Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ перспективных путей математического моделирования сверхширокопрлосных антенн аппаратуры радиоконтроля мобильного и стационарного базирования 13
1.1 Анализ современного состояния программных средств моделирования трехмерных электродинамических объектов с омическими и тепловыми потерями 13
1.2. Анализ методов, применяемых в программных средствах анализа и синтеза сверхширокополосных антенн аппаратуры радиоконтроля мобильного и стационарного базирования 29
1.3. Цель и задачи диссертационной работы 39
2. Разработка и исследование математических моделей, используемых для анализа и синтеза сверхширокополосных антенн, расположенных вблизи криволинейной границы раздела материальных сред 40
2.1. Разработка и исследование математической модели дифракции электромагнитного импульса на фигуре вращения, основанной на алгебраизации интегрального уравнения Фока для пространственно-временной области 40
2.2. Разработка и исследование моделей пирамидального ТЕМ- рупора со сплошными металлическими полосками и антенного устройства в виде сеточной тонкопроволочной конструкции 46
2.3. Алгоритм выбора модели анализа влияния подстилающей поверхности на характеристики пространственно-распределенного антенного устройства коротковолнового диапазона 58
2.4. Численное моделирование ТЕМ-рупора и щелевой антенны бегущей волны, изготовленных в виде тонкопроволочных сеточных конструкций и функционирующих в коротковолновом диапазоне 70
2.5. Выводы по второй главе з
3. Разработка алгоритмов структурного и параметрического синтеза сверхширокополосных антенн, расположенных вблизи земной поверхности или корпуса носителя 80
3.1. Параметрический синтез и исследование радиопеленгаторной антенной решетки вибраторного типа, установленной под фюзеляжем самолета 80
3.2. Оптимизация геометрии нерегулярного ТЕМ- рупора по критерию минимизации средневзвешенного коэффициента отражения от его входа 91
3.3. Оптимизация конструкции диэлектрического обтекателя сверхширокополосной щелевой антенны бегущей волны 101
3.4. Разработка и исследование алгоритма компенсации влияния металлического кожуха на пеленгационные характеристики линейной антенной решетки из элементов Вивальди 109
3.5. Выводы по третьей главе 119
4. Разработка программного комплекса, предназначенного для анализа и синтеза сверхширокополосных антенн аппаратуры радиоконтроля мобильного и стационарного базирования 120
4.1. Функционирование подсистем программного комплекса 120
4.2. Методика анализа и синтеза сверхширокополосных антенн аппаратуры радиоконтроля мобильного и стационарного базирования с помощью разработанного программного комплекса 127
4.3. Примеры использования разработанного программного комплекса для синтеза конического ТЕМ- рупора с диэлектрической линзой и проведения сравнительного анализа сплошного и сетчатого пирамидального ТЕМ-рупора 134
4.4. Выводы по четвертой главе 144 Заключение 145
Список цитируемых источников
- Анализ методов, применяемых в программных средствах анализа и синтеза сверхширокополосных антенн аппаратуры радиоконтроля мобильного и стационарного базирования
- Разработка и исследование моделей пирамидального ТЕМ- рупора со сплошными металлическими полосками и антенного устройства в виде сеточной тонкопроволочной конструкции
- Оптимизация геометрии нерегулярного ТЕМ- рупора по критерию минимизации средневзвешенного коэффициента отражения от его входа
- Примеры использования разработанного программного комплекса для синтеза конического ТЕМ- рупора с диэлектрической линзой и проведения сравнительного анализа сплошного и сетчатого пирамидального ТЕМ-рупора
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время наиболее часто используются следующие виды математических моделей антенно-фидерных устройств: строгие (аналитические) модели (большой вклад в развитие которых внесли школы академика В П. Шестопалова, проф. Д.И. Воскресенского, проф. А С. Ильинского и др.); модели, основанные на численном решении уравнений Максвелла, сформулированных в интегральной, дифференциальной либо ин-тегро-дифференциальной форме (проф. В.А. Фок, проф. Е Н. Васильев, проф. Д.М Сазонов, проф. В.В. Никольский, проф. R. Mittra, проф. К. Yee, проф. Т. Weiland), с учетом заданных граничных условий; эвристические модели, основанные на упрощенных физических представлениях (проф. Б.В. Сестро-рецкий), эквивалентных схемах проектируемых устройств, а также использовании эвристических подходов к анализу протекающих физических процессов (нейронные сети) и синтезу их структуры и параметров (генетические алгоритмы).
Строгие математические (аналитические) модели (в частности, основанные на использовании методов теории функций комплексного переменного - метода Римана-Гильберта-Привалова, метода вычетов (а также модифицированного метода вычетов), метода интеграла Коши; методов функционального анализа - метода Крамера решения бесконечных систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), метода полуобращения оператора решаемой задачи, метода факторизации Винера-Хопфа-Фока), характеризуются существенными ограничениями по геометрии и электродинамическим свойствам моделируемых антенных устройств и систем.
Математические модели, основанные на численном решении уравнений Максвелла с граничными условиями, являются наиболее универсальным средством проектирования и исследования антенно-фидерных устройств с различной геометрией и материальными свойствами, функционирующих в произвольных диапазонах частот. Подобные модели сочетают в себе наиболее универсальный, «лобовой», способ решения уравнений Максвелла и систему подходов, направленных на ускорение процесса численного моделирования не только одиночных антенных устройств, но и антенных решеток, характеризующихся сложной топологией и значительным числом элементов
Наиболее часто употребляемыми эвристическими методами анализа антенно-фидерных устройств являются метод наведенных электродвижущих (или магнитодвижущих) сил, а также методы интегрального уравнения Хал-лена и интегро-дифференциального уравнения Поклингтона, используемые для моделирования и синтеза антенных устройств и систем, выполненных в виде тонкопроволочныч конструкций.
Эффективным методом параметрического синтеза антенно-фидерных устройств является эвристический метод генетических алгоритмов, однако для своей реализации, особенно при использовании строгих численных моделей анализа, он требует весьма значительных затрат машинного времени, причем не всегда удается предсказать момент окончания оптимизации.
Столь широкий спектр подходов, использующихся для построения математических моделей антенно-фидерных устройств, создает существенные трудности при попытке объединения всех существующих методов и средств анализа и синтеза антенно-фидерных устройств в рамках одного интегрированного программного продукта.
Одной из актуальных задач процесса анализа и синтеза антенных устройств и систем, при решении которой, в рамках настоящей диссертации, оказалось возможным рационально сочетать использование строгих аналитических и численных моделей, а также моделей, построенных с использованием эвристических предпосылок и полуэмпирических подходов, является создание методики анализа и синтеза сверхширокополосных антенн мобильного базирования, а также антенн коротковолнового (KB) диапазона, при функционировании которых необходимо строгим образом учитывать влияние земной поверхности (в KB диапазоне земля не может быть представлена ни идеальным металлом, ни идеальным диэлектриком, а только полупроводником (с комплексной диэлектрической проницаемостью)).
Работа выполнена в соответствии с межвузовской научно-технической программой «Информационные технологии в образовании и науке» в рамках основных научных направлений ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» «Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы» и «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства, системы передачи, приема, обработки и защиты информации».
Целью диссертационной работы является создание многоуровневой системы математических моделей сверхширокополосных антенн, размещенных вблизи земной поверхности или корпуса мобильного носителя, позволяющих анализировать и учитывать влияние рассеянных электромагнитных волн на точностные и энергетические характеристики программно-аппаратных комплексов радиоконтроля. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
анализ состояния и перспектив развития программных средств математического моделирования электродинамических объектов, размещенных около металлических рассеивателей сложной геометрии и границы раздела сред воздуха и полупроводника;
разработка и исследование комплекса математических моделей, используемых для анализа и синтеза сверхширокополосных антенн, расположенных над подстилающей поверхностью с конечной проводимостью;
создание и исследование комплекса математических моделей сверхширокополосных антенн мобильного и бортового базирования;
- создание алгоритмов структурного и параметрического синтеза
сверхширокополосных антенн, расположенных вблизи земной поверхности
или корпуса носителя;
- разработка структуры и состава комплекса программ, предназначен
ного для анализа и синтеза сверхширокополосных антенн мобильного и бор
тового базирования.
Методы исследования. В ходе выполнения работы использовались основные положения теории математического моделирования; методы вычислительной электродинамики; стандартные методики измерения характеристик антенно-фидерных устройств СВЧ диапазона
Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной-
комплекс математических моделей сверхширокополосных антенных устройств и систем, расположенных вблизи подстилающей поверхности, отличающийся возможностью программной реализации процедуры параметрического синтеза устройств на основе различных уровней представления о протекающих физических процессах в анализируемых объектах;
комплекс моделей сверхширокополосных антенн мобильного и бортового базирования, на основе которых разработаны процедуры их анализа и синтеза, отличающиеся рациональным выбором степени строгости описания моделируемых объектов (от численного решения краевых задач, сформулированных с использованием векторных интегральных уравнений, до использования эвристических подходов к описанию анализируемых явлений - метода наведенных электродвижущих сил);
алгоритмы автоматизированного анализа, параметрического и структурного синтеза сверхширокополосных антенн, отличающиеся возможностями учета и оптимизации влияния корпуса мобильного носителя на точность и разрешающую способность комплексов радиопеленгации мобильного базирования;
структура и состав специального программного обеспечения анализа и синтеза сверхширокополосных антенных устройств и систем, отличающегося минимизацией затраченного машинного времени путем комплексного применения современных пакетов электродинамического моделирования и созданных специализированных программных средств.
Практическая значимость работы. Разработанные и исследованные математические модели и алгоритмы являются основой для практической реализации комплекса программных средств, предназначенного для синтеза и анализа сверхширокополосных антенн с учетом влияния корпуса мобильного носителя и подстилающей поверхности. Его использование позволило разработать ряд высокоэффективных сверхширокополосных антенн, предназначенных для применения в программно-аппаратных комплексах радиоконтроля.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы использованы в ОСП ЗАО «ИРКОС» (г. Воронеж), НКТБ «Феррит» (г Воронеж), а также внедрены в учебный процессы ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» и ВВТУ ФСО России (г Воронеж).
Основные положения, выносимые на защиту:
математические модели сверхширокополосных антенн коротковолнового диапазона, построенные с учетом зависимостей диэлектрической проницаемости и проводимости земли от степени ее влажности, позволившие создать на их основе комплекс радиопеленгаторных антенных решеток, состоящих из направленных элементов;
комплекс математических моделей сверхширокополосных антенных устройств и систем, расположенных на корпусе мобильного или бортового носителя, позволивших значительно повысить эффективность (до 5 раз) процессов автоматизированного анализа и синтеза сверхширокополосных антенн аппаратуры радиоконтроля;
алгоритмы автоматизированного анализа и синтеза радиопеленгаторных антенн мобильного базирования, реализованные в программном обеспечении, интегрированном с пакетом численного электродинамического моделирования CST Microwave Studio, использование которых позволило существенно уменьшить систематическую погрешность (с 8 5 до 2 градусов) пеленгования источников радиоизлучения в сверхширокой полосе частот;
структура и состав специализированного программного обеспечения, предназначенного для моделирования и проектирования сверхширокополосных антенных устройств и систем аппаратуры радиопеленгования и радиомониторинга с учетом влияния реальной подстилающей поверхности и корпуса мобильного (или бортового) носителя.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XI- и XII- Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 2005, 2006), «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (Воронеж, 2005), «Инноватика 2007» (Сочи, 2007), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов, научных семинарах ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2005-2008).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 14 научных работах, в том числе 9 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1-4, 10-12] - проведение моделирования, сравнительный анализ полученных входных характеристик; [5] - исследование модели антенного устройства, построенной на основе использования генетического алгоритма; [6-9] - разработка модели сверхширокополосной антенны; [13-14] - проведение моделирования, оптимизация, исследование входных характеристик, выбор наилучших геометрических параметров исследуемой модели.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы, включающего 151 наименование. Основная часть работы изложена на 161 странице, содержит 72 рисунка.
Анализ методов, применяемых в программных средствах анализа и синтеза сверхширокополосных антенн аппаратуры радиоконтроля мобильного и стационарного базирования
Существующие программных средств моделирования антенн и СВЧ устройств в значительной степени используют различные упрощенные средства моделирования [15-25], но по мере роста вычислительной мощности компьютеров все большее практическое применение приобретают строгие электродинамические методы моделирования [26-44]. Программные комплексы, состоящие из специальных функциональных модулей, могут осуществлять анализ и синтез разрабатываемых устройств.
Разработкой систем и программ по расчету и проектированию СВЧ устройств занимается много фирм. Из наиболее известных можно назвать - НР-EEsof. [45], Compact Software (Ansoft Inc.) [46], Applied Wave Research [47], Computer Simulation Technology [48], Zeland [49], Poynting Software [50]. В последнее время прослеживается тенденция к созданию электродинамических пакетов типа «все в одном», объединяющих в себе электродинамическую часть, систему проектирования электрических схем, печатных плат и вывод конструкторской документации. К таким системам можно отнести пакеты CST Studio Suite 2006, Microwave Office 2001 фирмы Applied Wave Research. Причем зачастую электродинамические модели можно включать в электрические схемы в качестве элементов. Это позволяет разбивать сложную электродинамическую задачу на несколько этапов, а так же объединять элементы с известными параметрами, рассчитанными на основе строгих формул из справочников, с моделями в одной схеме. Можно классифицировать системы электромагнитного моделирования, основываясь на оценке размерности анализируемых объектов: в чистом виде двухмерные - 2-D, «почти» трехмерные - 2.5-D и полностью трехмерные - 3-D.
Алгоритмы 2-D позволяют анализировать плоскопараллельные структуры, бесконечные в одном направлении. К этому классу задач относятся линии передачи и некоторые волноводные задачи. 2-D системы позволяют определять распределение электродинамических полей в сечении линий передачи, а также, как правило, их комплексные постоянные распространения, волновое сопротивление и коэффициенты взаимной связи.
Для алгоритмов 2.5-D, как правило, допустимы или бесконечные многослойные диэлектрические структуры, или многослойные диэлектрические структуры, ограниченные идеально проводящими стенками. 2.5-D системы позволяют анализировать устройства, состоящие из плоских проводников произвольной формы. К этому классу задач относятся устройства на основе микро-полосковых, полосковых линий и др. Некоторые реализации 2.5-D алгоритмов позволяют моделировать произвольные трехмерные проводящие поверхности. 2.5-D системы, обычно позволяют рассчитывать электродинамические поля в произвольных сечениях устройства и токи на проводящих поверхностях (Zeland IE3D, MWO).
В 3-D системах используются алгоритмы, позволяющие моделировать объекты произвольной формы из различных материалов (Anson; HFSS, Zeland FIDELITY, CST Microwave Studio). Методы, используемые решающими модулями, можно разделить на основании способа решения уравнений Максвелла в частотной или временной области. Методы, основанные на численном решении уравнений Максвелла в частотной области: FEM - Finite Element Method (метод конечных элементов); FIT - Finite Integration Technique in Frequency Domain (метод конечных интегралов в частотной области); МоМ - Method of Moments (метод моментов); PO - Physical Optics approximations (метод физической оптики (МФО)); UTD - Uniform Theory of Diffraction (однородная теория дифракции (ОТД)); FFT - Fast Fourier Transform (FFT) and modified spectral-domain method of moments (метод моментов, модифицированный для спектральной области на основе быстрого преобразования Фурье). Методы, основанные на численном решении уравнений Максвелла во временной области: FDTD - Finite Difference Time Domain (конечно-разностный метод во временной области); FIT - Finite Integration Technique, in Time Domain (метод конечных интегралов во временной области).
Системы моделирования типа SuperNEC, NEC, Mmana [51], основанные на модификации метода моментов для электрически тонких проводников, используются для моделирования проволочных антенн и таких электродинамических задач, для которых проволочное представление приемлемо, рис. 1.1.
SuperNEC - это программа анализа антенных структур, использующая метод моментов (МоМ) и метод теории дифракции (UTD). Программа выполняет моделирование и электромагнитный расчет характеристик антенн, установленных на сложных платформах в диапазоне частот. При использовании протокола Parallel Virtual Machine (PVM) могут быть объединены несколько компьютеров, чтобы решить большую задачу.
Программа использует MATLAB для вычисления, визуализации и графического интерфейса пользователя. Это - автономное приложение, которое работает, используя MATLAB Runtime Server. Во время выполнения не требуется, чтобы пользователи имели MATLAB.
В версии 2.5 ядро программы расчета системы уравнений SuperNEC было оптимально перепроектировано для процессоров Pentium II, III, IV и Celeron. Это уменьшило время моделирования до 10 раз на процессоре Pentium 4, ис 16 пользуя стандартный метод декомпозиции LU. SuperNEC 2.5 включает патентованное ядро решающего устройства «Простого разряжения», разработанное доктором Фрэнсисом Каннингом, а также итерационный методом разрежения матрицы (SIM). Эти методы оптимизируют ресурсы компьютеров для больших задач. SuperNEC 2.5 также включает способность моделировать диэлектрические сегменты проволоки с покрытием.
Разработка и исследование моделей пирамидального ТЕМ- рупора со сплошными металлическими полосками и антенного устройства в виде сеточной тонкопроволочной конструкции
Вычисление таких интегралов по Л для каждой точки проходит медленно даже на самых быстрых компьютерах. Следовательно, необходимо использовать методику интерполяции для сохраненных компонент поля, как было сделано для поля связанного с землей. Так как интегралы зависят только от р, и z + z , используется сетка значений для компонент поля и двумерная интерполяция.
Для упрощения интерполяции вблизи особенности порядка IIR , компоненты делятся на функцию имеющую подобную особенность, и интерполяция выполняется для дроби. Для удаления особенности порядка \lR и фазового ко 64 эффициента свободного пространства перед интерполяцией, компоненты поля делятся на ехр(-Д/г, / Я,) для всех значений Rx. Поверхности, к которым применена интерполяция, тогда:
После интерполяции на сглаженных поверхностях результаты умножаются на пропущенные коэффициенты.
С устраненной особенностью порядка MR, интерполяция может использоваться для произвольных малых значений р и z + z . Значения для Rx = 0 в сетке интерполяции могут быть найдены как приделы для Rj стремящихся к нулю, однако интегралы в этом случае не сходятся. Когда р и z + z приближаются к нулю, доминирующий вклад в уравнения (2.71)-(2.76) вносится большим Я, Следовательно, сингулярный характер изменения можно найти, установив У, и Y2 равным Я. Сначала, однако, необходимо аппроксимировать , и D2 для
Так как ограничивающие значения, такие как Rx, стремятся к нулю функции по в, поэтому необходимо использовать не р и z + z как переменные интерполяции, a Rx и в.
Ширина области относительно быстрого изменения Rx по оси должна быть пропорциональна длине волны в более плотной среде и, следовательно, сконцентрирована ближе к Rx = 0 для больших диэлектрических констант. При конечном Rx, функции приближаются к нулю, поскольку єх и х, становятся большими. Когда потери малы, стоячая волна в более плотной среде приводит в к существенно более короткой волне по границе раздела в верхней среде. Область интерполяции от 0 до 1 длины волны в окрестности Rx разделена на три сетки, на которых используется двумерная кубическая интерполяция. Для данной точки определяется правильная область сетки. Кубические поверхности в Я, и 9, которые подходят к области размером 4x4 точки, оцениваются для каждой из этих четырех областей Ґр, Iу,, I" и I" .
Сетки были получены с помощью численного расчета при сохранении относительных ошибок интерполяции строго в диапазоне от 10" до 10" . Меньший коэффициент А/?, может понадобиться для большого -, и меньшего с,, для обработки быстро затухающей волны.
При вычислении поля используется интегрирование по Ромбергу [149] с переменной шириной интервала по распределению тока. При каждой оценке подынтегрального выражения, компоненты Ґр, fz,і" и і" получаются интегрированием, и компоненты поля объединяются согласно направлению тока. Численный интеграл объединяется с полем свободного пространства и с полем изображения, умноженного на (к? - к\) /(&,2 + к]), для получения полного поля над землей.
Когда расстояние Rx от точки наблюдения до центра сегмента проводника больше, чем одна длина волны, поле оценивается асимптотическими приближениями Нортона [112], а не вышеупомянутым методом. Хотя они менее точны, чем интегралы Зоммерфельда и требуют больше времени для вычисления, чем интерполяция, их использование позволяет усекать таблицы интерполяции. Другое приближение, используемое для Rx больших, чем длина волны - это обработка распределения тока на сегменте как сосредоточенного токового элемента.
Включение метода изображений и коэффициентов преломлений в код очень простое. Функция Грина для идеальной проводящей поверхности представляет собой сумму функций Грина свободного пространства для исходного элемента тока и отрицательной функции Грина свободного пространства для изображения отраженного от поверхности источника. Для электрического поля с двучленом Грина свободного пространства G(f,r ) двучлен
Оптимизация геометрии нерегулярного ТЕМ- рупора по критерию минимизации средневзвешенного коэффициента отражения от его входа
На построенных частотных зависимостях погрешностях пеленгования четко прослеживается тенденция быстрого убывания модуля абсолютной ошибки с ростом частоты (рис. 2 приложения 1), что может быть объяснено соответствующим увеличением декремента затухания поверхностных токов, протекающих по корпусу носителя антенной решетки, и формирующих основную компоненту вторичного электромагнитного излучения, искажающего пеленги.
На частотах выше (90-И 00) МГц, когда диаметр фюзеляжа и расстояния от вибраторов до кромок крыльев самолета становятся большими, чем длина падающей волны, погрешности пеленгования уже не превышают 2 при всех рассматриваемых углах падения.
Любопытно, что максимальная степень искажений пеленгов в среднечас-тотной и высокочастотной областях анализируемого диапазона приходится на «носовую» угловую область падающих волн. Погрешности измерения азимутов источников радиоизлучения, расположенных в «хвостовой» области углов рассеяния, оказываются существенно меньше, чем в первом случае. Самые малые ошибки пеленгов в высокочастотной области (при / 70 МГц) наблюдаются при углах падения волны, близких к фит = 90: при поперечном рассеянии искажения поля, вносимые крыльями, являются минимальными, колебания измеренного пеленга относительно истинного азимута источника с ростом частоты становятся наиболее быстрыми (их частотный период уменьшается при приближении угла падения к нормали, построенной к продольной оси самолета). Очевидно, в последнем случае максимальный вклад в рассеянное носителем поле в точках наблюдения (фазовых центрах вибраторов антенной решетки) вносят резонансы азимутальных токов, протекающих по периметру фюзеляжа летательного аппарата. Интересно также отметить, что в окрестности частоты 10 МГц при углах падения, близких к нормали относительно оси самолета, ярко выражаются продольные резонансы фюзеляжа, в то время как при квази-осевом рассеянии волны данного явления не наблюдается. Поэтому в качестве самой грубой модели, позволяющей на качественном уровне оценить влияние носителя на погрешности измеренных пеленгов в низкочастотной области (где ошибки имеют максимальную величину) можно использовать просто фюзеляж самолета (без крыльев и хвостового оперения), представляемый в виде композиции конуса и цилиндра.
Построенные частотные зависимости фаз напряжений на резисторах нагрузки вибраторов антенной решетки, базируемой на летательном аппарате, являются практически линейными даже на таких частотных участках, где абсолютные погрешности пеленгования превышают (Ю-т-15)0, рис. 3, 4 приложения 1. В этом случае для анализа рассеянного поля можно воспользоваться методикой решения интегрального уравнения, описывающего дифракцию электромагнитной волны в пространственно-временной области, подробно описанной в монографии [94].
Подобным же образом можно построить аналогичные зависимости от угла падения волны. Данное обстоятельство существенно упрощает процедуру интерполяции угло-частотных зависимостей фаз напряжений на выходах высо-коомных буферных каскадов в низкочастотной области функционирования ра-диопеленгаторного комплекса, т.к. для их аналитического описания в подавляющей части области частот / 40МГц достаточно для каждой из 9 представленных выше ломаных линий определить координаты всего лишь 8 точек (для фиксированного значения угла падения волны (рти = const).
Весьма интересно, что на частотах, соответствующих большим искажениям измеряемой азимутальной координаты источника (рис. 1 приложения 1, угол падения волны ///v/=100, /«10 МГц), зависимости фаз напряжений на резисторах нагрузки вибраторов пеленгаторной антенной решетки ф(/) (рис. 1 приложения 1), с помощью которых оценивались реальные значения пеленгов, являются практически линейными и характеризуются отсутствием каких-либо аномалий их взаимного расположения. Напротив, расширение пучка фазо-частотных зависимостей при срИР11 = 20 на частоте около 7.5 МГц (рис. 1 приложения 1) не приводит к наличию существенных искажений пеленга (рис. 3 приложения 1), где значение абсолютной ошибки пеленгования даже меньше, чем в окрестности данной частоты. Аналогично, при (р1[РП = 100 на частотах выше 15 МГц (рис. 4 приложения 1) наблюдается аномальное расширение пучка фазо-частотных зависимостей, однако в окрестности данной частотной точки погрешность пеленгования близка к нулю (рис. 1 приложения 1).
Таким образом, в настоящем подразделе показано, что при размещении пеленгаторных антенных решеток вибраторного типа на самолете наиболее заметные ошибки пеленгации источников радиоизлучения наблюдаются в средневолновом, коротковолновом и низкочастотной области УКВ диапазонов волн (приблизительно до частоты 90 МГц для отечественного самолета). Значения погрешностей пеленгования источников быстро уменьшаются с ростом частоты.
Возможность использования существенно более грубой модели самолета, в которой его корпус представляет собой его фюзеляж без крыльев и хвостового оперения, весьма экономичной в вычислительном отношении благодаря решению задачи дифракции падающей электромагнитной волны в цилиндрических координатах, рассмотрена далее.
Примеры использования разработанного программного комплекса для синтеза конического ТЕМ- рупора с диэлектрической линзой и проведения сравнительного анализа сплошного и сетчатого пирамидального ТЕМ-рупора
Разработаны алгоритмы параметрического синтеза пеленгационной антенной решетки вибраторного типа, установленной под фюзеляжем самолета, выбора упрощенной модели самолета, позволяющие автоматизировать формирование итоговой базы данных, используемой для оптимального размещения элементов антенной решетки на корпусе самолета.
Разработан алгоритм проектирования ТЕМ- рупора с оптимизированными в сверхширокой полосе частот входными характеристиками на основе генетического алгоритма, позволяющий ускорить поиск оптимального решения геометрии антенны при заданных входных параметрах.
Разработан алгоритм синтеза и анализа конструкции диэлектрического обтекателя сверхширокополосной щелевой антенны бегущей волны, позволяющий синтезировать оптимальную конфигурацию антенны при максимальном усилении в сверхширокой полосе частот.
Разработан алгоритм компенсации влияния металлического кожуха на пеленгационные характеристики линейной антенной решетки из элементов Вивальди, позволяющий компенсировать экранирующее влияние металлического кожуха на антенную решетку с помощью процедур анализа и синтеза оптимальной геометрии отражающих элементов кожуха, оптимизации размещения элементов решетки.
Разработка программного комплекса, предназначенного для анализа и синтеза сверхширокополосных антенн аппаратуры радиоконтроля мобильного и стационарного базирования
Программные средства моделирования трехмерных электродинамических объектов относятся к числу наиболее сложных и наукоемких автоматизированных систем (АС) [124, 125]. Наряду с выполнением собственно проектных процедур необходимо автоматизировать также управление анализом и синтезом, поскольку сам процесс проектирования становится все более сложным и зачастую приобретает распределенный характер. На крупных и средних предприятиях заметна тенденция к интеграции программных комплексов с системами управления предприятием и документооборота.
Программный комплекс является основой вычислительной базы анализа и синтеза, поскольку именно эти программы задействованы для проведения моделирования, с последующим анализом результатов. Структура комплекса представлена на рис. 4.2.
При работе предметных программ, осуществляющих расчет необходимых характеристик создаваемых структур, задействуются соответствующие математические модели, которые находятся в отдельной библиотеке. Ее структура отображена на рис. 4.3. При этом выбор той или иной математической модели осуществляется исходя из ее функционального предназначения.
После того, как будет сформирована команда управления, предметная программа синтеза обеспечивает выбор конструктивных элементов, размещенных в блоке библиотеки элементов. Затем сформированная электродинамическая конструкция подвергается моделированию с помощью соответствующего набора предметных программ. В случае необходимости проведения оптимизации устройства задействуется соответствующая предметная программа.
Предметная программа синтеза устройств на основе тонкопроволочных сетчатых структур (ТпСС) Предметная программа синтеза антенн на основе сплошных метал-диэлектрических структур (СМДС)
Оптимизация параметров антенн на основе генетического алгоритма представляет собой длительный итерационный процесс. Это обусловлено большим числом варьируемых параметров, сложной формой целевой функции, значения которой могут быть вычислены только алгоритмически, в отдельных точках. В общем случае антенная конструкция состоит из следующих составных частей: фидерная линия с возможной установкой фазовращателя, делители мощности, возбуждающие устройства, апертурные элементы. Многие из перечисленных элементов характеризуется сложной резонансной зависимостью выходных параметров при изменении их конструктивных размеров. В таких случаях модуль оптимизации должен иметь блочную структуру и содержать несколько различных методов, чтобы пользователь программно-методического комплекса имел возможность проведения многовариантного анализа и выбора различных критериев оптимизации необходимых параметров устройства.
Проведение оптимизации для антенны на основе тонкопроволочных сетчатых структур и сплошных металлодиэлектрических структур может осуществляться, как в отношении отдельных частных критериев оптимальности: полоса рабочих частот, максимальная эффективность, максимальный КНД антенны, габаритные размеры, так и в отношении различных обобщенных критериев оптимальности. В качестве изменяемых параметров антенны можно выделить: размеры апертуры, КСВН, входное сопротивление.
Для оптимального выбора составных элементов разрабатываемого устройства (блок синтеза) можно воспользоваться алгоритмом, приведенным в [54], в нем заложен принцип максимума коэффициента корреляции параметров выбранных базовых элементов, с требуемыми характеристиками технического задания на автоматизированное проектирование. При этом использование системы весовых коэффициентов значимости основных параметров и характеристик, задаваемой пользователем программного комплекса, резко ограничивает число возможных проектных вариантов. Схема настоящего этапа приведена на рис. 4.4. Базовые элементы излучающих апертур БА, ... БАм Техническое задание на проектирование устройства Базовые модели носителей антенн и антенных решеток БН, ... БНМ Выбор значений оптимальных базовых элементов
В информационное обеспечение функционирования программного комплекса входят, во-первых, сведения о типовых элементах проектируемых устройств и их параметрах, типовых материалах, типовых фрагментах конструкций, и во- вторых, способы, алгоритмы и программы, предназначенные для упорядоченной записи, хранения, перемещения и извлечения этих данных. Вторая часть представляет собой базу данных находящейся под управлением СУБД (система управления базой данных). Для данного программного комплекса наиболее подходящим является структурирование базы данных реляционным способом (рис. 4.5).
