Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Применение криволинейных излучающих структур 13
1.1. Криволинейные вибраторные антенны 13
1.2. Согласование в двухчастотных антенных системах 21
1.3. Программные средства анализа характеристик и автоматизации 25 синтеза антенных систем
1.4. Сопоставление программных средств 34
1.5. Выводы по Главе 1 38
Глава 2. Криволинейные двухчастотные антенны 39
2.1. Расчет и измерение диаграмм направленности 39
2.1.1. Изогнутый вибратор 39
2.1.2. Совместное использование программ «Изогнутый вибратор» и Mmana
2.1.3. Измерения диаграмм направленности 48
2.2. Одиночные криволинейные вибраторы 53
2.2.1. S-образная антенна 53
2.2.2. N-образная антенна 59
2.2.3. Модифицированная V-образная антенна
2.3. Антенны с элементами в виде криволинейных вибраторов 71
2.3.1. Многоэлементные S-образные антенны 71
2.4. Выводы по Главе 2 75
Глава 3. Многочастотное согласование комплексных нагрузок
3.1. Использование Г-звеньев как базовая методика для построения двухчастотных согласующих цепей
3.2. Двухчастотное согласование двухконтурной цепью 86
3.3. Двухчастотное согласование двойным Г-звеном
3.4. Согласование с применением отрезков линии передачи 104
3.5. Пути увеличения полос согласования и вопросы чувствительно- 104 сти
3.6. Использование разработанного программного пакета для по- 105 строения согласующих цепей
3.7. Выводы по Главе 3 106
Глава 4. Программный пакет анализа вибраторных антенн и согласующих цепей
4.1. Общие сведения и постановка задачи 107
4.2. Исследуемые конструкции
4.2.1. Антенна 108
4.2.2. Согласующая цепь 109
4.3. Математические модели 109
4.3.1. Метод наведенных ЭДС 110
4.3.2. Метод интегрального уравнения 111
4.3.3. Расчет согласующей цепи 111
4.4. Структура программного пакета 114
4.4.1. Понятие проекта 114
4.4.2. Система управления и работы с базами данных 114
4.4.3. Работа с файлами 119
4.4.4. Графический пользовательский интерфейс и документация 119
4.5. Выводы по главе 4 125
Заключение 126
Литература
- Программные средства анализа характеристик и автоматизации 25 синтеза антенных систем
- Совместное использование программ «Изогнутый вибратор» и Mmana
- Двухчастотное согласование двухконтурной цепью
- Метод интегрального уравнения
Введение к работе
Актуальность работы. Современные требования к радиотехническим системам передачи и извлечения информации включают в себя необходимость работы в различных диапазонах радиочастот или при различных плоскостях поляризации сигнала. Реализация таких требований на сегодняшний день обеспечивается, как правило, комбинированием нескольких антенных систем, каждая из которых выполняет одну функцию. Так, например, для приема сигналов с различными плоскостями поляризации необходимо использование двух отдельных антенн, выходные сигналы которых суммируются.
Теория и практика антенн и излучающих систем получили глубокое развитие в трудах российских и зарубежных исследователей. Вместе с тем, имеются области, недостаточно проработанные для обеспечения возможности широкого практического применения на фоне существенной перспективной востребованности. К этим областям относятся объединение различных функций, выполняемых единой излучающей системой, в частности работа в двух произвольно разнесенных диапазонах частот, одновременный прием/передача сигналов в двух различных плоскостях поляризации.
Вибраторные антенны, элементы которых расположены в одной плоскости, глубоко исследованы, как теоретически, так и экспериментально, и широко используются на практике. Однако, существует необходимость в исследовании криволинейных антенн, перспективных для решения поставленных задач. Многочастотность антенн может быть обеспечена либо синтезом собственно многочастотной антенны, либо использованием реактивных устройств многочастотного согласования.
Методы многочастотного согласования, также давно привлекающие внимание многих исследователей, либо обладают избыточностью относительно требуемого наиболее часто на практике двухчастотного согласования при работе антенны на передачу и прием в двух частотных диапазонах передачи информации, либо требуют предварительного приведения произвольной нагрузки к многорезонансному (двухрезонансному) типу.
Средства вычислительной техники широко применяются при расчете характеристик излучающих систем в связи со значительной трудоемкостью расчетных процессов. Однако каждая из известных программ обеспечивает достижение конкретной цели в рамках интересов разработчика. Поэтому необходимы программные пакеты автоматизированного анализа характеристик антенн, интегрированные с пакетами, рассчитывающими согласующие системы и позволяющие с позиций обобщения результатов предшественников и с учетом новейших достижений в сфере вычислительной техники, повысить эффективность деятельности пользователя.
Цель работы. Целью диссертации является исследование комплекса вопросов по созданию многофункциональных проволочных излучающих структур, работающих в двух плоскостях поляризации и/или в двух частотных диапазонах.
Задачи. В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие задачи:
Исследование криволинейных и пространственных (объемных) вибраторных антенн для обеспечения одновременной работы в двух плоскостях поляризации и/или в двух частотных диапазонах.
Разработка методов двухчастотного согласования произвольных
комплексных нагрузок с линиями передачи.
3. Разработка автоматизированных программных средств для расчета характеристик излучающих структур в совокупности с согласующими устройствами.
Методы исследований. В диссертации применены теоретические и экспериментальные методы исследований. Использован математический аппарат теории радиосигналов и электрических цепей, электродинамики, спектрального анализа, классические разделы математического анализа и линейной алгебры, методы решения интегральных уравнений и численные методы.
Основные положения, выносимые на защиту:
Криволинейная вибраторная антенна N-образной формы обеспечивает возможность работы с двумя поляризациями сигнала в двух частотных диапазонах.
Криволинейная антенна модифицированной V-образной формы обеспечивает КНД не ниже 7 dBi в двух диапазонах частот с регулируемым разнесением по частоте.
Методы и схемы согласования произвольных комплексных нагрузок с линиями передачи в двух частотных диапазонах, обеспечивающие построение пяти схем согласования.
Пакет прикладного ПО для автоматизированного анализа характеристик излучающей системы совместно с согласующими цепями с использованием баз данных.
Научная новизна. Новыми являются следующие результаты работы: 1. Впервые предложены и исследованы конструкции криволинейных антенн S-образной, N-образной, модифицированной V-образной формы,
обеспечивающие работу в двух частотных диапазонах и/или двух плоскостях поляризации.
Впервые предложены методы двухчастотного согласования произвольной комплексной нагрузки с помощью двухконтурнои линейной цепи или вариантов двойного Г-звена.
Разработан программный пакет для автоматизированных анализа и синтеза одно - и двухчастотных антенных систем совместно с согласующими цепями с расширенным представлением результатов моделирования (табличное, двух- и трехмерная графика) и возможностью комплексирования с известными пакетами прикладных программ.
Практическая значимость работы и реализация результатов. Результаты исследований криволинейных вибраторов, а также двухчастотных согласующих устройств, явились основой для разработки и мелкосерийного производства антенн, обладающих повышенным коэффициентом усиления, возможностью работы в двух частотных диапазонах приема сигналов и/или в двух плоскостях поляризации.
Разработанные программные средства позволяют моделировать и синтезировать вибраторные антенные системы в двухчастотном режиме.
Результаты исследований, выполненных в диссертационной работе, использованы в промышленности и учебном процессе на кафедре Радиофизики Политехнического института Сибирского федерального университета, что подтверждается соответствующими Актами, приложенными к работе.
Достоверность. Достоверность результатов подтверждается строгими математическими доказательствами, совпадением результатов, полученных различными авторами и различными путями, корректным моделированием
на ЭВМ, соответствие полученных в диссертации выводов и рекомендаций результатам экспериментальных исследований лабораторных макетов и серийных образцов антенных систем.
Апробация диссертационной работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 15 научно-технических конференциях, в т.ч. на III международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии и системы», Пенза, ПГТУ, 1996 г.; «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов», Красноярск, 1997 г.; Второй Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Информационные технологии и электроника», Екатеринбург 1997 г.; Международной научно-технической конференции и выставке «Спутниковые системы связи и навигации» Красноярск, 1997 г.; III Международной научно-технической конференции «Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи» Воронеж, 1997 г.; IV Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» ПГТУ, Новосибирск, 1998 г.; International Technology Transfer Conference (ITT-98). Iowa State University, USA, 1998.; Всероссийской с международным участием научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники», КГТУ, Красноярск, 1998 г. (три доклада); 8-ой международной крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (КрыМи-Ко'98)», СГТУ, Севастополь, 1998 г.; Всероссийской с международным участием научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники». КГТУ, Красноярск, 1998, 1999, 2002, 2003, 2006 г.г.; IV Международной научно-технической конференции «Антенно-фидерные устройства, системы и сред-
ства радиосвязи», Воронеж, 1999 г.; Всероссийской научно-практической конференции с международным участием и выставке «Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов», Красноярск, 1999 г., Второй IEEE-Российской конференции «1999 микроволновая электроника: измерения, идентификация, применения» Новосибирск, НГТУ, 1999 г.
Опубликованы статьи в Вестнике Красноярского государственного технического университета, выпуск 15 «Радиоэлектроника. Связь. Физика». Красноярск, 1998 г. и в сборнике научных трудов Красноярского государственного технического университета, Красноярск, 2002 г. Одна статья опубликована в издании по списку ВАК (Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета №3(16), 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работы, из них 18 - в материалах научно-технических конференций. Основное содержание работы отражено в публикациях, перечень которых приведен ниже.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа выполнена на 137 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 82 наименований и 4 страниц приложений.
В основу диссертации положены результаты научно-исследовательских работ, выполненных автором и при его непосредственном участии на кафедре Радиофизики Политехнического института Сибирского федерального университета.
Программные средства анализа характеристик и автоматизации 25 синтеза антенных систем
Вместе с тем в практике построения антенных систем нередко возникают требования, затрудняющие применение вышеописанных методов согласования. В частности, такие антенные системы используются в устройствах связи с разделением диапазонов приема и передачи по частоте. Пусть система связи использует частоту fi для передачи и частоту,/} для приема, разнесение между частотами произвольное (рис. 1.16). Для удовлетворительной работы системы требуется обеспечение согласования одновременно на обеих частотах.
Использование описанных выше методик согласования в данном случае затруднительно по следующим причинам. Узкополосное согласование подразумевает всего одну точку согласования. При широкополосном согласовании возможно обеспечение полосы частот Af=f2-fi, однако в этом случае количество элементов СЦ будет увеличиваться с увеличением А/. Кроме того, согласно теореме Фано [12], при увеличении А/ общий уровень согласования будет ухудшаться. И, наконец, с ростом А/ будет снижаться отно шение сигнал/шум, поскольку шумы в пределах неинформативной полосы частот А/ будут проходить на вход приемного устройства без ослабления.
Возможно применение метода многополосного согласования, однако структура полученной СЦ может оказаться неоправданно сложной, и, как следствие, трудной в реализации и настройке.
Вместе с тем, возможно развитие методики узкополосного согласования, позволяющее добиться получения двух произвольно разнесенных по частоте точек согласования. Различные реализации такой методики были предложены автором диссертации в [28,29] и описываются в
Расчет характеристик антенных систем с обеспечением эффективной реализации поставленных задач, включая выбор наиболее рациональных цепей, согласующих линию передачи с собственно антенной, является достаточно трудоемким процессом. Это связано не только со сложностью математического аппарата, но и с необходимостью перебора большого количества вариантов. Кроме того, существенным является также то, что электродинамическая теория не отвечает на многие практические вопросы, при решении которых разработчик опирается на собственный опыт и опыт других исследователей. Поэтому вычислительная техника широко и давно применяется при проектировании антенных систем. В настоящее время разработан ряд программ, созданных для анализа проволочных антенных систем [10]. Ниже кратко проанализированы наиболее популярные программные разработки, направленные на расчет характеристик и моделирование антенных систем.
Одной из самых известных программ, разработанной еще в 1981 г для электродинамического анализа произвольных структур, является NEC-2D [30], разработанный в Lawrence Livermore Laboratory (США). Пакет предназначен для анализа структур, состоящих из проволочных элементов и элементов в виде металлических пластин, возбуждаемых внутренними источниками или внешним электромагнитным полем. Основой для разработки явилась программа анализа антенн AMP (Antenna Modelling Program), разрабатывавшаяся в начале 70-х годов XX века в MBAssociates. NEC сопровождается подробной документацией, состоящей из трех частей: теоретическое описание математической модели, листинг программы с описанием, и руководство пользователя.
Утверждается, что математическая модель NEC имеет высокую точность и подходит для широкого диапазона исследуемых структур, так как не использует упрощений, применяемых в других методах. Об адекватности модели свидетельствует широкое экспериментальное подтверждение расчетов для таких сложных структур, как, например, морские суда.
Модель NEC основана на решении интегральных уравнений для распределения электрического (для проводов) и магнитного (для пластин) токов. Решение находится численным образом с использованием метода моментов. Базисные функции являются составными, т.е. ток в отдельном сегменте представляется как Ij (z) = Aj + Вj sin k(z -Zj) + Сj cos k(z -Zj) A, (1.7) z-z, — 3 2 где А,— длина сегмента, z - координата вдоль сегмента. Программа работает в пакетном режиме. Для проведения расчетов нужно вручную по заданному формату составить файл, содержащий описа ние геометрии исследуемой структуры, возбуждения и других параметров (рис. 1.17). После проведения расчетов NEC создает файл результата, в котором сохраняются результаты расчета токов, зарядов и полей.
Таким образом, использование этой программы для синтеза или оптимизации конструкции весьма затруднительно, так как на каждом шаге требуется создавать новый исходный файл и анализировать файл результата. Указанная особенность привела к появлению большого количества оболочек, предоставляющих пользовательский интерфейс к вычислительному ядру NEC.
Высокие требования NEC к вычислительной производительности компьютера вызвали разработку другой широко известной программы анализа антенн Mini-Electromagnetics Code (MININEC). Первая версия программы была разработана Дж. Логаном и Дж. Рокэвеем в 1982 г, развитие продолжалось в поздних версиях [31-34]. Исходный код и описания программы вплоть до версии 3 открыты и могут быть свободно использованы. Программа специально разрабатывалась для использования на микрокомпьютерах, имеющих сравнительно низкую производительность. Для реализации в математическую модель NEC были внесены соответствующие упрощения и ограничения: Антенна представляется в виде модели, состоящей из тонких проводов. Проводящие плоскости представляются сеткой проводов.
Провода являются прямолинейными, изогнутые сегменты представляются в виде соединения прямых отрезков.
Вычисления проводятся для модели, расположенной в свободном пространстве или над идеальной землей.
Интегральное уравнение для токов решается с помощью метода моментов с использованием способа Галеркина (базисные функции являются одновременно весовыми), применяются треугольные базисные функции.
Совместное использование программ «Изогнутый вибратор» и Mmana
Как указывалось выше, приближение синусоидального распределения тока по вибратору неточно. Для точного вычисления характеристик антенн необходимо использовать известные программные средства, описанные в Главе 1 и построенные, как правило, на алгоритме решения интегрального уравнения для тока в вибраторе с помощью метода моментов. Наиболее известной является программа Mmana [46], широко применяемая для анализа антенн. Mmana является средством моделирования общего назначения, не ориентированным на определенный тип антенн. Следствием этого является определенное неудобство использования Mmana для анализа одиночных криволинейных вибраторов, т.к. при каждом модифицировании конструкции необходимо вручную пересчитывать и вводить координаты всех элементов антенны. Описанная выше «Изогнутый вибратор» производит пересчет всех координат автоматически, однако имеет невысокую точность.
Объединение преимуществ обеих программ позволило применить для разработки криволинейных вибраторов следующую методику.
Первичный выбор перспективных конструкций производился в «Изогнутом вибраторе», проверялись общие подходы к конфигурации, определялся примерный КНД. После выбора найденная конструкция переносилась для точного расчета в Mmana, где вычислялись точные значения КНД, график ДН, и, при необходимости, проводилась оптимизация с целью достижения максимального усиления. Для упрощения перенесения в «Изогнутый вибратор» была добавлена опция сохранения найденной конфигурации в формате файлов Mmana
Для экспериментальной проверки описанных в Главе 2 конструкций антенн были проведены измерения диаграмм направленности. Экспериментальные конструкции изготавливались на НПП «Арей», затем производились измерения.
Одной из основных задач, которые необходимо решить при натурном исследовании антенных систем, является уменьшение влияния поверхности Земли. Под действием электромагнитного поля антенны в Земле возникают токи проводимости и смещения. Влияние этих токов на диаграмму направленности и другие характеристики антенны двояко: с одной стороны, это является следствием реактивной нагрузки, с другой - токи создают собственное излучение, которое суммируется с первичным полем, искажая его. Изменение суммарного электромагнитного поля происходит во всех точках окружающего пространства, что, в целом, сказывается на диаграмме направленности, импедансе излучения, и входном импедансе.
Для уменьшения влияния окружающих предметов измерительный полигон был устроен на крыше отдельно стоящего здания, свободной от мачт, труб и тому подобных предметов. В состав измерительного оборудования входили следующие компоненты (см. рис. 2.5): 1. Измерительная рупорная антенна П6-23М [50], установленная на опорно-поворотном устройстве (ОПУ). 2. Механизм поворота плоскости поляризации, позволяющий изменить поляризацию излучаемого антенной поля без снятия антенны с мачты. 3. Опорно-поворотное устройство (тренога), состоящее из штатива, мачты и механизма ориентации. 4. Измеряемая антенна. 5. Быстроразъемное крепление, позволяющее оперативно устанавливать на мачту и снимать измеряемые антенны, а также поворачивать плоскость антенны для работы в вертикальной или горизонтальной плоскостях поляризации. 6. Мачта измеряемой антенны. При измерении диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости ось мачты совпадает с плоскостью поляризации, при этом мачта, ввиду близкого расстояния, становится элементом антенны и искажает результаты измерений. Для устранения такого влияния вместо штатной металлической использовалась специально изготовленная диэлектрическая мачта. 7. ОПУ измеряемой антенны, аналогичное ОПУ измерительной антенны. 8. Селективный микровольтметр со встроенным генератором. 9. Система коаксиальных кабелей и разъемов, предназначенная для питания измерительной антенны и снятия сигнала с измеряемой антенны.
Передающей антенной являлась измерительная антенна П6-23М, подключенная к генератору, приемной - измеряемая антенна. В измерениях принимали участие два человека. Измеряемая антенна устанавливалась на диэлектрическую мачту с помощью быстроразъемного соединения и подключалась к фидеру. Производилась ориентация измеряемой антенны на измерительную по максимуму принятого сигнала. Полученный азимутальный угол считывался со шкалы ОПУ измеряемой антенны и принимался за нулевой.
Далее производились измерения ДН в полном диапазоне углов 0-360 с шагом 5. Измеренные значения считывались со шкалы микровольтметра в абсолютных единицах. Для предотвращения существенного перекручивания кабеля измеряемой антенны и возможного наклона мачты, измерения проводились в двух направлениях от нулевого угла: 0-180 и 360-180, т.е. антенна поворачивалась в горизонтальной плоскости только на половину оборота: сначала в одну, затем в другую сторону.
После завершения измерения ДН в горизонтальной плоскости измерялась ДН в вертикальной плоскости, для чего обе антенны поворачивались вокруг своей горизонтальной оси на 90, и процедура измерений повторялась.
Полученные отсчеты ДН заносились в журнал измерений, отдельно отмечалась плоскость поляризации и частота, приводился чертеж антенны с указанием размеров.
Для получения пригодных к анализу диаграмм направленности, результаты измерений проходили обработку. При обработке производилось нормирование измеренных абсолютных значений на максимальное значение и вычитание первичного углового смещения антенны. Полученные отсчеты строились в полярной системе координат вместе с расчетным графиком ДН.
Существенным преимуществом является возможность построения полярных графиков на прямоугольном поле. Как правило, графики характеристик направленности для слабонаправленных антенн изображаются в поляр ных координатах; графическое поле имеет круговую форму. При этом обычно значительная часть кругового поля не несет нагрузки, так как антенна в любом случае имеет направленность и излучение сконцентрировано в одном главном или двух противоположных направлениях. Построение диаграмм направленности такого вида обычным образом, т.е. на круговом графическом поле, приводит к неоптимальному масштабированию изображения, когда большая часть графика не несет полезной информации. Более предпочтительным является способ построения, при котором весь построенный график ДН вписывается в прямоугольное графическое поле, неиспользуемые части кругового графического поля отсекаются, сохраняется полярная координатная сетка. Для сравнения на рис. 2.7 приведена одна и та же ДН, построенная на обычном круговом и прямоугольном полях одинакового размера.
Двухчастотное согласование двухконтурной цепью
Как и предыдущий, метод является развитием узкополосного согласования с помощью Г-звеньев [11] и предназначен для согласования произвольного комплексного сопротивления антенны с активным сопротивлением линии передачи в двух частотных точках. Метод был предложен в [29].
Аналогично предыдущему, суть методики заключается в замене элементов согласующего Г-звена колебательными контурами. В отличие от предыдущего метода, используются резонансы контуров. На резонансной частоте параллельный контур имеет бесконечное сопротивление, последовательный контур - нулевое. Применяя параллельный контур в параллельной ветви СЦ, и последовательный контур в последовательной ветви, можно рассчитать элементы контуров таким образом, что на одной частоте контуры будут представлять собой Г-звено, а на второй частоте, которая будет резонансной для обоих контуров, не будут оказывать влияния на согласование (рис. 3.11), т.е.
В результате вычислений получены четыре согласующие цепи сходной структуры. Соответствующие зависимости КСВ приведены на рис. 3.16 и рис. 3.17.
Как следует из приведенных рассуждений, аналогично методике двух-контурной цепи из п. 3.2, описанный способ двойного Г-звена не накладывает никаких ограничений на величину нагрузки и значения частот. Согласование может быть достигнуто четырьмя разными цепями в двух частотных точках при любых исходных условиях. Исходные данные:
Описанные методики согласования, кроме сосредоточенных элементов, могут использовать также эквивалентные элементам с точки зрения сопротивления короткозамкнутые и разомкнутые шлейфы и отрезки линии передачи. Представляет интерес и может служить темой отдельного исследования двухчастотное согласование с помощью полуволновых трансформаторов, для чего можно провести аналогию с колебательным контуром. Полуволновый трансформатор на частоте, при которой L = —, не оказывает влияния на согласование вне зависимости от его волнового сопротивления, т.к. электрическая длина отрезка 9 = п и А-матрица элемента является диагонально единичной. С другой стороны, на второй частоте согласования этот же трансформатор имеет другую длину, и следовательно, трансформирует сопротивление нагрузки. Выбирая должным образом волновое сопротивление трансформатора, возможно получить двухчастотное согласование.
На практике возможно возникновение задач, когда требуется согласование не в двух, а трех и большем количестве точек. Описанные выше методики могут быть развиты на случаи более сложного согласования.
Наиболее очевидным представляется использование для замены элементов контуров не с одним, а с двумя резонансами. Контуры такого рода содержат по три реактивных элемента, их параметры приведены на рис. 3.18.
Представляет интерес вопрос чувствительности согласования к разбросу параметров элементов. При увеличении количества элементов в СЦ отклонение уровня КСВ от 1 увеличится за счет вклада погрешностей всех элементов. Очевидно, чувствительность согласования зависит также от характера сопротивления согласуемой нагрузки, анализ должен проводиться для каждого отдельного случая согласования. Следует отметить, что наличие пяти разных согласующих схем для одних и тех же исходных условий позволяет выбрать наиболее устойчивую к погрешностям цепь.
Описанные методики двухчастотного согласования, как следует из приведенных алгоритмов, могут быть достаточно легко запрограммированы для автоматического синтеза согласующих цепей. Программный пакет, описываемый в Главе 4, позволяет проводить синтез СЦ как с использованием описанных оригинальных методик, так и с помощью ряда известных методов одночастотного согласования. В составе пакета реализован синтез следующих типов СЦ: одночастотные:
Для каждого метода согласования исходными параметрами являются заданные частоты согласования. Производится согласование входного сопротивления проектируемой антенной конструкции с заданным сопротивлением фидера. Кроме того, имеется возможность согласования других комплексных нагрузок, сопротивление которых предварительно рассчитано и загружается из внешнего текстового файла установленного формата. После задания частот производится автоматический синтез СЦ и, в случае нескольких возможных цепей, пользователю дается возможность выбора одной из них.
Метод интегрального уравнения
Система управления и работы с базами данных (БД) предназначена для упрощения и повышения эффективности работы с большим количеством конструкций. В базах данных сохраняется вся информация о проектируемой конструкции. Использование БД является ключевым отличием описываемого пакета от известных средств анализа, описанных в Главе 1.
Базы данных преимущественно используются в двух направлениях: 1. Группировка сходных конструкций по какому-либо признаку (на 114 пример, «ТВ прием», «Двухчастотные», «Сложный рефлектор» и т.п.) 2. Сохранение последовательности работы с какой-либо конкретной конструкцией, что позволяет отслеживать развитие конструкции и при необходимости возвращаться к предыдущим версиям.
До применения СУБД в пакетах анализа антенн указанные задачи выполнялись с помощью набора файлов, т.е., каждая очередная конструкция сохранялась в отдельном файле, которому давалось информативное название. Группировка конструкций производилась средствами операционной системы, т.е. сохранением файлов в отдельных дисковых каталогах. Такой подход не позволял, однако, производить поиск и фильтрацию среди файлов одной группы и не давал возможности видеть все конструкции в одной таблице.
Для описания работы с БД рассмотрим структуру БД в программном пакете. В БД входят три взаимосвязанные таблицы, первая из которых («Антенна») сохраняет общую информацию о проекте, вторая («Вибратор») содержит описание вибраторов, третья («Элемент») - описания элементов согласующей цепи. Таблицы связаны между собой ключевым полем AntID (Идентификатор антенны), что позволяет при выборе нужной конструкции из БД загружать принадлежащие этой конструкции вибраторы и элементы СЦ. Структура всех таблиц приведена в таблицах 4.2, 4.3, 4.4. Каждая из БД автоматически сопровождается текстовым файлом, содержащим описание наполнения БД, заполняемое пользователем.
Работа с БД производится в окне «База данных», подробнее описанном в п. 4.4.4. При работе с базами данных используются следующие операции. Просмотр. Все имеющиеся в открытой БД конструкции отображаются в окне «База данных» в виде таблицы и отдельной записи. Представление конструкций можно настраивать, как описано ниже. Настройка представления. Представление БД в окне «База данных» настраивается пользователем по усмотрению: отображаются или скрываются поля БД (столбцы таблицы). Открытие. Открывается существующая БД для работы, фильтр сбрасывается на исходные условия. Имеющиеся в БД конструкции отображаются в таблице и становятся доступными для отбора, загрузки и удаления. Создание. При создании новой БД в указанном каталоге формируются три пустые таблицы и файл описания. Новую БД мужно открыть для работы. Экспорт. Вся БД может быть сохранена во внешнем текстовом файле описанного формата. Загрузка из БД. При подаче команды выбранная из таблицы конструкция загружается для анализа в программу. Автоматически пересчитываются и отображаются все характеристики конструкции, конструкция доступна для редактирования, оптимизации и др. Добавление в БД. Находящаяся в редактировании конструкция и все ее параметры добавляются в открытую БД и становятся частями таблиц. Операция используется для пополнения БД. Удаление из БД. Указанная ненужная конструкция и все ее параметры удаляются из всех таблиц БД. Следующие две операции являются ключевыми во всей работе с БД, т.к. позволяют производить поиск нужных конструкций по ряду критериев. Имея в наличии обширный набор заполненных БД, сформированных долж 117 ным образом, необходимая конструкция может быть найдена без проведения проектирования. Апалогачным образом, процесс оптимизации и настройки более эффективно проводить, начиная с найденной конструкции, наиболее подходящей к требованиям проекта.
Сортировка. Открытая БД может быть представлена в таблице в от-сортированом виде. Сортировка производится по полям, отмеченным в таблице 4.2, т.е., по всем основным числовым полям и полю Add_DateTime. Для проведения сортировки достаточно щелкнуть по заголовку поля, по которому требуется отсортировать таблицу.
Фильтрация. Фильтрация предназначена для выбора из всей БД конструкций, отвечающих составленному запросу. В таблице 4.5 приведены различные условия, по которым составляется запрос. Общий составной запрос включает в себя все перечисленные условия; если какое-либо условие не должно входить в фильтр, для него устанавливается значение «любое».
Помимо работы с БД, существует возможность оперировать конструкциями в виде отдельных файлов. Возможность добавлена, в первую очередь, для обеспечения возможности экспорта и импорта информации в другие приложения. Пакет позволяет сохранять и загружать описание конструкций в собственном формате. Формат представляет собой обычный текстовый файл, в котором в установленном порядке сохранятся исходная информация о конструкции (описание, название, количество вибраторов и элементов СЦ, параметры вибраторов и элементов СЦ) и вычисленные характеристики проекта, перечисленные в п. 4.4.1. В настройках предусмотрена возможность изменять состав выводимой в файл расчетной информации (например, отключить вывод характеристик в полосе частот).
Для обмена информацией с другими пакетами анализа реализован экспорт файлов в форматах Mmana, YagiOptimizer, Nec4Win, NEC2, NEC4. Пакет работает в операционной системе Windows. Полное описание всех функций пользовательского интерфейса приводится во встроенной справочной системе и документации на пакет. В общей сложности в пакет входит около 20 основных и вспомогательных окон, с помощью которых производятся различные действия с проектом. Ниже кратко изложено описание основных окон пакета и доступных в них действий.
Главное окно (рис. 4.4). Главное окно располагается вверху экрана и содержит строку меню и быстрые кнопки для часто используемых команд. В строке статуса выводятся основные численные параметры конструкции. Основные функции: подача команд, упорядочение остальных окон, предоставление основной информации о проекте.
Вид сверху (рис. 4.5) отображает вид проектируемой антенны «сверху» (со стороны оси Z). Выводятся параметры вибраторов, отдельно выделяются активный вибратор и вибраторы, заблокированные для процесса оптимизации. Параметры вибраторов доступны для редактирования прямо в поле окна, что повышает удобство работы с проектом.
