автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизация трассировки волноводов фазированных антенных решеток

На правах рукописи

АНАМОВА РУШАНА РИШАТОВНА

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТРАССИРОВКИ ВОЛНОВОДОВ ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК

бФЕВми

Специальность 05.13.12. «Системы автоматизации проектирования» (авиационная и ракетно-космическая техника)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2013

005544694

005544694

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» (МАИ).

Научный руководитель:

кандидат технических наук Рипецкий Андрей Владимирович

Официальные оппоненты:

Комков Владимир Александрович, д.т.н., профессор, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), заведующий кафедрой «Теория машин и механизмов»

Козаченко Дмитрий Александрович, к.т.н.,

ООО «Аутодеск (Си-Ай-Эс)», эксперт по корпоративным решениям Ведущая организация: ОАО «Корпорация «Фазотрон-НИИР»

Защита состоится 27 декабря 2013г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д212.125.13 Московского авиационного института (национального исследовательского университета) по адресу: 125993, Москва, Волоколамское шоссе, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (национального исследовательского университета).

2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета Д212.125.13. Л _ Г

кандидат технических наук, профессор —Я.В. Маркин

эксплуатационных (удобство сборки и ремонта конструкции). Определение конкретного исполнения тракта является сложной задачей и выполняется инженером высокой квалификации. Поиск оптимальной по заданным критериям конструкции волноводного тракта значительно увеличивает трудоемкость проектирования антенной системы, что создает предпосылки для автоматизации процесса конструирования тракта. Такая задача актуальна для крупноапертурных ФАР, у которых размер антенного полотна достигает нескольких сотен и даже тысяч длин волн.

Проведенный анализ систем автоматизировашюго проектирования (САПР), применяемых для проектирования радиолокационных комплексов, показал, что задача автоматизированной трассировки волноводных трактов ФАР, соединяющих выходы делителя мощности с излучателями, не решена в полном объеме и является актуальной как с точки зрения выбора метода трассировки, так и с позиции разработки методики автоматизации проектирования. Это обусловлено, прежде всего, тем, что часть существующих программ трассировки волноводов не предназначена для трассировки с обеспечением условия равнодлинности волноводных ветвей тракта (например, программный модуль CATIA «Waveguide Design»), а часть программ для трассировки волноводов внутри конструкции апертуры ФАР (например, программный модуль «ТРАКТ» в среде AutoCAD) не обладает интеграцией с системами ЗО-моделирования и не позволяет выполнять многослойную пространственную трассировку с произвольными углами изгиба. Трассировка волноводов с произвольными углами изгиба позволила бы эффективнее использовать монтажное пространство и сократить суммарную длину тракта за счет более компактного исполнения.

Необходимо отметить, что произвольные углы изгиба возможно реализовать не для всех волноводных трактов. Часто многомодовые волноводы, имеющие круглое сечение, целесообразно изгибать только под 90°.

В связи с тем, что системы 20-проектирования в настоящее время почти полностью вытеснены системами ЗО-проектирования, актуальной является разработка методов пространственной трассировки, а также процедур перехода к ЗЕ)-модели после получения эскиза пространственной трассировки. ЗО-модель открывает возможности обмена данными с САПР для радиотехнических и инженерных расчетов (в виде файлов нейтрального формата) и позволяет решать задачу проектирования тракта комплексно: построение модели - предварительный радиорасчет — проработка конструкции - окончательный радиорасчет - расчет на резонансные воздействия -корректировка конструкции. В настоящее время построение твердотельной модели трактов, расположенных внутри апертуры, как правило, осуществляется вручную и занимает длительное время.

Методологические и теоретические основы исследования включают фундаментальные труды, посвященные:

•Sметодам и алгоритмам трассировки объектов (Абрайтис Л.Б., Базилевич Р.П., Забалуев Н.Н., Петренко А.И., Тетельбаум А.Я., Широ Г.Э., Lee СЛ., Gomory R.E.),

S разработке математических моделей объектов проектирования (Курейчик В.М., Деньдобренько Б.Н.),

S автоматизированному проектированию антенн и устройств СВЧ (Воскресенский Д.И., Гринев А.Ю., Кременецкий С.Д.).

В работах Гумербаева P.P., Курейчика В.М., Лебедева Б.К. рассмотрены особенности применения генетических алгоритмов для решения задач трассировки. Работы Базилевича Р.П., Дмитриева П.И., Петросяна Г.С., Полубасова О.Б. посвящены методу гибкой трассировки на модели крупнодискретного топологического рабочего поля с триангуляцией Делоне. Топологические алгоритмы трассировки многослойных печатных плат рассмотрены в работах Забалуева H.H., Петренко А.И. и Тетельбаума А.Я. Некоторые положения вышеперечисленных авторов легли в основу разработанной соискателем методики обеспечения равнодлинности с применением топологических приемов на квазисегментном рабочем поле.

Изученные источники содержат работы по трассировке печатных плат и больших интегральных схем (Дмитриев П.И., Лузин М.С., Петросян Г.С., Полубасов О.Б. и др.), по трассировке трубопроводов (Егоров С.Я., Малыгин E.H., Немтинов В.А. и др.). Анализ работ показал, что задача трассировки волноводов в случае многослойной разводки более близка к задаче трассировки многослойных печатных плат по характеру накладываемых ограничений к геометрии трасс и по принципу трассировки. Выявленная аналогия между трассировкой дифференциальных пар в печатном монтаже и трассировкой волноводных трактов внутри апертуры ФАР по накладываемым условиям равнодлинности трасс позволила рассмотреть возможность применения решений по трассировке проводников печатных плат для трассировки волноводов.

Целью диссертационной работы является разработка научно-методического и программного обеспечения (ПО) САПР для пространственной трассировки волноводных трактов внутри конструкции апертуры ФАР с заданными ограничениями.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• выявить геометрические особенности волноводных трактов;

• разработать математические модели монтажного пространства и элементов конструкции ФАР, участвующих в трассировке;

• разработать методику пространственной трассировки волноводов,

• разработать методику обеспечения равнодлинности волноводных ветвей тракта;

• разработать алгоритмическое и программное обеспечение САПР для трассировки волноводов;

• осуществить интеграцию разработанного ПО с современной системой геометрического моделирования (СГМ);

• провести верификацию разработанного ПО на предмет корректности получаемых результатов и применимости на этапах проектирования ФАР.

Объект исследования — геометрическая модель волноводного тракта, соединяющего выходы делителя мощности с излучателями и расположешюго внутри конструкции апертуры ФАР.

Предмет исследования - математические модели и методы трассировки, позволяющие реализовать трассировку волноводного тракта с учетом заданных радиотехнических требований и конструкторско-технологических ограничений.

Методы исследования. Для решения вышеуказанных задач в работе применялись методы теории графов, теории множеств, методы линейного программирования, технологии баз данных. Выявление особенностей геометрии тракта осуществлено на основе анализа конструкций крупноапертурных ФАР наземного базирования. Математическая задача трассировки волноводных трактов внутри конструкции апертуры ФАР представлена как задача многокритериальной дискретной оптимизации.

Научная новизна:

1. Разработана методика трассировки волноводных трактов внутри конструкции апертуры ФАР, отличающаяся от известных пространственной реализацией (однослойной и многослойной трассировки) и произвольными углами изгиба трасс.

2. Разработана методика обеспечения равнодлшшости трасс, основанная на переходе к квазисегментному рабочему полю и отличающаяся от существующих методик тем, что позволяет проводить трассы равной длины под произвольным углом и с минимальным количеством изгибов.

3.Предложена модель сегментного рабочего поля на основе адаптивной радиальной сетки, отличающаяся от известных моделей рабочего поля возможностью проведения неортогональных трасс и свойством адаптивности, позволяющим уменьшить время решения задачи.

4. Разработан алгоритм корректировки длин трасс. Алгоритм не требует больших вычислительных и временных затрат.

5. Разработана архитектура программного модуля трассировки волноводных трактов, отличающегося от существующих программных решений по трассировке волноводных трактов внутри конструкции апертуры ФАР интеграцией с СГМ SolidWorks.

Практическая ценность.

l.Ha основе разработанного методического и алгоритмического обеспечения создан программный модуль пространственной трассировки волноводных трактов Waveguide Design Solution (WDS), поддерживающий интеграцию с СГМ SolidWorks. Разработанный программный модуль позволяет:

• производить однослойную и многослойную трассировку волноводов внутри апертуры ФАР с заданными ограничениями;

• реализовывать трассы произвольной конфигурации с обеспечением условия их равнодлинности;

• экспортировать рассчитанные трассы в SolidWorks в виде ЗО-модели.

2. Использование разработанного программного модуля ХУОБ при проектировании реальных конструкций ФАР позволило:

• сократить сроки на проектирование волноводных трактов в 3 раза по сравнению с ручным проектированием,

• сократить суммарную длину тракта на 4%,

• сократить стоимость изготовления тракта на 34% за счет уменьшения количества изгибов волноводных ветвей тракта.

Внедрение результатов работы. Разработанные методика пространственной разводки волноводных трактов, методика обеспечения равнодлинности трасс и программный модуль внедрены на предприятии ОАО «Радиофизика», а также в учебный процесс на кафедре 904 «Инженерная графика» МАИ в качестве составляющей практических работ, что подтверждается соответствующими актами внедрения.

Достоверность разработанных методик и моделей подтверждается тестированием программного модуля иТЭБ при проектировании конструкции волноводных трактов реальных ФАР. Геометрия осевых линий тракта, рассчитанных с помощью удовлетворяет предъявляемым требованиям.

Отклонение характеристик рассчитанных трасс от эталонных требований (погрешность на равнодлинность, указанная в техническом задании на конструирование волноводного тракта) не превышает 5%.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических (НТК) и научно-практических (НПК) конференциях: IX Молодежная НТК «Радиолокация и связь - перспективные технологии» (ОАО «Радиофизика», 2011 г.), Московская молодёжная НПК «Инновации в авиации и космонавтике -2013» (Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 2013 г.), Международная НПК «Наука и образование XXI века», г. Уфа (Научный центр «Аэтерна», 2013 г.), 23-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» КрыМиКо'2013, г. Севастополь, Украина (Севастопольский национальный технический университет (СевНТУ), 2013 г.), IX Международная конференция по теории и технике антенн, г. Одесса, Украина (Одесская национальная академия связи им. А.С. Попова, 2013), IV НТК молодых ученых и специалистов «Актуальные вопросы развития систем и средств ВКО» (ОАО «ГСКБ «Алмаз-Антей», 2013 г.).

Содержание диссертационной работы отражено в 11 печатных работах [1-11], в том числе в 4 периодических изданиях, рекомендованных ВАК [1-4].

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения, библиографического списка (112 работ отечественных и зарубежных авторов) и приложения. Общий объем диссертации - 136 страниц, включая 13 таблиц и 34 рисунка.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Методика трассировки волноводных трактов внутри апертуры ФАР с возможностью пространственной реализации (однослойной и многослойной

трассировки) и произвольными углами изгиба трасс.

2. Методика обеспечения равнодлинности трасс, основанная на переходе к квазисегментному рабочему полю.

3. Модель сегментного рабочего поля на основе адаптивной радиальной сетки.

4. Алгоритм корректировки длин трасс.

5. Архитектура программного модуля пространственной трассировки волноводных трактов интегрированного с СГМ 8оИ(1\¥огкз.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении дан обзор существующих решений автоматизированной трассировки волноводных трактов, обоснована актуальность предметной области, описаны методологические и теоретические основы исследования, приведены полученные научные результаты, сформулирована практическая ценность диссертационной работы, а также дана общая характеристика диссертации.

Первая глава посвящена постановке задачи. Сформулированы цель, объект и предмет исследования. Обозначены задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.

В работе формализованы следующие конструкторские и

технологические ограничения на трассировку волноводных трактов:

1)требование равнодлинности волноводных ветвей тракта:

Щ) = Ц*2) = ... = £(*„); (1)

2)ограничение на длины начального и конечного («заходных») участков и на длины прямых участков между точками изгиба трассы:

^х2 -х,)2 +(у2-Уд1 + (2)

где А1(х1,у1,21),А2(х2,у2,г2) - точки изгиба трассы, либо начальная и конечная точки заходного участка,

/т)п - минимальная длина прямого участка, задаваемая из

технологических соображений;

3)радиусы изгиба траектории по ОСТ 4ГО.010.019-72 «Трубы волноводные. Радиусы и углы изгибов. Основные параметры и размеры»;

4)условие проведения трасс с произвольными углами изгиба:

0° < а < 90° - область определения угла изгиба волновода, отсчитываемая от оси волновода в направлении его гибки;

5)обеспечение требуемого расстояния между слоями трассировки:

к-*«!я,,*, (3)

где |zsl — zS2\ = As - расстояние между слоями трассировки, определяемое как разность координат точек перехода на второй слой;

6)прокладывание трасс в пределах монтажного пространства конструкции апертуры:

Afa^ZjXV^FigtXAjeV,, (4)

где А. (Xj, уj ,Zj)- точка, принадлежащая трассе tj , V = F(gk) - объем монтажного пространства апертуры, являющийся функцией от геометрических характеристик апертуры gk (в случае прямоугольной конструкции gk = {а, Ъ, с}, где а,Ь,с- длина, ширина,

высота конструкции апертуры соответственно);

7) условие, обеспечивающее непересечение трасс друг с другом, и ограничение на расстояние между трассами одного слоя - для любых точек Д. = и Д. = (Xj, yj,, zj ), принадлежащих соседним

трассам tf и tj , должно выполняться неравенство:

V.+V,

(5)

где d = yj(xj ~х,)2 + (Уу ~yt)2 + (zj ~zi)2 - расстояние между

точками; параметр V определяет геометрическую характеристику фланца волновода: для круглых фланцев О является диаметром фланца; для прямоугольных U рассматривается как диаметр окружности, описанной вокруг фланца; dmin - минимальное расстояние между

фланцами соседних волноводных линий, которое является следствием требований собираемости конструкции и удобства обслуживания;

8) обход зон, запретных для трассировки.

Для того, чтобы трасса удовлетворяла условию, необходимо и достаточно, чтобы для любой точки Q(xq ,yq,z ) et выполнялась система неравенств:

\лт лч\— 2 min'

2

+ (б)

Г» Ч\ - ^ "min >

где (хт, ут, zm ) - координаты центра запретной зоны /я;

Сат >Ьт>ст) - габаритные размеры зоны.

Поскольку рассматриваются крупногабаритные ФАР наземного базирования, то в работе не учитываются ограничение по массе конструкции, а также тепловыделения ввиду обязательного наличия системы охлаждения в антенных устройствах подобного типа.

Дана математическая постановка задачи трассировки волноводных трактов внутри конструкции апертуры ФАР. Поскольку приходится учитывать несколько критериев, которые могут оказаться противоречивыми, то задача представлена как задача многокритериальной дискретной оптимизации:

найти /* = arg minf^i) 11 e T) , (7)

где - целевая функция;

t - вариант трассировки, в виде совокупности трасс tj ;

Т - множество вариантов трассировки, удовлетворяющих ограничениям ®1У, *

t - оптимальный вариант трассировки.

Целевая функция записана в аддитивной форме:

У = ¿ЯД, (8)

i=i

где Ч* — аддитивный критерий, /1( - весовой коэффициент,

— exlr(pt(t)

ф — частный критерий в приведенной форме: (р. =-*1UU,

<Р,(0

где ex treppt) - экстремум функции ; р - число частных критериев.

Исходя из предъявляемых к тракту требований, рассмотрены несколько частных критериев. По результатам экспертной оценки выбраны два наиболее значимых критерия:

1) суммарная длина тракта (вес критерия \ = 0,5 ):

(9)

7=1

где tj — у], | - трасса, заданная в виде координат ее точек;

N - число излучателей.

2) суммарный угол изгиба тракта — сумма всех углов изгиба трасс (вес

критерия Л^ = 0,5):

где и /(.+1)/

у=1 1=0

- участки трассы /., образующие /-Й угол излома трассы,

Чму

Ьму

К^ - количество изгибов /- й трассы.

Оба критерия подлежат минимизации. Весовые коэффициенты (веса) критериев определены на основе экспертной оценки. Экспертная оценка произведена в виде опроса экспертов (специалистов в области разработки антенных систем, инженеров высокой квалификации) с последующей статистической обработкой результатов.

Исходными данными для трассировки являются:

• набор параметров, задающих краевые условия (координаты входов излучателей, координаты выходов делителя мощности);

• набор исходных параметров, задающих ограничения (геометрические характеристики апертуры ФАР; радиусы изгиба волноводной линии; минимальная длина прямого участка; параметры несущих металлоконструкций, расположенных внутри монтажного пространства апертуры).

Определено место трассировки волноводных трактов на этапах проектирования наземных ФАР радиолокационных комплексов (рис.2).

ЭТАПЫ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ФАР

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВОЛНОВОДНОГО ТРАКТА

РАДИОТЕХНИЧЕСКИ« РАСЧЕТ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

ТРАССИРОВКА О

УТШШАЦИЯ

ЭКСПЛУАТАЦИЯ

ПРОИЗВОДСТВО

ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ИСПЫТАНИЕ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА

РАЗРАБОТКА РКД

ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОЕКТ

ЭСКИЗНЫЙ ПРОЕКТ

1ЕХННЧЕ СКОЕ ЗАДАНИЕ НА НИ ОКР

и

ц

Время, годы

01.Л,5 к.4 5—7 7...10 22...25 23...26 ^

Рис.2. Этапы жизненного цикла крупноапертурных ФАР.

ОКНО WDS ОКНО SOLIDWORKS

а) б)

Рис.9. Результаты расчета трассировки тракта подрешетки из 30 излучателей: а) трассы, рассчитанные в программе \\Ю8 (два слоя); б) ЗО-модель экспортированных трасс в СГМ БоНс^огкз.

С целью подтверждения адекватности расчетной модели и точности алгоритмов, заложенных в программный модуль \\Т)8, проведена процедура верификации. Верификация представляет собой подтверждение соответствия схемы волноводных линий тракта, рассчитанной с помощью программного модуля \VDSj предопределённым требованиям . Верификация основана на

анализе результатов, полученных при тестировании программного модуля. Рассчитанные параметры трассировки сравнены с эталонными (под эталонными параметрами подразумеваются данные, указанные в техническом задании для конкретной ФАР).

Рис.8. Результаты расчета трассировки тракта подрешетки из 30 излучателей: а) трассы, рассчитанные в программе (один слой); б) ЗО-модель экспортированных трасс в СГМ ЗоПсЗХУогкБ.

ОКНО \¥Б8

ОКНО вОЫБХУОЯКв

Верификация подтвердила адекватность расчетной модели и точности алгоритмов, заложенных в программный модуль \VDS- Отклонение характеристик рассчитанных трасс от эталонных не превышает 5%.

В четвертой главе приведены результаты сравнения однослойной трассировки волноводного тракта подрешетки из 30 излучателей, выполненной в разработанном программном модуле с трассировкой

того же тракта, полученной с применением программы «ТРАКТ». Сравнение показало, что использование программного модуля позволило сократить суммарную длину тракта на 4% и суммарный угол изгиба тракта на 18% (рис.10).

Изгибы волноводных ветвей оказывают влияние не только на величину потерь электромагнитной энергии в тракте, но и напрямую влияют на его стоимость. Стоимость изготовления волновода с одним изгибом составляет примерно 1,2 от стоимости изготовления прямого волновода (по данным предприятия-изготовителя). Применение разработанного программного модуля \\Т)8 позволило снизить стоимость изготовления тракта на 34% за счет уменьшения количества изгибов тракта.

6)^08

Рис.10. Сравнение трассировки для подрешетки из 30 излучателей, рассчитанной в программе «ТРАКТ» (а) и в программном модуле ШЭБ (б).

■ ТРАКТ

■ WDS

■ ТРАКТ

■ \ZVDS

77000 76000 75000 74000 73000 72000 71000

Суммарная длина тракта, мм

250 200 ISO 100 50 О

Суммарный угол изгиба, рад

Необходимо отметить, что методика обеспечения равнодлинности, заложенная в программу «ТРАКТ», предполагает автоматизированную корректировку длин трасс, т.е. при участии инженера-конструктора. К недостаткам такой методики относится сложность оптимизации трассировки.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Анамова P.P. Проблемы трассировки волноводов в антенных устройствах авиационной спутниковой связи // Труды МАИ: электронный жури. 2013. №66.

URL: http://www.mai.ru/science/trudv/published.php

2. Анамова P.P., Рипецкий A.B. Вопросы автоматизации конструкторских работ при проектировании комплексов авиационной радиолокации // Труды МАИ: электронный журн., 2013. №70.

URL: http://www.mai.ru/science/trudv/published.php

3. Анамова P.P. Проблемы трассировки волноводных трактов наземных фазированных антенных решеток // Журнал «Нелинейный мир», 2013. №11.

4. Анамова P.P., Рипецкий A.B. Методика автоматизации пространственной трассировки волноводных трактов // Известия Тульского государственного университета, 2013. №11.

5. Анамова P.P., Рипецкий A.B., Зеленов C.B. Анализ методов трассировки применительно к задаче разводки волноводных трактов фазированных антенных решеток // Молодой ученый: ежемесячный научный журнал, 2013. №9 (56), с.62-72.

URL: http://www.moluch.ru/archive/56/

6. Анамова P.P. Автоматизация трассировки волноводов в комплексах авиационной радиолокации // Сб. докл. Московской молодежной научно-практической конференции «Инновации в авиации и космонавтике - 2013». Москва. 2013. С.201-202.

7. Анамова P.P. Разработка алгоритмического обеспечения автоматизированной трассировки волноводных трактов фазированных антенных решеток // Сб. докл. Международной научно-практической конференции «Наука и образование XXI века». Уфа. 2013. С.16-23.

8. Анамова P.P., Рипецкий A.B. Волноводные тракты: некоторые аспекты автоматизации проектирования // Сб. докл. 23-ей Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2013). Севастополь. 2013. Т.2. С. 626-628.

9. Anamova R.R. Antenna arrays: waveguide layout designing automation // IX International Conference on Antenna Theory and Techniques. Odessa. 2013. pp.258-260.

10. Анамова P.P., Рипецкий A.B. Обзор современных САПР антенных систем // Сб. докл. IX Молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь - перспективные технологии». Москва. 2011. С. 19-22.

11. Анамова P.P. Разработка автоматизированной системы трассировки волноводных трактов // Сб. докл. IV НТК молодых ученых и специалистов «Антенная техника и СВЧ-электроника». Москва. 2013. С.108-113.

ФГБОУ ВГКЭ «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» (МАИ)

На правах рукописи

/. стп!

I т-^йии

АНАМОВА РУШАНА РИШАТОВНА

АВТОМАТИЗАЦИЯ ТРАССИРОВКИ ВОЛНОВОДОВ ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК

Специальность: 05.13.12. -Системы автоматизации проектирования (авиационная и ракетно-космическая техника)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук РИПЕЦКИЙ АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

Москва - 2013 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

СОКРАЩЕНИЯ..........................................................................................................................................5

ИНДЕКСЫ..........................................................................................................................................................6

ОБОЗНАЧЕНИЯ........................................................................................................................................7

ГЛОССАРИЙ..................................................................................................................................................9

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................................10

■ Предпосылки для автоматизации трассировки волноводных

трактое фазированных антенны, решеток............................................................10

12

■ Обзор существующих решений.................................................

■ Актуальность предметной области........................................

■ Методологические и теоретические основы исследования......................15

■ Основные научные положения, выносимые на защиту................................17

■ Практическая ценность диссертационной работы......................................17

■ Внедрение результатов работы..............................................................................................18

■ Апробация результатов......................................................................................................................18

■ Структура и объем работы........................................................................................................^ £

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ОПТИМАЛЬНОЙ

ТРАССИРОВКИ ВОЛНОВОДНЫХ ТРАКТОВ........................................................22

1.1. Постановка задачи.......................... ........................................................................22

1. 2. Характеристика критериев и ограничений............. ....................................23

1.3. Математическая постановка задачи................. ..............................................30

1. 4. Место трассировки волноводных трактов на этапах

проектирования фазированных антенных решеток......................................31

1.5. Выявление особенностей геометрии волноводных трактов на

основе анализа конструкций трактов крупноапертурных ФАР....

1. 6. Выводы по главе 1..............................................................................................................................44

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ .... 45

2.1. Анализ существующих методов трассировки.......................... 45

2. 2. Анализ моделей рабочего поля, применяемых для решения задачи

48

трассировки объектов......................................................

2. 3. Построение математических моделей для решения задачи

50

трассировки волноводных трактов......................................

50

2. 3. 1 Разработка модели сегментного рабочего поля.................

54

2. 3. 2 Построение структурной математической модели..............

2. 3. 3 Оценка разработанной математической модели..................

2. 4. Разработка методического обеспечения автоматизированной

59

трассировки волноводных трактов.......................................

2. 4. 1 Адаптация тополого-геометрического метода к задаче

59

трассировки волноводных трактов.................................

2. 4. 2 Разработка методики обеспечения равнодлинности ветвей

61

тракта.....................................................................

69

2. 4. 3 Реализация многослойной трассировки...........................

71

2. 5. Выводы по главе 2.............................................................

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМИЧЕСКОГО

ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ................. 72

3.1. Анализ методов математического программирования и основные

принципы программной реализации..................................... 72

3. 2. Анализ существующих алгоритмов трассировки объектов........... 77

3. 3. Разработка алгоритма трассировки волноводных трактов............ 81

3. 4. Проектирование программного модуля трассировки волноводных

трактов Waveguide Design Solution....................................... 89

3.4. 1. Требования, предъявляемые к программному модулю........ 89

3. 4. 2. Интеграция программного модуля с системой

геометрического моделирования................................... 90

3.4.2.1. Сравнительный анализ современных САПР и выбор СГМ для интеграции..........................................................90

3.4.2.2. Основные принципы интеграции программного модуля с СГМ Solid Works............................................................ЮЗ

3. 4. 3. Архитектура программного модуля WDS......................................Ю4

3. 4. 4. Назначение, принцип работы и возможности модуля..................Ю6

3. 4. 5. Интерфейс пользователя..........................................................................................107

3. 4. 6. Исходные данные и настройки программы............................................i ¡q

3. 4. 7. Представление результатов....................................................................................Ш

3.5. Результаты тестирования программного модуля WDS..............................ц2

3.6. Верификация результатов исследования.................................

3. 7. Выводы по главе 3.............................................................

ГЛАВА 4. ПРЕИМУЩЕСТВА РАЗРАБОТАННОГО ПРОГРАММНОГО МОДУЛЯ WDS И ПРОЕКТНЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ................................................................. 119

4.1. Преимущества программного модуля WDS по сравнению с существующими решениями................................................ П9

4.2. Проектные рекомендации по применению разработанного программного модуля трассировки волноводных трактов............ 9

4.3. Выводы по главе 4.............................................................

ВЫВОДЫ..........................................................................................................................................................133

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................................................135

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................................................................137

ПРИЛОЖЕНИЕ..........................................................................................................................................148

Приложение 1. Материалы о внедрении............................... 148

Приложение 2. Дистрибутив и демонстрационная презентация

программного модуля WDS.....hif^:.. ..... 151

СОКРАЩЕНИЯ

2В - двумерный;

ЗВ - трехмерный;

АУ - антенное устройство;

АФАР - активная фазированная антенная решетка;

В УМ - высокий уровень мощности;

ДМРП - дискретное метрическое рабочее поле;

ДОМ - диаграммообразующая матрица;

ДРП - дискретное рабочее поле;

ДТРП - дискретное топологическое рабочее поле;

ЕСКД - единая система конструкторской документации;

ЖЦИ - жизненный цикл изделия;

злп - задача линейного программирования;

зцп - задача целочисленного программирования;

НИИ - научно-исследовательский институт;

НМРП - непрерывное метрическое рабочее поле;

НТРП - непрерывное топологическое рабочее поле;

НУМ - низкий уровень мощности;

ОКР - опытно-конструкторские работы;

ПК - персональный компьютер;

ПО - программное обеспечение;

РКД - рабочая конструкторская документация;

РЛС - радиолокационная станция;

САПР - система автоматизированного проектирования;

свч - сверхвысокочастотный;

сгм - система геометрического моделирования;

СРП - сегментное рабочее поле;

СУБД - система управления базами данных;

тп - технический проект;

ТТЗ - тактико-техническое задание;

ФАР - фазированная антенная решетка;

ЧПУ - числовое программное управление;

ЭП - эскизный проект;

ADO - ActiveX Data Objects (объекты данных ActiveX) - интерфейс

программирования приложений для доступа к данным;

ANSI - American National Standard Institute (американский национальный институт стандартов);

CAD - Computer Aided Design (система автоматизации проектно-

конструкторских работ);

CAE - Computer Aided Engineenering (система автоматизации

инженерных расчетов);

САМ - Computer Aided Manufacturing (система автоматизации

изготовления изделий);

ERP - Enterprise Resource Planning (планирование ресурсов

предприятия);

PDM - Product Data Management (система управления инженерными

данными и производственной информацией);

PLM - Product Lifecycle Management (система управления жизненным

циклом изделия);

WDS - Waveguide Design Solution (решение для проектирования

волноводов).

ИНДЕКСЫ

абс - абсолютный;

Ц - целочисленный;

Ъ - базовый; max - максимальный; min - минимальный.

ОБОЗНАЧЕНИЯ

а - габаритный размер: длина [мм];

Ъ - габаритный размер: ширина [мм];

с - габаритный размер: высота [мм];

с1 - расстояние [мм];

О - граф;

g - множество геометрических параметров;

/ - длина отрезка / ребра [мм];

Ь - длина трассы / суммарная длина [мм];

М - множество параметров несущих металлоконструкций;

Р - множество параметров, задающих краевые условия;

г - радиус концентрических окружностей радиальной сетки [мм];

Я - радиус изгиба волновода [мм];

5 - слой трассировки;

t - вариант трассировки;

Т - множество вариантов трассировки;

V - множество вершин графа;

V - вершина графа;

и - множество ребер (дуг) графа;

и - ребро графа;

Ж - множество параметров, задающих ограничения;

х - координата по оси X в прямоугольной декартовой системе координат;

у - координата по оси Г в прямоугольной декартовой системе координат;

г - координата по оси 2 в прямоугольной декартовой системе координат;

а - угол [°];

Р - угол лучей радиальной сетки [°];

М. - множество действительных чисел;

X - весовой коэффициент;

¥ - критерий;

<Р - частный критерий;

Ф - частный критерий в приведенной форме;

0 - ограничения;

О - область в виде множества точек на плоскости;

А - погрешность на равнодлинность [мм];

Д - погрешность на равнодлинность, задаваемая конструктором [мм].

ГЛОССАРИИ

Адаптивная радиальная сетка

Антенная решетка

Апертура

Волноводная ветвь (линия) тракта

Волноводный тракт

Излучатель Квазисегмент

Подрешетка ФАР

Сегмент

Трасса

Фазированная антенная решетка Flat file

- сетка с радиальным расположением узлов, частота которой в локальных областях может быть изменена в зависимости от граничных условий.

- в антенной технике: тип антенн в виде группы антенных излучателей.

- в антенной технике: излучающая или принимающая излучение поверхность антенны.

- в диссертации: сборочная единица тракта, состоящая из волноводных элементов и соединяющая выход делителя мощности с соответствующим входом излучателя.

- в антенной технике: линия передачи электромагнитной энергии на основе волноводов.

в антенной технике: излучающий элемент антенны.

- в диссертации: дискреты в виде прямоугольников либо параллелограммов, заменяющие исходные сегменты рабочего поля.

- в антенной технике: функционально и конструктивно завершенная часть ФАР, содержащая подмножество излучающих элементов.

- в диссертации: отрезок, соединяющий узлы адаптивной радиальной сетки.

- в диссертации: осевая линия волноводной ветви тракта.

- в антенной технике: антенная решетка с управлением относительными фазами сигналов.

- в компьютерной технике: двумерный неструктурированный файл.

ВВЕДЕНИЕ

Предпосылки для автоматизации трассировки волноводных трактов фазированных антенных решеток

Фазированные антенные решетки (ФАР) относятся к наиболее

эффективным и перспективным антенным системам, поскольку позволяют:

^ одновременно обнаруживать и сопровождать большое

количество воздушных целей (в том числе низколетящих и малоразмерных);

^ осуществлять быстрый обзор пространства;

^ адаптироваться к конкретной радиообстановке;

^ осуществлять предварительную обработку

сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов и т.д.

Перечисленные преимущества ФАР обусловили их широкое

применение в составе наземных систем связи для управления воздушным

движением, радиолокационных станций (РЛС) авиационных комплексов

радиолокационного дозора и наблюдения, радиолокационных комплексов

противоракетной и противовоздушной обороны.

Совершенствование антенной техники, повышение тактико-

технических требований по дальности действия, по точности и качеству

распознавания целей влечет за собой значительное увеличение мощности

излучаемого сигнала, повышение рабочей частоты станций и расширение

полосы излучаемого и принимаемого сигнала. Зачастую это приводит к

увеличению количества излучающих элементов ФАР и, как следствие,

усложнению конструкции.

Неотъемлемой частью ФАР являются линии передачи

электромагнитной энергии (тракты). Антенно-фидерный тракт несет

множество функций: осуществляет канализацию электромагнитной энергии,

обеспечивает правильный режим входных и выходных цепей передатчика и

приемника, выполняет предварительную частотную фильтрацию сигналов,

может содержать коммутирующие цепи и поворотные соединения, а также

устройства электрического управления режимом работы антенны по высокой

№

частоте, управления положением луча в пространстве и т.д. [58]. Тракты могут быть выполнены на основе волноводов, коаксиальных и оптических кабелей. В полу активных и пассивных ФАР, как правило, применяются тракты на основе волноводов, т.к. затухание в волноводе в области высоких частот значительно меньше, чем в оптическом кабеле. Кроме того, максимальная мощность, которую можно передать по оптическим кабелям меньше, чем максимальное значение мощности, передаваемой по волноводам. В активных ФАР (АФАР) передающее устройство соединяется с делителями мощности с помощью оптических кабелей, при этом в АФАР имеются активные элементы (усилители), увеличивающие мощность выходного сигнала.

Особую важность представляет задача проектирования трактов ФАР на основе волноводов (рис. 1.0), поскольку к конструкции таких трактов предъявляются жесткие радиотехнические требования (равнодлинность волноводных ветвей, соединяющих выходы делителя мощности с излучателями, минимальная длина тракта, минимальное количество изгибов волноводов), при реализации которых проектировщик сталкивается с массой

Рис. 1.0. Размещение волноводных трактов внутри конструкции апертуры: а) ФАР; б) подрешетка ФАР (вид со стороны монтажа трактов).

ограничений: конструкторских (ограниченное пространство для размещения), технологических (стандартные радиусы изгиба волноводов, унификация длин и конфигураций волноводов), эксплуатационных (удобство сборки и ремонта конструкции).

Определение конкретного исполнения тракта является сложной задачей и выполняется инженером высокой квалификации. Поиск оптимальной по заданным критериям конструкции волноводного тракта значительно увеличивает трудоемкость проектирования антенной системы, что создает предпосылки для автоматизации процесса конструирования тракта. Такая задача актуальна для крупноапертурных ФАР, у которых размер антенного полотна достигает нескольких сотен и даже тысяч длин волн.

Обзор существующих решений

Вопросы применения ЭВМ в процессе проектирования различных устройств СВЧ рассматривались, начиная с 1980-х гг. [2],[21],[24],[58], [76], [90]. Создание систем автоматизированного проектирования (САПР) было призвано обеспечить выполнение возрастающего объема проектно-конструкторских работ в приемлемые сроки, используя ограниченные людские и материальные ресурсы [58]. В 1990-х гг. на предприятии ОАО «Радиофизика» (г. Москва). З.А. Янукъян и Ю.Б. Иншаковой был разработан модуль «ТРАКТ» в среде графического пакета AutoCAD, который позволял получить плоскую трассировку волноводов с применением углов изгиба 90° и 45°, а также содержал библиотеку 20-изображений наиболее часто применяемых волноводных элементов. Графические аспекты трассировки реализованы в программном модуле с применением функций, предоставляемых AutoCAD, а сам алгоритм трассировки заложен в дополнительный программный модуль «Трасса» (Trassa), написанный на языке AutoLisp в среде AutoCAD. Программа «Трасса» позволяла производить расчет длины основного тракта, выдавала информацию о длинах сегмента и тракта в процессе редактирования, выполняла расчет

участков под основной волновод и постоянные элементы при операции разбивки тракта на участки. В основу программы заложена методика корректировки длин ветвей тракта, которая заключается в добавлении «петли» (своего рода «геометрического шаблона») в волноводные линии, подлежащие удлинению. Длина «петли» и ее конфигурация рассчитывались программой по формулам тригонометрии. При этом применены такие возможные варианты корректировки длины трасс, как: добавление в прямолинейную трассу «петли» с поворотом на 180°, удлинение прямых участков при изгибе на 45° и 90°. Модуль «ТРАКТ» не получил распространения из-за своей ограниченной функциональности: фиксированные углы изгиба трасс, однослойная 20-трассировка.

С развитием САПР для конструирования антенных систем стали применяться системы твердотельного моделирования: SolidWorks, ProEngineer, CATIA и др. Однако удобство трехмерного представления конструкции сопряжено с необходимостью построения ЗО-модели каждой детали. Подобная рутинная работа отнимает большое количество времени. При этом такие задачи, как расчет суммарной длины, а также длины каждой волноводной линии тракта, оптимизация конструкции, зачастую, по-прежнему должны решаться проектировщиком.

В последнее время наблюдается тенденция к универсализации представленных на рынке САПР программных продуктов: разработчики стремятся включить в состав своих программных пакетов как можно больше модулей, предназначенных для решения узкоспециализированных задач различных отраслей промышленност�