий методами математического моделирования», выполняемой на кафедре «Конструирование и производство радиоаппаратуры» ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет» по заданию Минобрнауки России, и использованы для проведения вычислительных экспериментов в учебном процессе этой кафедры при подготовке студентов специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» по дисциплине «Техническая электродинамика» в разделе «Антенны СВЧ».
Результаты работы подтверждены актами о внедрении.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Надежность и качество» (г. Пенза, 2008–2010 гг.); научно-практической конференции ИНФО-2010 «Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий»
(г. Сочи, 2010 г.); VII Всероссийской научно-технической конференции «Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов» (г. Заречный, 2010 г.); I Международной научно-практической интернет-конференции «Молодежь. Наука. Инновации» (г. Пенза, 2010 г.); IV Международной научно-технической конференции молодых специалистов, аспирантов и студентов «Математическое и компьютерное моделирование естественно-научных и социальных проблем» (г. Пенза 2010 г.); IV Всероссийской конференции «Радиолокация и связь» (г. Москва, 2010 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 18 печатных работах, из них 4 – в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Получено свидетельство о регистрации электронного ресурса.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по главам, заключения, библиографического списка, включающего 103 наименования, и трех приложений. Основная часть изложена на 165 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков и 5 таблиц.
Личный вклад автора. Основные результаты, выносимые на защиту, получены автором лично. Во всех работах, которые выполнены в соавторстве, соискатель непосредственно участвовал в постановке задач, обсуждении методов их решения, разработке программ расчетов, получении и анализе результатов.
