автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Моделирование и оптимизация проектирования сверхширокополосных антенн аппаратуры радиомониторинга

На правах рукописи

ООЗ164645

ПОПОВ Игорь Владимирович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ АНТЕНН АППАРАТУРЫ РАДИОМОН ИТОРИ Н ГА

Специальности 05 13 1805 13 12-

Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Системы автоматизации проектирования

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

* 8 фвв

Воронеж - 2008

003164645

Работа выполнена в ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Пастернак Юрий Геннадьевич

Научный консультант доктор технических наук

Ашихмин Александр Владимирович

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук,

профессор

Батаронов Игорь Леонидович,

кандидат технических наук Шерстюк Олег Игоревич

Ведущая организация ГОУВПО «Воронежский государственный университет»

Защита состоится 6 марта 2008 г в Ю00 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212 037 01 ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу 394026, г Воронеж, Московский просп , 14

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»

Автореферат разослан « февраля 2008

г

Ученый секретарь г» Л* диссертационного совета Питолин В М

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для укрепления обороноспособности и безопасности государства в условиях доступности приобретения самых современных средств связи и телекоммуникации требуется создание высокоэффективной сверхширокополосной аппаратуры радиомониторинга, характеристики которой в значительной мере определяются параметрами используемых антенн и антенных систем

В процедурах проектирования антенных элементов и систем широко используются как аналитические модели, так и модели, построенные на основе численных методов решения уравнений Максвелла Теория численных методов решения уравнений Максвелла в частотной области (метод конечных элементов, метод моментов и др ) и во временной области (конечно-разностный метод (К Yee), метод конечных интегралов (Т Weiland)) стремительно развивается, в настоящее время создан ряд программ электродинамического моделирования, в которых реализованы различные модификации вышеназванных методов Отдельной ветвью развития численного электродинамического моделирования является создание эвристических моделей и алгоритмов анализа антенных устройств, в качестве наиболее блестящего примера эвристического подхода к электродинамическому моделированию можно привести метод Яг- потоковых сеток, разработанный Б В Сестрорецким и реализованный в ряде мощных электродинамических симуляторов (TAMIC и др )

В настоящее время во всем мире широкое распространение получили следующие мощные электродинамические симуляторы (в скобках указаны названия фирм-производителей) HFSS (Ansoft), MGnd&IE3D (Zeland), FEKO (EMSS), Sonnet Suite (Sonnet), Microwave Office (AWR), FIDELITY (Zeland), XFDTD (Remcom), XGTD (Remcom), Microwave Studio (CST), TAMIC (Bera Стар), с помощью которых можно осуществлять анализ (а в ряде случаев - и синтез) достаточно сложных антенно-фидерных устройств и систем

Однако ни одно из вышеперечисленных программных средств не может в полной мере удовлетворить важнейшим требованиям, выдвигаемым при проектировании антенных систем аппаратуры радиомониторинга рациональному выбору их структуры, базовых элементов и основных параметров, возможности проведения анализа и синтеза сверхширокополосных антенных элементов и составленных из них решеток на основе широкого спектра моделей различного уровня строгости и автоматизации оптимального выбора вида моделей, используемых в процедурах параметрической оптимизации

Данные обстоятельства делают актуальным тему настоящей диссертации, выполненной в рамках научного направления ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» - «Разработка и исследование перспективных радиоэлектронных и лазерных устройств, систем передачи, приема, обработки и защиты информации»

Целью диссертационной работы является создание и исследование комплекса математических моделей сверхширокополосных антенных устройств

и антенных систем для аппаратуры радиомониторинга, а также оптимизация процедур их проектирования

Основные задачи исследования:

- анализ возможностей, исследование и уточнение области использования и выявление существующих недостатков методов вычислительной электродинамики, математического моделирования, а также существующих программных средств электродинамического моделирования в контексте их использования для моделирования и оптимизации параметров антенных систем и антенных устройств аппаратуры радиомониторинга,

- многоуровневое моделирование и оптимизация параметров ТЕМ- рупоров в сверхширокой полосе рабочих частот, создание ряда математических моделей и процедур оптимизации щелевых антенн бегущей волны, а также разработка комплекса математических моделей сверхширокополосных антенных устройств с квазитороидальной диаграммой направленности,

- разработка математических моделей антенных решеток комплексов радиомониторинга, состоящих из направленных и изотропных в азимутальной плоскости элементов,

- создание специализированного комплекса программ, предназначенных для моделирования и оптимизации параметров антенных устройств и систем аппаратуры радиомониторинга

Методы исследования. При выполнении работы использованы методы математического моделирования, численные методы, вычислительные методы технической электродинамики, метод генетического алгоритма, а также основные положения теории систем автоматизированного проектирования

Научная новизна работы состоит в следующем

- разработан комплекс математических моделей ТЕМ- рупоров с нерегулярным законом продольного распределения волнового сопротивления, отличающийся возможностью проведения параметрического синтеза на основе различных уровней представления о протекающих физических процессах и подходов к построению оптимизационной процедуры,

- разработаны и апробированы модели и процедуры оптимизации щелевых антенн бегущей волны, отличающиеся возможностью проведения параметрического синтеза на основе представления анализируемой электродинамической структуры в виде каскадного соединения диссипативных четырехполюсников, с целью оптимизации входных характеристик,

- создана методика автоматизированного проектирования кольцевых ра-диопеленгаторных антенных решеток, состоящих из сверхширокополосных направленных антенных элементов, не имеющих фазового центра (ТЕМ- рупоров, щелевых антенн бегущей волны типа Вивальди),

- создан комплекс математических моделей сверхширокополосных антенных элементов с квазитороидальной и квазикардиоидной диаграммами направленности и составленных из них антенных решеток, позволивший развить перспективные направления по созданию антенн, обладающих уменьшенными

значениями нижней критической частоты рабочего диапазона

Практическая значимость работы заключается в создании моделей и методик автоматизированного проектирования сверхширокополосных антенных устройств и систем, позволяющих существенно повысить чувствительность и точность аппаратуры радиомониторинга, а также уменьшить ее габаритные размеры и массу

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы использованы в научно-производственном предприятии ЗАО «ИРКОС» (г Москва) и ОАО «Концерн «Созвездие» (г Воронеж) Ряд результатов внедрен в учебные процессы ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», ВВТУ ФСО России (г Воронеж), Воронежского института МВД России

Основные положения, выносимые на защиту:

- многоуровневый комплекс математических моделей и процедур параметрического синтеза ТЕМ- рупоров, позволивших создать сверхширокополосные антенные элементы с существенно уменьшенными значениями нижней граничной частоты функционирования,

- математические модели и процедуры оптимизации входных характеристик щелевых антенн бегущей волны, с помощью которых синтезированы излучатели, превосходящие по эффективности антенну Вивальди эквивалентных геометрических размеров,

- методика автоматизированного проектирования кольцевых антенных решеток, состоящих из направленных сверхширокополосных излучателей, не имеющих фазового центра, позволившая разработать высокоэффективные антенные системы аппаратуры радиомониторинга,

- комплекс математических моделей сверхширокополосных антенных устройств с квазитороидальной и квазикардиоидной диаграммами направленности и составленных из них антенных решеток, позволивший создать ряд конструкций высокоэффективных печатных антенн для стационарной и носимой аппаратуры радиомониторинга

Апробация работы Основные положения диссертации докладывались на Международной НТК «Кибернетика и высокие технологии ХХ1-го века» (Воронеж, 2005), а также на проводимых ежегодно научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ВГТУ (Воронеж, 2004-2007)

Публикации Основные результаты диссертации опубликованы в 14 научных работах, в том числе 12 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат [1,2,4,13] - процедура оптимизации входных характеристик щелевых антенн бегущей волны на основе модели антенны в виде многокаскадного соединения диссипативных четырехполюсников, [3,9] - математические модели сверхширокополосных антенных элементов и составленных из них антенных решеток, [5,8,10,14] - математические модели ТЕМ- рупоров,

[6] — модель полоскового трансформатора, [7, 11] - методика автоматизированного проектирования кольцевых антенных решеток, [12] - анализ возможностей программных средств электродинамического моделирования

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 103 наименования, и шести приложений Работа содержит 139 страниц, 105 рисунков и 5 таблиц

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, изложена научная новизна и практическая значимость диссертационной работы

В первой главе проведен анализ возможностей и перспективных направлений использования методов математического моделирования и параметрической оптимизации в контексте их использования для моделирования и оптимизации параметров антенных систем и антенных устройств аппаратуры радиомониторинга Проанализированы перспективные пути автоматизации проектирования антенных решеток, используемых в комплексах радиоконтроля стационарного и мобильного базирования, а также в портативной аппаратуре радиомониторинга

Выяснено, что для эффективного проектирования сверхширокополосных антенных систем и устройств современной аппаратуры радиомониторинга необходимо создание комплекса математических моделей и специализированных программных средств их проектирования и оптимизации

Показано, что формирование физико-математических моделей различного уровня описания электродинамических процессов в анализируемых и проектируемых антенных системах и устройствах аппаратуры радиоконтроля (от строгого решения уравнений Максвелла с граничными условиями с помощью различных численных методов до создания эвристических моделей, основанных на построении простых эквивалентных схем исследуемых объектов) является наиболее перспективным путем совершенствования характеристик антенн комплексов радиомониторинга

Вторая глава посвящена разработке математических моделей и процедур параметрического синтеза различных модификаций ТЕМ- рупоров, щелевых антенн бегущей волны (ЩАБВ) и согласующего полоскового трансформатора сверхширокополосной СВЧ антенны

Проведенные исследования показали, что рациональный выбор продольной зависимости волнового сопротивления нерегулярного ТЕМ- рупора позволяет почти вдвое уменьшить значение нижней частоты его рабочего диапазона по сравнению с пирамидальным ТЕМ- рупором тех же габаритных размеров при сохранении качества согласования антенны с фидерной линией

Для реализации какого-либо априорно заданного закона изменения погонных параметров ТЕМ- рупора, определяющих вид функции местных отражений (например, соответствующей экспоненциальному или Чебышевскому законам продольного распределения волнового сопротивления), необходимо

учитывать нерегулярный характер эквивалентной антенному устройству линии передачи и ее конечную длину (имеющие место торцевые эффекты). На рис. 1 показана геометрия ТЕМ- рупора, соответствующая экспоненциальному закону продольного распределения волнового сопротивления.

Рис. 1. Геометрия ТЕМ- рупора.

В данном примере длина антенны составляла 126 мм, зазор между полосками в сечении возбуждения - 2 мм, в раскрыве рупора — 74 мм. Волновое сопротивление изменялось вдоль оси рупора по экспоненциальному закону: от 50 Ом в сечении возбуждения до 377 Ом в месте его максимального раскрыва.

Квазистатическая модель антенны основана на переходе от трехмерного уравнения Лапласа (1) , записанного для распределения скалярного потенциала электрического поля ф в объеме пространства, характеризующимся отсутствием сторонних электрических зарядов, к конечно-разностной его форме (2).

^=92?+аг?+э2? = 0 (1) дх ду1 дг2 4

Интервалы дискретизации пространства, в области которого расположена антенна, выбирались следующим образом: А,=2 мм, Д„ = 7 мм, Дг = 2 мм. Значения потенциала на полосках принимались постоянными и равными ^±0.5 В (соответственно для верхней и нижней пластин). Параметр релаксации К определялся вычислительным экспериментом. Рупор занимал подпространство размером 36х 18х37 узлов" (соответственно, по осям координат (х,у,г)), поле же определялось в области, включающей 66х25х67 узлов". Указанные размеры области моделирования и шаг сетки по соответствующим осям координат были выбраны в результате проведения серии численных экспериментов, позволивших оценить скорость убывания поля во всех направлениях.

Зависимости величин электрического потенциала от числа итераций для пяти выбранных точек Ф(х.у.:) приведены в таблице. Выяснено, что наименьшая скорость сходимости итерационного процесса соответствует точкам, лежащим на значительном удалении от пластин рупора (в частности, вблизи его оси). Продольное распределение волнового сопротивления определялось как

2 Д у) = Щс„-СШг(у)) (3)

где с„ =310* м/с - фазовая скорость волн в свободном пространстве.

Число итераций ф(0,140,20), В точка 1 Ф(30,140,18), В точка 2 ф(0,140,0), В точка 3 ф(8,140,-1 б)- В точка 4 Ф(б,140,-4б), В точка 5

10 0.000006158 0.0000000896 -0.00000178 -0.0003718 -0.001049

100 0.04662 0.01352 -0.005515 -0.04192 -0.06537

1000 0.1357 0.08864 -0.008525 -0.1206 -0.2372

2000 0.1504 0.106 -0.008596 -0.1331 -0.2714

3000 0.1535 0.1096 -0.008448 -0.1335 -0.2781

4000 0.1542 0.1105 -0.008352 -0.1359 -0.2795

5000 0.1543 0.1107 -0.008305 -0.136 -0.2797

6000 0.1544 0.1107 -0.008284 -0.136 -0.2798

7000 0.1544 0.1108 -0.008275 -0.136 -0.2798

8000 0.1544 0.1108 -0.008271 -0.136 -0.2798

Зависимость погонной емкости от значения продольной координаты у:

{у,) = е„ ■ Д, ■ Дг ■ {х„У1,гк)|2 + (х„у„г4)|2 + (.г,,^ )|2) (4)

где £0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума. Заданная экспоненциальная (сплошная линия) и расчетная в квазистатическом приближении (пунктирная линия) продольные зависимости волнового сопротивления ТЕМ- рупора показаны на рис. 2. Профили полосков экспоненциального ТЕМ- рупора, определенные в соответствии с известным выражением для волнового сопротивления регулярной полосковой линии с воздушным заполнением (сплошная линия) и с помощью изложенной выше квазистатической модели (пунктирная линия), показаны на рис. 3.

О 20 40 во 80 100 120 мм

Рис. 2. Зависимости волнового сопротивления ТЕМ- рупора.

Рис. 3. Профили экспоненциального ТЕМ- рупора.

Для вычисления основных характеристик нерегулярного ТЕМ- рупора была построена модель в режиме его возбуждения полосковой линией с волновым сопротивлением Е,/Нх =50 Ом.

Векторный потенциал поля рассматриваемой полосковой линии:

Мр) = 7!-Р(ЧУО(Р'Ч)<^„ (5)

4тг /

где - площадь поперечного сечения возбуждающей полосковой линии;

/(д) = //гДд)хп(д) = 20 Я, - вектор плотности эквивалентного электрического тока, протекающего по поверхности ,

С(р,д) - функция Грина точечного источника в свободном пространстве Магнитная компонента возбуждающего поля (падающей волны)

Н"(р) = тСА{р))1ца (6)

Распределение плотности тока J"^ по внешним и внутренним поверхностям ТЕМ- рупора (рис 1) 5' удовлетворяет следующему векторному интегральному уравнению Фредгольмовского типа 2-го рода

Г4 \ г = 2

п г \,Н"\ г

+ — п | г 2ж

*1

У г' .впв/, О г,г'

(7)

где п\ г - вектор внешней нормали к поверхности 5 в точке наблюдения

Векторное интегральное уравнение решалось методом коллокаций, с кусочно-постоянными базисными функциями и дельта- функцией Дирака в качестве пробной функции Напряжение стороннего источника в сечении возбуждения определялось как и0 = Ег гтш Ток в сечении возбуждения ТЕМ- рупора

/0= "{ (8)

-Нт,„12

Вычисленные частотные зависимости коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) и коэффициента усиления исходного (сплошные кривые) и оптимизированного (пунктирные кривые) ТЕМ- рупора показаны на рис 4, 5

0 1 2 3 4 5 6 7 1, ГГц

Рис 4 Частотные зависимости КСВН

0 1 2 3 4 5 6 7 ^ ГГц

Рис 5 Частотные зависимости КУ

Видно, что использование квазистатической модели позволяет существенно улучшить качество согласования ТЕМ- рупора и повысить значения коэффициента усиления на низких и средних частотах (до 2 дБ и более)

В работе также предпринята попытка оптимизации геометрии нерегулярного ТЕМ- рупора с помощью использования генетического алгоритма Процедура параметрического синтеза антенного устройства сводилась к минимизации

целевой функции (я) = £|р(/,.я)| <р„, где В = [В,,В1, ,В,, - вектор

варьируемых в пределах [в'""';В'""' ] значений ширины полосков рупора в точках

г, = ■• ^ • (/- 1), 1 = 1,...,Л? ; / - множество частот, принадлежащих рабочему диа-

Л' -1

пазону д/ = т = I.....М ; <р,„ = <р(/„,) - положительные весовые множите-

ли, пропорциональные значимости величины модуля коэффициента отражения на рассматриваемой частоте р(/„,. в), <рт е[0; 1].

Сложность представления на уровне физической модели происходящих в ТЕМ- рупоре электродинамических процессов делает наиболее рациональным использование равномерно распределенных случайных величин ширины полосков в рамках выбранных пределов их изменения [я™'п; В™" ] для каждой точки г, при формировании хромосом В, из которых генерировались популяции размера К (количество особей в каждой популяции не превышало 300). Численный эксперимент показал, что нецелесообразным является выбор количества поколений Р больше чем 40-50. Выбранное количество N = 20 генов В в каждой хромосоме В определялось на основании предварительно полученных расчетных и экспериментальных частотных зависимостей модуля коэффициента отражения от частоты при различных профилях полосков ТЕМ- рупора.

Топология полоска синтезированного антенного устройства и соответствующая частотная зависимость КСВН показаны на рис. 6, 7 пунктиром (сплошные линии соответствуют первому приближению - экспоненциальному ТЕМ-рупору).

Рис. 6. Профили ТЕМ- рупора. Рис. 7. Частотные зависимости КСВН.

Оптимизированный профиль характеризуется более равномерным законом поведения и меньшим разбросом значений активной и реактивной компонент входного сопротивления антенного устройства в анализируемой полосе частот, значительно уменьшилась добротность антенного устройства, что привело к расширению полосы его рабочих частот.

Для оптимизации входных характеристик щелевых антенн бегущей волны в сверхширокой полосе частот оказалась весьма эффективной методика, основанная на построении модели анализируемой антенны в виде последовательного соединения четырехполюсников (рис. 8).

Рис. 8. Модель в виде последовательного соединения четырехполюсников. Коэффициент отражения ЭМВ от структуры (рис. 8) определялся как

к = 1,..., N -1, - коэффициент преломления слоя к .

где п, = -

и=

120 ■ 7г

(9)

г;

Для нахождения глубокого минимума целевой функции /•"„,„, соответствующей критерию минимизации средневзвешенного модуля коэффициента отражения, использовался стандартный генетический алгоритм, с параметрами вариации И' (генами), которой являлись значения ширины щели в ряде точек, расположенных вдоль оси ЩАБВ.

Оптимизированный профиль ЩАБВ показан на рис. 9. Частотные зависимости КСВН, построенные с помощью электродинамических моделей, основанных на численном решении векторного интегрального уравнения для поверхностной плотности тока, показаны на рис. 10, сплошной линией для «классической» антенны Вивальди (щель у которой расширяется по экспоненциальной зависимости); пунктирной линией - для синтезированной ЩАБВ.

4 ксвн з

А

^ЩЩа

Рис. 9. Профиль ЩАБВ

0 1 2 3 4 5 6 7 ГГц

Рис. 10. Частотные зависимости КСВН.

Использование предложенной методики позволяет существенно улучшить согласование ЩАБВ в полосе частот с коэффициентом перекрытия до 20.

Использование генетического алгоритма в процедуре параметрического синтеза согласующего полоскового трансформатора (рис. 11) сверхширокополосной СВЧ антенны позволяет существенно улучшить ее входные характеристики по сравнению со случаем использования экспоненциального полоскового трансформатора эквивалентной длины.

На рис. 12 показаны частотные зависимости КСВН моделей исследуемых согласующих трансформаторов: 1 - экспоненциальный полосковый трансфор-

.матор с нагрузкой 50 Ом; 2 - экспоненциальный полосковый трансформатор, нагруженный на сверхширокополосную СВЧ- антенну; 3 - трансформатор, синтезированный с помощью генетического алгоритма для работы со сверхширокополосной СВЧ- антенной.

Рис. 11. Топология экспоненциального трансформатора (вверху) и трансформатора, синтезированного с помощью генетического алгоритма (внизу).

В главе 3 разработана методика автоматизированного проектирования кольцевых радиопеленгаторных антенных решеток, состоящих из сверхширокополосных направленных антенных элементов, не имеющих фазового центра (ТЕМ- рупоров, щелевых антенн бегущей волны типа Вивальди, рис. 13).

а) б)

Рис. 13. Антенные решетки, состоящие из 7 несимметричных ТЕМ- рупоров: а) - секторные ТЕМ- рупоры; б) - синтезированные ТЕМ- рупоры.

Для упрощения параметрического синтеза уединенного ТЕМ- рупора со средним входным сопротивлением около 50 Ом была использована его модель, основанная на учете лишь основной, чисто поперечной волноводной моды ТЕМ, существующей в ступенчатой несимметричной полосковой линии с последовательной И.С нагрузкой на ее конце (месте максимального раскрыва рупора). Адекватность и область применимости данной модели уточнялись путем сравнения полученных численных результатов с данными строгого электродинамического анализа, основанного на решении системы векторных интегральных уравнений Фока (2-го рода) с помощью метода моментов, рис. 14.

,1

Приближение ступенчатой линии с нагрузкой

Расчет по /методу Л моментов

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

°1 2 3 4 5 6 71, ГГц

Рис. 14. Оценка адекватности и области применимости модели.

В работе методом численного моделирования была показана возможность использования 7 - элементной кольцевой антенной решетки из несимметричных ТЕМ- рупоров (антенн без фазового центра) в фазовых радиопеленгаторах. На рис. 15 для различных азимутальных углов падения вертикально-поляризованной волны показаны фазы двух соседних ТЕМ- рупоров. В полосе частот с коэффициентом перекрытия от 4 до 6 фазы являются различимыми.

200-г^-о-— ___

Л 100

2 3 4 5

а) секторные ТЕМ-

6 7 Г, ГГц

рупоры

ГГц

б) синтезированные ТЕМ- рупоры ' Рис. 15. Сдвиг фаз ЛФ между соседними ТЕМ- рупорами.

Использование метода конечных интегралов для разработки модели антенной решетки полноазимутального сверхширокополосного радиопеленгатора позволило осуществить проектирование кольцевых радиопеленгаторных антенных решеток, состоящих из направленных элементов без фазового центра (ТЕМ- рупоров и антенн Вивальди), способных принимать электромагнитные волны произвольной поляризации, рис. 16. Диаметр антенной решетки - 300 мм; высота - 100 мм.

чнЬмг '

а) совмещенные оси б) разнесенные оси

Рис. 16. Модели антенных решеток из ТЕМ- рупоров и антенн Вивальди.

Качество фазовых пеленгационных характеристик на горизонтальной и вертикальной поляризациях иллюстрируется рис. 17. Видно, что в рассматриваемых полосах частот фазы являются различимыми; сильный пространственный резонанс в подрешетке из ТЕМ- рупоров на частоте 1 ГГц (рис. 16, б) несколько уменьшает разброс фаз при изменении угла падения от 0 до 20°, хотя

фазы в окрестности данной частоты все же остаются различимыми.

ЛФ,°

ОТ 5 6 7 f, ГГц

а) горизонтальная поляризация

1 2 3 4 5 6 7 f. ГГц

б) вертикальная поляризация

Рис. I 7. Сдвиги фаз между соседними антеннами.

В рамках диссертации разработана модели и методики проектирования сверхширокополосных антенных устройств и антенных решеток для аппаратуры радиоконтроля, на основе плоского биконического вибратора (расположенного в свободном пространстве и над листом идеально проводящего металла).

Одним из антенных устройств (А12, внедрено в НПП ЗАО «ИРКОС» (г. Москва)), моделирование и оптимизация параметров которого проведены в работе, является гибридный вибратор, состоящий из комбинации плоского и объемного биконических вибраторов, а также согласующего и симметрирующего полоскового трансформатора, рис. 18. Антенное устройство А12 обладает квазитороидальной диаграммой направленности в рабочей полосе частот до 3 ГГц, расчетные входные характеристики его модели представлены на рис. 19.

а) со стороны плоских вибраторов б) со стороны трансформатора

Рис. 18. Внешний вид антенны А12

0,5 1 1,5 2 2,5 3 Рис. 19. Частотные зависимости активной (сплошная линия) и реактивной (пунктирная линия) составляющей входного сопротивления антенны А12.

' В диссертации путем проведения численного эксперимента спроектирован ряд плоских антенных решеток из четырех элементов, в которых элементы расположены линейно и по квадрату. В рабочей полосе частот подобные антенны характеризуются коэффициентом усиления от 7.5 до 10 дБ. Один из вариантов антенной решетки, выполненной в печатном исполнении на основе четырех биконических вибраторов, показан на рис. 20.

ксвн

3| \

1 2 3 4 I ГГц

а) б)

Рис. 20. Антенная решетка из четырех плоских биконических вибраторов с металлическим экраном (габаритные размеры устройства — I Ю/98/23 мм').

В четвертой главе работы описывается комплекс процедур и специализированных программ (рис.21), предназначенных для моделирования и оптимизации сверхширокополосных антенных устройств и антенных систем аппаратуры радиомониторинга, позволяющий проводить:

- создание в формате АС15 структур сверхширокополосных антенн (ТЕМ-рупор, ЩАБВ) в соответствии с профилем, синтезированным на основе квазистатических моделей антенн;

- создание в формате АС18 структур кольцевых АР из сверхширокополосных антенн;

- анализ математических моделей сверхширокополосных антенн и антенных решеток с помощью электродинамического симулятора, реализующего метод конечных интегралов в пространственно-временной области;

- оптимизацию параметров сверхширокополосных антенн минимизации модуля коэффициента отражения в рабочей полосе частот с использованием стандартного генетического алгоритма или процедуры локальной оптимизации;

- исследование направленных свойств и входных характеристик антенных систем аппаратуры радиомониторинга;

- анализ пеленгационных характеристик математических моделей антенных решеток при использовании фазового и амплитудно-фазового методов оценки угловых координат источников радиоизлучения.

13

Шаблон Шаблон Шаблон Шаблон

проекта ГЕМ-рупора проекта ЩАБВ проекта кольцевой АР проекта плоских антенн

4У- ^

Макрос Макрос Макрос Макрос структуры плоской антенны

структуры ТЕМ-рупора структуры ЩАБВ С1руктуры кольцевой АР

Шаблон результатов направленных антенн

ЦФ оптимизации направленных антенн

Анализ структуры

Уточнение сетки в критических областях

Моделирование методом конечных интегралов

АЕ.

АК

Шаблон результатов моделирования кольцевых АР

-К V

Внешняя процедура генетической оптимизации

Шаблон резутьтатов моделирования плоских антенн

/1—К

Моделирование дтинных линий

Рис 21 Структурная схема комплекса специализированных программ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Проведен сравнительный анализ методов численного моделирования антенн и СВЧ устройств, а также пакетов программ численного электродинамического моделирования, результаты которого позволили установить, что для эффективного проектирования широкополосных и сверхширокополосных антенных систем и устройств современной аппаратуры радиоконтроля необходимо создание программных средств, объединяющих функции синтеза и анализа разрабатываемых антенн

2 Созданы и исследованы модели и алгоритмы параметрического синтеза модулированных ТЕМ- рупоров, позволившие существенно улучшить их вход-

"ные характеристики в низкочастотной области и оценить их предельно достижимые параметры по согласованию с фидерной линией

3 Разработаны и апробированы модели и процедуры оптимизации щелевых антенн бегущей волны, с помощью которых создан ряд конструкций сверхширокополосных печатных излучателей, более пригодных для применения в аппаратуре радиоконтроля, чем широко известные антенны Вивальди

4 Разработана методика автоматизированного проектирования кольцевых антенных решеток, состоящих из сверхширокополосных элементов, не имеющих фазового центра (ТЕМ- рупоров и антенн Вивальди), позволившая создать ряд конструкций антенных систем, использование которых в аппаратуре радиопеленгации и радиомониторинга позволяет существенно повысить ее энергетический потенциал и точностные характеристики

5 Комплекс математических моделей сверхширокополосных антенных устройств с квазитороидальной и квазикардиоидной диаграммами направленности и составленных из них антенных решеток, позволивший создать ряд конструкций высокоэффективных печатных антенн для стационарной и носимой аппаратуры радиомониторинга

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1 Ашихмин А В , Попов И В Оптимизация входных характеристик щелевой антенны бегущей волны с помощью генетического алгоритма // Системы управления и информационные технологии научно-технический журнал 2005 №2(19) С 31-38

2 Модель сверхширокополосной щелевой антенны и оптимизация ее геометрии с помощью генетического алгоритма / В Б Авдеев, А В Ашихмин, ЮГ Пастернак, ИВ Попов и др //Антенны -2005 -Вып 4(95) С 11-17

3 Сверхширокополосные антенные решетки на основе печатных бикони-ческих вибраторов с металлическим экраном / В Б Авдеев, А В Ашихмин, А В Бердышев, ИВ Попов и др //Антенны -2005 - Вып 7-8(98-99) С 13-20

4 Ашихмин А В , Попов И В Построение целевой функции эволюционной процедуры оптимизации геометрии щелевой антенны бегущей волны на базе теории последовательного соединения СВЧ четырехполюсников с потерями // Вестник Воронежского государственного технического университета 2005 Т 1 №8 С 10-14

5 Оптимизация профиля полосков сверхширокополосного ТЕМ- рупора с помощью генетического алгоритма / А В Ашихмин, И В Попов, А С Самодуров и др // Вестник Воронежского государственного технического университета 2005 Т 1 № 11 С 108-114

6 Использование генетического алгоритма в процедуре параметрического синтеза согласующего полоскового трансформатора сверхширокополосной СВЧ-антенны / А В Ашихмин, И В Попов, Ю А Рембовский и др // Системы управления и информационные технологии научно-технический журнал 2007 № 2 2(28) С 215-223

7 Синтез и анализ кольцевых радиопеленгаторных антенных решеток, состоящих из несимметричных ТЕМ-рупоров / Ю А Рембовский, А В Аших-мин, Ю Г Пастернак, И В Попов и др // Системы управления и информационные технологии научно-технический журнал 2007 № 2 2(28) С 285-290

8 Ашихмин А В , Попов И В Процедура оптимизации входных характеристик ТЕМ-рупора, построенная на использовании его квазистатической и строгой электродинамической моделей // Вестник Воронежского государственного технического университета 2007 Т 3 № 4 С 24-28

9 Ашихмин А В , Попов И В Моделирование антенных решеток, составленных из печатных биконических элементов // Вестник Воронежского государственного технического университета 2007 Т 3 № 4 С 94-97

10 Ашихмин А В , Попов И В Результаты оптимизации входных характеристик ТЕМ рупора построенной на использовании его квазистатической и строгой электродинамической моделей // Вестник Воронежского государственного технического университета 2007 Т 3 №4 С 185-189

11 Синтез и анализ антенной системы полноазимутального комплекса пеленгования источников радиоизлучения СВЧ-диапазона с произвольной поляризацией / А В Ашихмин, Ю Г Пастернак, И В Попов и др // Системы управления и информационные технологии научно-технический журнал 2007 №3 1(29) С 112-117

12 Обзор принципов построения, возможностей и эффективности программных средств численного электродинамического моделирования / А В Ашихмин, Ю Г Пастернак, И В Попов и др //Антенны 2007 №3(118) С 6473

Статьи и материалы конференций

13 Авдеев В Б , Ашихмин А В , Попов И В Методика снижения уровня коэффициента отражения на входе щелевой антенны бегущей волны с помощью генетического алгоритма // С&Т сб докл конф Воронеж, 2005 С 477- • 490

14 Ашихмин А В , Попов И В , Самодуров А С Применение генетического алгоритма для улучшения согласования ТЕМ- рупора с нагрузкой // С&Т сб докл конф Воронеж, 2005 С 491-502

Подписано в печать 31012008

Формат 60x84/16 Бумага для множительных аппаратов Уел печ л 1,0 Тираж 90 экз Заказ № 30

ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп , 14

Введение.

1. Анализ возможностей и перспективных направлений использования методов математического моделирования и параметрической оптимизации для совершенствования сверхширокополосных антенн аппаратуры радиомониторинга.

1.1. Обзор принципов построения, возможностей и эффективности программных средств численного электродинамического моделирования.

1.2. Анализ перспективных путей автоматизации проектирования антенных решеток, используемых в комплексах аппаратуры радиомониторинга.

1.3. Выводы по первой главе.

2. Разработка математических моделей и процедур параметрического синтеза нерегулярных ТЕМ- рупоров и щелевых антенн бегущей волны.

2.1. Предпосылки к созданию математических моделей и процедур оптимального параметрического синтеза ТЕМ- рупоров с нерегулярным продольным распределением волнового сопротивления.

2.2. Оптимизация характеристик нерегулярного ТЕМ- рупора на основе его моделирования в электростатическом приближении и использования аппарата векторных интегральных уравнений второго рода.

2.3. Создание процедуры параметрического синтеза ТЕМ- рупора с улучшенными входными характеристиками на основе генетического алгоритма.

2.4. Анализ зависимости характеристик щелевых антенн бегущей волны от формы профиля щели.

2.5. Автоматизация проектирования щелевых антенн бегущей волны на основе сочетания их моделирования в квазистатическом приближении и строгого электродинамического анализа.

2.6. Оптимизация входных характеристик сверхширокополосной щелевой антенны бегущей волны на основе использования генетического алгоритма.

2.7. Использование генетического алгоритма в процедуре параметрического синтеза согласующего полоскового трансформатора сверхширокополосной СВЧ-антенны.

2.8. Выводы по второй главе.

3. Моделирование антенных решеток комплексов радиопеленгации и сверхширокополосных антенных устройств и антенных решеток для аппаратуры радиоконтроля.

3.1. Методика автоматизированного проектирования кольцевых антенных решеток из несимметричных ТЕМ- рупоров (антенн без фазового центра) в фазовых радиопеленгаторах.

3.2. Проектирование кольцевых (полноазимутальных) радиопеленгаторных антенных решеток, состоящих из направленных элементов без фазового центра (ТЕМ- рупоров и антенн Вивальди), способных принимать электромагнитные волны произвольной поляризации.

3.3. Математическое моделирование и экспериментальные исследования широкополосных и сверхширокополосных антенн аппаратуры радиомониторинга.

3.4. Выводы по третьей главе.

4. Описание комплекса специализированных программ, предназначенных для моделирования и оптимизации параметров антенных устройств и антенных систем аппаратуры радиомониторинга

Актуальность работы. Для укрепления обороноспособности и безопасности государства в условиях доступности приобретения самых современных средств связи и телекоммуникации требуется создание высокоэффективной сверхширокополосной аппаратуры радиомониторинга, характеристики которой'в значительной мере определяются параметрами используемых антенн и антенных систем.

В процедурах проектирования антенных элементов и систем широко используются как аналитические модели, так и модели, построенные на основе численных методов решения уравнений Максвелла. Теория численных методов решения уравнений Максвелла в частотной области (метод конечных элементов, метод моментов и др.) и во временной области (конечно-разностный метод (K.Yee), метод конечных интегралов (Т.Weiland)) стреми. тельно развивается; в настоящее время создан ряд программ электродинамического моделирования, в которых реализованы различные модификации вышеназванных методов. Отдельной ветвью развития численного электродинамического моделирования является создание эвристических моделей и алгоритмов анализа антенных устройств; в качестве наиболее блестящего примера эвристического подхода к электродинамическому моделированию можно привести метод - потоковых сеток, разработанный Б.В. Сестрорецким и реализованный в ряде мощных электродинамических симуляторов (TAMIC и др.).

В настоящее время во всем мире широкое распространение получили следующие мощные электродинамические симуляторы (в скобках указаны названия фирм-производителей): HFSS (Ansoft), MGrid&IE3D (Zeland), FEKO (EMSS), Sonnet Suite (Sonnet), Microwave Office (AWR), FIDELITY (Zeland), XFDTD (Remcom), XGTD (Remcom), Microwave Studio (CST), TAMIC (Вега Стар), с помощью которых можно осуществлять анализ (а в ряде случаев - и синтез) достаточно сложных антенно-фидерных устройств и систем.

Однако ни одно из вышеперечисленных программных средств не может в полной мере удовлетворить важнейшим требованиям, выдвигаемым при проектировании антенных систем аппаратуры радиомониторинга: рациональному выбору их структуры, базовых элементов и основных параметров; возможности проведения анализа и синтеза сверхширокополосных антенных элементов и составленных из них решеток на основе широкого спектра моделей различного уровня строгости и автоматизации оптимального выбора вида моделей, используемых в процедурах параметрической оптимизации.,

Данные обстоятельства делают актуальным тему настоящей диссертации, выполненной в рамках научного направления ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» — «Разработка и исследова-; ние перспективных радиоэлектронных и лазерных устройств, систем передачи, приема^ обработки и защита информации». . . •.

Целью диссертационной работы является; создание и исследование комплекса математических моделей; сверхширокополосных антенных устройств и антенных систем для аппаратуры радиомониторинга, а также оптимизация процедур их.проектирования. Основные задачи исследования:

• - анализа возможностей, исследование и уточнениё; области использо-' вания и выявление существующих недостатков методов вычислительной электродинамики, математического моделирования, а также ■ существующих программных средств электродинамического моделирования в контексте их использования для моделирования и- оптимизации параметров- антенных систем и антенных устройств аппаратуры радиомониторинга;

- многоуровневое моделирование и оптимизация-параметров ТЕМ-рупоров в» сверхширокой полосе рабочих частот, создание ряда математических моделей и процедур оптимизации щелевых антенн бегущей волны, а также разработка комплекса математических моделей сверхншрокрнолосных антенных устройств с квазитороидальной диаграммой направленности;

-■ разработка математических моделей антенных решеток комплексов радиомониторинга, состоящих из направленных и изотропных в азимутальной плоскости элементов; - создание специализированного комплекса программ, предназначенных для моделирования и оптимизации параметров антенных устройств и систем аппаратуры радиомониторинга.

Методы исследования^ При выполнений работы использованы методы математического моделирования, численные методы,' вычислительные методы технической электродинамики, метод генетического алгоритма^, а также основные положения теории систем автоматизированного проектирования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработан комплекс математических моделей ТЕМ- рупоров с нерегулярным законом' продольного распределения волнового сопротивления, отличающийся возможностью проведения параметрического синтеза на основе различных уровней представления о протекающих физических процессах и подходов к построению оптимизационной процедуры;

- разработаны и апробированы модели и процедуры оптимизации щелевых антенн бегущей волны, отличающиеся возможностью проведения параметрического синтеза на основе представления анализируемой электродинамической структуры в виде каскадного соединения диссипативных четырехполюсников, с целью оптимизации входных характеристик;

- создана методика автоматизированного проектирования кольцевых радиопеленгаторных антенных решеток, состоящих из сверхширокополосных направленных антенных элементов, не имеющих фазового центра (ТЕМ-рупоров, щелевых антенн бегущей волны типа Вивальди);

- создан комплекс математических моделей сверхширокополосных антенных элементов с квазитороидальной и квазикардиоидной диаграммами направленности и составленных из них антенных решеток, позволивший развить перспективные направления по созданию антенн, обладающих уменьшенными значениями нижней критической частоты рабочего диапазона.

Практическая значимость работы заключается в создании моделей и методик автоматизированного проектирования сверхширокополосных антенных устройств и систем, позволяющих существенно повысить чувствительность и точность аппаратуры радиомониторинга, а также уменьшить ее габаритные размеры и массу.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы использованы в научно-производственном предприятии ЗАО «ИРКОС» (г. Москва) и ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж). Ряд результатов внедрен в учебные процессы: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»; ВВТУ ФСО России (г. Воронеж); Воронежского института МВД России.

Основные положения, выносимые на защиту:

- многоуровневый комплекс математических моделей и процедур параметрического синтеза ТЕМ- рупоров, позволивших создать сверхширокополосные антенные элементы с существенно уменьшенными значениями нижней граничной частоты функционирования;

- математические модели и процедуры оптимизации входных характеристик щелевых антенн бегущей волны, с помощью которых синтезированы излучатели, превосходящие по эффективности антенну Вивальди эквивалентных геометрических размеров;

- методика автоматизированного проектирования кольцевых антенных решеток, состоящих из направленных сверхширокополосных излучателей, не имеющих фазового центра, позволившая разработать высокоэффективные антенные системы аппаратуры радиомониторинга;

- комплекс математических моделей сверхширокополосных антенных устройств с квазитороидальной и квазикардиоидной диаграммами направленности и составленных из них антенных решеток, позволивший создать ряд конструкций высокоэффективных печатных антенн для стационарной и носимой аппаратуры радиомониторинга.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Международной НТК «Кибернетика и высокие технологии ХХ1-го века» (Воронеж, 2005), а также на проводимых ежегодно научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов ВГТУ (Воронеж, 2004-2007).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы и содержатся в 14 научных работах, в том числе 12 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в списке цитируемых источников, лично соискателю принадлежит: [1,2] - анализ возможностей программных средств электродинамического моделирования; [52,53,56,57] - математические модели ТЕМ- рупоров; [65,68,69,70,71,72] - процедура оптимизации входных характеристик щелевых антенн бегущей волны на основе модели антенны в виде многокаскадного соединения диссипативных четырехполюсников; [74] - модель полосково-го трансформатора; [87,91,92] - методика автоматизированного проектирования кольцевых антенных решеток; [95,96,97] - математические модели сверхширокополосных антенных элементов и составленных из них антенных решеток.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 103 наименования, и шести приложений. Работа содержит 139 страниц, 105 рисунков и 5 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации разработаны и исследованы математические модели и процедуры параметрической оптимизации антенных устройств и систем аппаратуры радиопеленгации и радиомониторинга, на базе которых созданы программные средства для моделирования и автоматизированного проектирования сверхширокополосных антенн для перспективных комплексов радиопеленгации и радиомониторинга стационарного и мобильного базирования.