автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Моделирование сверхширокополосных антенн с учетом влияния корпуса носителя и подстилающей поверхности

На правах рукописи

САМОДУРОВ Александр Сергеевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ АНТЕНН С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ КОРПУСА НОСИТЕЛЯ И ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ

Специальности: 05.13.11 - Математическое и программное обеспечение

вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей 05.13 12-Системы автоматизации проектирования

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2008

003453743

Работа выполнена в ГОУВПО «Воронежский государственный" технический университет»

Научный руководитель Научный консультант

доктор технических наук, профессор Пастернак Юрий Геннадьевич

доктор технических наук Ашихмин Александр Владимирович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Семенов Михаил Евгеньевич;

кандидат технических наук Иванов Александр Владимирович

Ведущая организация

ОАО «Концерн «Созвездие»», г. Воронеж

Защита состоится «11» декабря 2008 г. в 10 00 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 « 10 » ноября 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Питолин В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время наиболее часто используются следующие виды математических моделей антенно-фидерных устройств: строгие (аналитические) модели (большой вклад в развитие которых внесли школы академика В П. Шестопалова, проф. Д.И. Воскресенского, проф. А С. Ильинского и др.); модели, основанные на численном решении уравнений Максвелла, сформулированных в интегральной, дифференциальной либо ин-тегро-дифференциальной форме (проф. В.А. Фок, проф. Е Н. Васильев, проф. Д.М Сазонов, проф. В.В. Никольский, проф. R. Mittra, проф. К. Yee, проф. Т. Weiland), с учетом заданных граничных условий; эвристические модели, основанные на упрощенных физических представлениях (проф. Б.В. Сестро-рецкий), эквивалентных схемах проектируемых устройств, а также использовании эвристических подходов к анализу протекающих физических процессов (нейронные сети) и синтезу их структуры и параметров (генетические алгоритмы).

Строгие математические (аналитические) модели (в частности, основанные на использовании методов теории функций комплексного переменного - метода Римана-Гильберта-Привапова, метода вычетов (а также модифицированного метода вычетов), метода интеграла Коши; методов функционального анализа - метода Крамера решения бесконечных систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), метода полуобращения оператора решаемой задачи, метода факторизации Винера-Хопфа-Фока), характеризуются существенными ограничениями по геометрии и электродинамическим свойствам моделируемых антенных устройств и систем.

Математические модели, основанные на численном решении уравнений Максвелла с граничными условиями, являются наиболее универсальным средством проектирования и исследования антенно-фидерных устройств с различной геометрией и материальными свойствами, функционирующих в произвольных диапазонах частот. Подобные модели сочетают в себе наиболее универсальный, «лобовой», способ решения уравнений Максвелла и систему подходов, направленных на ускорение процесса численного моделирования не только одиночных антенных устройств, но и антенных решеток, характеризующихся сложной топологией и значительным числом элементов

Наиболее часто употребляемыми эвристическими методами анализа антенно-фидерных устройств являются метод наведенных электродвижущих (или магнитодвижущих) сил, а также методы интегрального уравнения Хал-лена и интегро-дифференциального уравнения Поклингтона, используемые для моделирования и синтеза антенных устройств и систем, выполненных в виде тонкопроволочныч конструкций.

Эффективным методом параметрического синтеза антенно-фидерных устройств является эвристический метод генетических алгоритмов, однако для своей реализации, особенно при использовании строгих численных моделей анализа, он требует весьма значительных затрат машинного времени, причем не всегда удается предсказать момент окончания оптимизации.

Столь широкий спектр подходов, использующихся для построения математических моделей антенно-фидерных устройств, создает существенные трудности при попытке объединения всех существующих методов и средств анализа и синтеза антенно-фидерных устройств в рамках одного интегрированного программного продукта.

Одной из актуальных задач процесса анализа и синтеза антенных устройств и систем, при решении которой, в рамках настоящей диссертации, оказалось возможным рационально сочетать использование строгих аналитических и численных моделей, а также моделей, построенных с использованием эвристических предпосылок и полуэмпирических подходов, является создание методики анализа и синтеза сверхширокополосных антенн мобильного базирования, а также антенн коротковолнового (КВ) диапазона, при функционировании которых необходимо строгим образом учитывать влияние земной поверхности (в КВ диапазоне земля не может быть представлена ни идеальным металлом, ни идеальным диэлектриком, а только полупроводником (с комплексной диэлектрической проницаемостью)).

Работа выполнена в соответствии с межвузовской научно-технической программой «Информационные технологии в образовании и науке» в рамках основных научных направлений ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» «Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы» и «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства, системы передачи, приема, обработки и защиты информации».

Целью диссертационной работы является создание многоуровневой системы математических моделей сверхширокополосных антенн, размещенных вблизи земной поверхности или корпуса мобильного носителя, позволяющих анализировать и учитывать влияние рассеянных электромагнитных волн на точностные и энергетические характеристики программно-аппаратных комплексов радиоконтроля. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

- анализ состояния и перспектив развития программных средств математического моделирования электродинамических объектов, размещенных около металлических рассеивателей сложной геометрии и границы раздела сред воздуха и полупроводника;

- разработка и исследование комплекса математических моделей, используемых для анализа и синтеза сверхширокополосных антенн, расположенных над подстилающей поверхностью с конечной проводимостью;

- создание и исследование комплекса математических моделей сверхширокополосных антенн мобильного и бортового базирования;

- создание алгоритмов структурного и параметрического синтеза сверхширокополосных антенн, расположенных вблизи земной поверхности или корпуса носителя;

- разработка структуры и состава комплекса программ, предназначенного для анализа и синтеза сверхширокополосных антенн мобильного и бортового базирования.

Методы исследования. В ходе выполнения работы использовались основные положения теории математического моделирования; методы вычислительной электродинамики; стандартные методики измерения характеристик антенно-фидерных устройств СВЧ диапазона

Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной- комплекс математических моделей сверхширокополосных антенных устройств и систем, расположенных вблизи подстилающей поверхности, отличающийся возможностью программной реализации процедуры параметрического синтеза устройств на основе различных уровней представления о протекающих физических процессах в анализируемых объектах;

- комплекс моделей сверхширокополосных антенн мобильного и бортового базирования, на основе которых разработаны процедуры их анализа и синтеза, отличающиеся рациональным выбором степени строгости описания моделируемых объектов (от численного решения краевых задач, сформулированных с использованием векторных интегральных уравнений, до использования эвристических подходов к описанию анализируемых явлений - метода наведенных электродвижущих сил);

- алгоритмы автоматизированного анализа, параметрического и структурного синтеза сверхширокополосных антенн, отличающиеся возможностями учета и оптимизации влияния корпуса мобильного носителя на точность и разрешающую способность комплексов радиопеленгации мобильного базирования;

- структура и состав специального программного обеспечения анализа и синтеза сверхширокополосных антенных устройств и систем, отличающегося минимизацией затраченного машинного времени путем комплексного применения современных пакетов электродинамического моделирования и созданных специализированных программных средств.

Практическая значимость работы. Разработанные и исследованные математические модели и алгоритмы являются основой для практической реализации комплекса программных средств, предназначенного для синтеза и анализа сверхширокополосных антенн с учетом влияния корпуса мобильного носителя и подстилающей поверхности. Его использование позволило разработать ряд высокоэффективных сверхширокополосных антенн, предназначенных для применения в программно-аппаратных комплексах радиоконтроля.

Реализация н внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы использованы в ОСП ЗАО «ИРКОС» (г. Воронеж), НКТБ «Феррит» (г Воронеж), а также внедрены в учебный процессы ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» и ВВТУ ФСО России (г Воронеж).

Основные положения, выносимые на защиту:

- математические модели сверхширокополосных антенн коротковолнового диапазона, построенные с учетом зависимостей диэлектрической проницаемости и проводимости земли от степени ее влажности, позволившие создать на их основе комплекс радиопеленгаторных антенных решеток, состоящих из направленных элементов;

- комплекс математических моделей сверхширокополосных антенных устройств и систем, расположенных на корпусе мобильного или бортового носителя, позволивших значительно повысить эффективность (до 5 раз) процессов автоматизированного анализа и синтеза сверхширокополосных антенн аппаратуры радиоконтроля;

- алгоритмы автоматизированного анализа и синтеза радиопеленгаторных антенн мобильного базирования, реализованные в программном обеспечении, интегрированном с пакетом численного электродинамического моделирования CST Microwave Studio, использование которых позволило существенно уменьшить систематическую погрешность (с 8 5 до 2 градусов) пеленгования источников радиоизлучения в сверхширокой полосе частот;

- структура и состав специализированного программного обеспечения, предназначенного для моделирования и проектирования сверхширокополосных антенных устройств и систем аппаратуры радиопеленгования и радиомониторинга с учетом влияния реальной подстилающей поверхности и корпуса мобильного (или бортового) носителя.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XI- и XII- Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 2005, 2006), «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (Воронеж, 2005), «Инноватика 2007» (Сочи, 2007), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов, научных семинарах ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» (Воронеж, 2005-2008).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 14 научных работах, в том числе 9 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1-4, 10-12] - проведение моделирования, сравнительный анализ полученных входных характеристик; [5] - исследование модели антенного устройства, построенной на основе использования генетического алгоритма; [6-9] - разработка модели сверхширокополосной антенны; [13-14] - проведение моделирования, оптимизация, исследование входных характеристик, выбор наилучших геометрических параметров исследуемой модели.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы, включающего 151 наименование. Основная часть работы изложена на 161 странице, содержит 72 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе диссертации проведен критический анализ перспективных путей математического моделирования сверхширокополосных антенн аппаратуры радиоконтроля мобильного и стационарного базирования. Проведен обзор и выполнен критический анализ современного состояния программных средств моделирования трехмерных электродинамических объектов с омическими и тепловыми потерями. Проведен сравнительный анализ методов, применяемых в программных средствах анализа и синтеза сверхширокополосных антенн аппаратуры радиоконтроля мобильного и стационарного базирования.

В настоящее время разработкой пакетов программ для моделирования и проектирования антенно-фидерных устройств занято множество производителей Наиболее известными являются HP-EEsoft, Compact Software (Ansoft Inc.), Applied Wave Research, Computer Simulation Technology, Zeland, Poynting Software. При этом прослеживается тенденция к созданию электродинамических пакетов, объединяющих в себе электродинамическую часть, систему проектирования электрических схем, печатных плат и вывод конструкторской документации. К таким системам можно отнести пакеты CST Studio Suite 2006, Microwave Office 2001 фирмы Applied Wave Research. Зачастую электродинамические модели распределенных антенно-фидерных устройств можно включать в электрические схемы в качестве сосредоточенных элементов Это позволяет разбивать сложную электродинамическую задачу на несколько этапов, а также - объединять элементы с известными параметрами, рассчитанными на основе строгих формул, с элементами, описываемыми численными моделями, в одной схеме.

В связи с широкими возможностями использования мощной вычислительной техники и цифровой аппаратуры приема-обработки сигналов для анализа результатов натурных измерений электромагнитных полей источников радиоизлучения в сверхширокой полосе частот весьма привлекательным является использование в коротковолновых радиопеленгаторных комплексах направленных антенн, позволяющих существенно повысить их чувствительность (а следовательно, и расширить зону действия, снизить вероятность ошибок), а также осуществлять селекцию объемных и поверхностных волн.

Большинство электродинамических пакетов математического моделирования использует универсальные математические методы для анализа объектов (такие как метод конечных элементов, метод конечных интегралов) Вследствие универсальности этих методов время, затрачиваемое на анализ характеристик электродинамических объектов с большим электрическим объемом (каждый габаритный размер которых больше длины волны), может быть неоправданно велико (несколько недель и даже месяцев). В диссертационной работе предпринята попытка существенного сокращения времени

анализа и синтеза сверхширокополосных антенн, расположенных вблизи реально проводящей подстилающей поверхности или корпуса мобильного носителя, путем рационализации использования аналитических, численных и эвристических моделей, являющихся основой разработанного математического обеспечения (рис. 1).

Рис. 1. Структура разработанного комплекса математических моделей сверхширокополосных антенн, размещенных вблизи корпуса мобильного (или бортового) носителя, а также вблизи земной поверхности

Во второй главе описаны математические модели, разработанные для проведения анализа и синтеза сверхширокополосных антенн, расположенных вблизи криволинейной границы раздела материальных сред На рис 2 приведен пример возможного упрощения модели корпуса носителя (самолета), использование которой позволяет существенно повысить эффективность

\

проектирования радиопеленгаторной антенной решетки, расположенной под днищем летательного аппарата. Использование столь упрощенной модели корпуса носителя антенной системы, с одной стороны, позволяет достаточно адекватно оценить степень дифракционных искажений вычисляемого пеленга, с другой - существенно уменьшить число вычислительных процедур, циклически выполняемых в процессе параметрического синтеза антенной системы.

Отправной точкой при анализе процесса дифракции электромагнитного импульса на корпусе носителя, проводимом в пространственно-временной области, является интегральное уравнение Фока, записанное относительно неизвестной

векторной плотности тока J{p) на идеально проводящем теле с поверхностью

Рис. 2. Первоначальная (а) и упрощенная (б) модели носителя

}(р) + 2 J

>Ы

j{q),grad(G(p,q))

do., = 2

п[р),И{р)

ре:

(1)

R, Ом

где п(р) - вектор внешней нормали в точке наблюдения р; G(p,q) - скалярная

функция Грина свободного пространства; Н(р) - вектор напряженности магнитного поля падающей волны. После ряда преобразований имеем нестационарное интегро-дифференциальное уравнение, пригодное для решения в пространственно-временной области итерационным методом На рис 3 приведен график зависимости сходимости вычисленного значения сопротивления нагрузки 1кОм, на которую нагружены вибраторы, от числа точек их разбиения Видно, что при числе точек разбиения порядка 10 тыс. ошибка в расчете сопротивления нагрузки через электромагнитное поле при облучении структуры электромагнитной волной составляет менее 5 % на верхних частотах.

Приведенная упрощенная модель корпуса носителя (рис 2, б) является справедливой только для случая падения на объект рассеяния вер-тинитных волн и для приближенной

оценки пеленгационных характеристик вибраторной антенной решетки; при окончании цикла параметрического синтеза характеристики антенной системы анализируются с использованием более строгой модели носителя (рис. 2,

10000

7452

1 4864 3332 *

F. МГц Рис. 3. Сходимость модели

а); при невыполнении требований технического задания в процедуре пара-

"СТ'.УДЧСОКС^О С^ПТСАЛ ЙСИШГЬ!^СТСЙ У йОЦсиь, на. рис. - а.

Частотные зависимости значений пеленгов источников радиоизлучения. вычисленных с учетом влияния рассеянного корпусом самолета поля для азимутального угла падения волны <р1и,п = 20", приведены на рис. 4.

В работе рассмотрены также «сплошная» к «сеточная» модели ТЕМ- рупора (рис, 5). Применение рядом фирм антенн, предназначенных для функционирования в коротковолновом диапазоне, построенных с использованием идеологии проектирования антенных устройств СВЧ

У

к» rod Г. ГГц

Рис. 4. Частотные зависимости значений пеленгов

диапазона (с соответствующими изменениями их размеров), яает возможность предположить, что конструкции антенн, традиционно используемые в СВЧ диапазоне, можно применить в виде сеточных конструкций С соответствующим увеличением размеров в коротковолновом диапазоне, (рис. 5).

При представлении рупора в виде сетчатой структуры использовалась система интегро-днфференцнальиы* уравнений Поклингтока:

яг

а о

Рис. 5. Варианты представления пирамидального ТЕМ- рупора в модели: а) в виде двух сплошных металлических пластин: б) с помощью тонкопроволочной металлической сетки

ct ( SA.

д.4,

' ду ,

sm^t;-;)) (2)

где Atl, Ayi п

- компоненты векторного потенциала поля: !■) - функция, описывающая внешнее воздействие (падающую волну или сосредоточенный источник); С* и С," - комплексные константы, определяемые из граничных условий тока на концах проводников; Интегральное уравнение характеризуется наличием логарифмической особенности ядра. Для выделения особенности ядро представляется в следующем виде:

/Г„('Л')= — 1п( * -й, + + От*«, У ] - Ь|г,'-/| + (3)

¡г ■ а, I V / J

Данная система уравнений, решение которой должно удовлетворять условию на бесконечности {3оммерфельда), была дополнена системой уравнений Кирхгофа и системой уравнений, описывающей условия непрерывности скалярного потенциала в точках соединения проводников. Для алгебраи-зации результирующей системы уравнений использовался метод коллокацпн:

[сетка разбиения была выбрана неравномерной: более частом вблизи точек зэ-питки антенны и краевых точек. Результаты численного моделирования «сплошной» » «сеточной» конструкций 'ГЕМ-рупоров КВ диапазона приведены на рис. 6

Я. ОМ 11""1

Рис. 6. Частотные зависимости входного сопротивления ТЕМ-рупора: активной час^ги; реактивной части. Сплошные линий - цельнометаллические полоски; пунктирные линии - сетчатые полоски

При учете влияния подстилающей поверхности на характеристики антенн использовались модель Зоммерфельда-Нортопа и модель отраженны N изображении. В первой используются численная оценка интегралов Зоммер-фельда - при малом расстоянии взаимодействия и асимптотические приближения Нортона • для больших расстояний между подстилающей поверхностью и проводниками. Интегралы Зйм мер фельда, включающие в себя функцию Бесселя нулгвого порядка. /:

к;)\+к;)\

У, + У;

' д

— , /! = С, Д, ехрОЩ Я ^Т дрдх ' ^

= СД схрЦкЯ || + \ I" = -С, К. ехрЦкН. (- —

Ш......) ' \Р?Р ' \

где ); = к') . )■_. Л, + Я +

(4) (51 (6)

Коэффициенты преломления Френеля для вертикально и горизонтально поляризованной волны, а также преломленное поле:

^н-Ф- 7.1 ьт1 в

& =■

со-ьО + Я^виг в

Й-нД- /»Н6

Н'„ И'.

(7)

(8)

где еозЯ

'^С, " (ОС,

На основе вышеупомянутых моделей в диссертации был разработан алгоритм автоматизированного выбора модели анализа влияния подстилающей

поверхности на характеристики пространственно-распределенного антенного устройства коротковолнового диапазона (рис- 7).

Ввод исходны* данных гсомезрия антенной ред!еткн, диапазон ра&очих часто!1, расположение относительно земли (О), параметры полсткл&юшей поверхности (£,<г), требуемая точность решення ( Д ).

Аппроксимация изображения для земли с конечной проно-ДНМОС1ЫО, б котором отражен■ нос поле модифицируется коэффициентами Френеля для преломленной плоской волны

Численная оценка интегралов Зоммерфсльда для полей с учетои земли. [[пи малом оасстоянии взаимодействия

Асимктотнчсскис приближении Нортона для полей с учетом земли, при больших расстояния* взаимодействия

/ 0ь[ь5д квааи оптимально и модели и: ;:л взаимодействия антенны иди атенной решетки \

с подстилающей поверкиоС1Ъ!о с учетам требуемой точное!!! решения и других параметров '

Рис. 7, Алгоритм автоматизированного выбора модели анализа влияния подстилающей поверхности

Исследование направленных свойств и входных характеристик ТЕМ-рупора и щелевой антенны бегущей волны (ЩАБВ) сеточной структуры в коротковолновом диапазоне (рис, 8) с использованием описанных выше моделей подтверждает возможность применения СВЧ конструкций антенн в коротковолновом диапазоне длин волн, увеличенных в соответствии с принципом электродинамического подобия и выполненных в виде тонко проволочной сетки.

а б

Рис. 8. ТЕМ- рупор (а) и ЩАБВ (б) сеточной конструкции вблизи земли

В третьей главе разработан алгоритм выбора возможности упрощения модели носителя и алгоритм параметрического синтеза пеленгаторной решетки с учетом корпуса самолета носителя (рис. 9). Предложены алгоритм оптимизации диэлектрического обтекателя ЩАБВ, функционирующей в диапазоне 1-18 ГГц, и алгоритм оптимизации линейной ралиопеленгаторной решетки.

Анализ поверхности, прилегающей к корпусу летательного аппарата, на которой могут быть расположены фазовые центры вибраторов пслснгаторной антенной решетки, для выяснения усредненной по ряду дискретных углов и частот падающей электромагнитной волны степени искажения фазовой структуры ее поля корпусом носителя

где (х, V',r) • пространство поиска минимумов функции искажений f^^ ucknw . /7 = 1,2, ,¡V - индексы элементов дискретного множества значений частот рабочего диапазона f , к = !,2, ,К • индексы элементов дискретного множества значений азимутальных углов падения электромагнитной волны (рк,

HIIi(x,}\z,ftl,(pk) - комплексная амалитуда z- компоненты вектора напряженности электрического поля падающей под углом ^ электромагнитной вотны с частотой fn в точке с координатами {x,y,z)> вычисляемая в предположении отсутствия корпуса носителя,

£(пао+расс) п/н ш комплексная амплитуда z - компоненты вектора напряженности электрического поля являющегося результатом суперпозиции падающей под углом (рк электромагнитной волны с частотой fn в точке с координатами и рассеянной корпусом мобильного носителя электромагнитной

волны в той же самой точке

Выбор глубоких «долин» 5*2» ' Я,, в анализируемой области определения функции искажений у з искам , удовлетворяющих условию

возможности размещения антенной системы с точки зрения обеспечения необходимых технических и эксплуатационных характеристик летательного аппарата, а также имеющихся технологических возможностей

База данных по распределению фаз суммарного / поля на (х, I для углов падения^ (рк и частот

Построение частотно-у гловых зависимостей пофешностей пеленгования для выбранных глубоких «долин» • Бр в которых может размещаться пеленгаторная антенная система Выбор области

, в которой наиболее просто можно реализовать программную коррекцию пеленга по упрощенному представлению геометрии летательного аппарата

Подготовка базы данных угло-частотных зависимостей фаз напряжений на нагрузках вибраторов пе /сн-гаторной антенной решетки ,(РцГц\ ] = 1,2, , Nвш:Г11„1(1рон </'> для выбранной области размещения ее элементов 5

I

Сравнение данных натурных измерений зависимостей ф^/%(РцГц\ ] ~ 1,2, т и> с дан-

ными численного моделирования Проведение верификации базы данных

I

Итоговая база данных

^Окончание ^

Рис. 9 Алгоритм оптимального размещения элементов радиопеленгаторной антенной решетки вибраторного типа с учетом корпуса

носителя

Без поглотителя

.¿ту

С поглотителем

1 -I < (• 7 8

Г, ГГц Рис. 10 Частотные зависи-

На рис 10 приведены вычисленные частотные зависимости пеленгов, измеренных с помощью линейной подрешетки из 9 элементов Вивальди (из них 5 - коммутируемые), размещенной в металлическом коробе. Видно, что максимальная ошибка пеленгования уменьшается с 8.5° до 2° в полосе частот почти с трехкратным перекрытием.

мости пеленгов

В четвертой главе представлена схема процесса численного моделирования и проектирования сверхширокополосных антенн мобильного базирования (рис. 11)

Рис 11 Схема процесса численного моделирования и проектирования сверхширокополосных антенн мобильного базирования (начало)

Рис 11. Схема процесса численного моделирования и проектирования сверхширокополосных антенн мобильного базирования (окончание)

В работе приведено описание разработанного комплекса программ (рис. 12), описаны его возможности и особенности Комплекс позволяет рассчитывать параметры антенн и антенных устройств, состоящих как из тонкопроволочных структур, так и из сплошных металлодиэлектрических Также присутствует возможность учета влияния корпуса носителя и подстилающей поверхности.

Приведены результаты анализа и синтеза, проведенного с помощью созданного процесса анализа и синтеза, ряда перспективных сверхширокополосных антенн коротковолнового и ультракоротковолнового диапазонов.

ВХОГТИМР рЯПЯМСТпЫ

Рис 12 Структура разработанного программного комплекса, предназначенного для анализа и синтеза сверхширокополосных антенн

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В рамках выполнения диссертационной работы создан комплекс математических моделей сверхширокополосных антенн, размещенных вблизи границы раздела сред и металлического рассеивателя сложной геометрии и резонансных размеров, разработано семейство алгоритмов их анализа и синтеза, разработан программный комплекс, предназначенный для анализа и синтеза сверхширокополосных антенн, расположенных вблизи корпуса мобильного (бортового) носителя и земной поверхности. Решены следующие задачи-

1 Проведен анализ состояния и перспектив развития программных средств математического моделирования электродинамических объектов, методов структурного и параметрического синтеза антенн, методов анализа и численного моделирования.

2 Разработан комплекс математических моделей сверхширокополосных антенн коротковолнового диапазона, расположенных вблизи подстилающей поверхности, отличающийся возможностью реализации процедуры их параметрического синтеза на основе различных уровней представления о протекающих физических процессах в анализируемых объектах.

3. Созданы математические модели сверхширокополосных антенных устройств и систем мобильного и бортового базирования, позволившие су-

¡щественно сократить количество вычислительных операций (на несколько > порядков).

4. Разработаны алгоритмы анализа, параметрического и структурного синтеза сверхширокополосных антенн с учетом влияния корпуса мобильного носителя и подстилающей поверхности, отличающиеся возможностью интегрирования с системой электродинамического моделирования CST Microwave Studio, использование которых позволяет существенно повысить точность оценки угловых координат (с 8.5 до 2 градусов) источников радиоизлучения без снижения пропускной способности аппаратно-программных комплексов радиопеленгации.

5. Предложена структура и состав комплекса программных средств сверхширокополосных антенных устройств и систем, расположенных вблизи мобильного носителя или реальной земной поверхности, отличающегося оптимизированным подходом к использованию вычислительных мощностей (снижение требований на порядок) современных пакетов электродинамического моделирования и созданных специализированных программных средств

6. Разработан программный комплекс анализа и синтеза сверхширокополосных антенных устройств и систем, внедренный в учебный процесс ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», ВВТУ ФСО России (г Воронеж) и использованный при проектировании сверхширокополосных антенн в ОСП ЗАО «ИРКОС» (г. Воронеж), НКТБ «Феррит» (г. Воронеж)

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1 Ашихмин A.B., Пастернак Ю. Г., Самодуров А. С. Моделирование щелевой антенны бегущей волны, образованной тонкопроволочными проводниками, в KB диапазоне на основе аппарата интегральных уравнений // Вестник Воронеж, гос. техн. ун-та Сер. Радиоэлектроника и системы связи. -2004. - Вып. 4.4 - С. 71-78.

2. Ашихмин A.B., Пастернак Ю. Г , Самодуров А. С Моделирование пирамидального ТЕМ-рупора, образованного из тонкопроволочных проводников, в KB диапазоне с учетом реально проводящей подстилающей поверхности // Вестник Воронеж гос. техн. ун-та. Сер Радиоэлектроника и системы связи. - 2004. - Вып 4.4. - С. 53-59.

3. Оптимизация конструкции диэлектрического обтекателя антенны Вивальди по критерию максимизации ее коэффициента усиления в сверхширокой полосе частот / A.B. Ашихмин, Ю.Г. Пастернак, A.C. Самодуров, О.Н. Чопоров // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2005. - Т. 1. № 8. - С 91-97.

4. Ашихмин A.B., Самодуров A.C. Оптимизация конструкции диэлектрического обтекателя с целью повышения эффективности сверхширокополосной антенны Вивальди // Антенны. - 2005. - № 10(101). - С. 61-64.

5. Ашихмин A.B., Разинкин К.А., Самодуров A.C. Обоснование возможности использования упрощенной элекфодинамической модели самолета в виде совокупности конуса и цилиндра // Вестник Воронежского государственного технического университета.-2005.-Т. 1.№ 11.-С. 34-39.

6. Оптимизация конструкции металлического кожуха линейной пелен-гаторной антенной решетки, составленной из антенн Вивальди / A.B. Ашихмин, В.М. Некрылов, A.C. Самодуров и др. // Вестник Воронежского государственного технического университета - 2005. - Т. 1. № 11.— С. 91-94.

7. Оптимизация профиля полосков сверхширокополосного ТЕМ-рупора с помощью генетического алгоритма / A.B. Ашихмин, И.В. Попов, A.C. Самодуров и др. // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2005. - Т. 1 № П.-С. 108-114.

8. Ашихмин А В., Разинкин К.А , Самодуров A.C. Сравнительный анализ «сеточной» и «сплошной» моделей пирамидального ТЕМ-рупора // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2005 - Т. 1. № 11- С. 146-151.

9. Ашихмин A.B., Разинкин К.А., Самодуров A.C.Численный анализ пеленгаиионных характеристик кольцевой вибраторной антенной решетки, установленной на борту самолета // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2005. - Т. 1.№ 11 -С. 154-159.

Статьи и материалы конференций

10. Ашихмин A.B., Пастернак ЮГ., Самодуров A.C. Моделирование антенной решетки, состоящей из наклонных вибраторов, с учетом влияния неидеально проводящей земли // Проектирование радиоэлектронных устройств и систем: межвуз. сб. науч. тр. Воронеж: ВГТУ, 2004. С. 38-49.

11. Ашихмин A.B., Пастернак Ю.Г., Самодуров A.C. Особенности функционирования пирамидального ТЕМ- рупора сеточного конструктивного исполнения в диапазоне коротких волн // Радиолокация, навигация, связь: XI Междунар. науч.-техн. конф Воронеж: Изд-во ВГУ, 2005. Т. 3. С. 19461957

12. Ашихмин А.В , Попов И.В., Самодуров А.С.Применение генетического алгоритма для улучшения согласования ТЕМ- рупоров с нагрузкой // Кибернетика и высокие технологии XXI века: сб докл Междунар. науч -техн. конф. - Воронеж, 2005. - С. 491-502.

13. Ашихмин А В., Пастернак Ю.Г., Самодуров А С. Исследование конического ТЕМ- рупора с диэлектрической линзой в сверхширокой полосе частот // Радиолокация, навигация, связь: XII Междунар. науч.-техн. конф. Воронеж- Изд-во ВГУ, 2006. Т. 3. С 1241-1245.

14 Модель конического ТЕМ- рупора с диэлектрической линзой / М.Ю Чепелев, Ю Н Перов, A.B. Негробов, A.C. Самодуров // Инноватика 2007 материалы Междунар. науч -техн конф М • Энергоатомиздат, 2007. Т.З.Ч.2. С.190-193.

Ж

Подписано в печать 07.11.2008. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 90 экз. Заказ №

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

Введение

1. Анализ перспективных путей математического моделирования сверхширокопрлосных антенн аппаратуры радиоконтроля мобильного и стационарного базирования

1.1 Анализ современного состояния программных средств моделирования трехмерных электродинамических объектов с омическими и тепловыми потерями

1.2. Анализ методов, применяемых в программных средствах анализа и синтеза сверхширокополосных антенн аппаратуры радиоконтроля мобильного и стационарного базирования

1.3. Цель и задачи диссертационной работы

2. Разработка и исследование математических моделей, используемых для анализа и синтеза сверхширокополосных антенн, расположенных вблизи криволинейной границы раздела материальных сред

2.1. Разработка и исследование математической модели дифракции электромагнитного импульса на фигуре вращения, основанной на алгебраизации интегрального уравнения Фока для пространственно-временной области

2.2. Разработка и исследование моделей пирамидального ТЕМ- рупора со сплошными металлическими полосками и антенного устройства в виде сеточной тонкопроволочной конструкции

2.3. Алгоритм выбора модели анализа влияния подстилающей поверхности на характеристики пространственно-распределенного антенного устройства коротковолнового диапазона

2.4. Численное моделирование ТЕМ-рупора и щелевой антенны бегущей волны, изготовленных в виде тонкопроволочных сеточных конструкций и функционирующих в коротковолновом диапазоне

2.5. Выводы по второй главе

3. Разработка алгоритмов структурного и параметрического синтеза сверхширокополосных антенн, расположенных вблизи земной поверхности или корпуса носителя

3.1. Параметрический синтез и исследование радиопеленгаторной антенной решетки вибраторного типа, установленной под фюзеляжем самолета

3.2. Оптимизация геометрии нерегулярного ТЕМ- рупора по критерию минимизации средневзвешенного коэффициента отражения от его входа

3.3. Оптимизация конструкции диэлектрического обтекателя сверхширокополосной щелевой антенны бегущей волны

3.4. Разработка и исследование алгоритма компенсации влияния металлического кожуха на пеленгационные характеристики линейной антенной решетки из элементов Вивальди

3.5. Выводы по третьей главе

4. Разработка программного комплекса, предназначенного для анализа и синтеза сверхширокополосных антенн аппаратуры радиоконтроля мобильного и стационарного базирования

4.1. Функционирование подсистем программного комплекса

4.2. Методика анализа и синтеза сверхширокополосных антенн аппаратуры радиоконтроля мобильного и стационарного базирования с помощью разработанного программного комплекса

4.3. Примеры использования разработанного программного комплекса для синтеза конического ТЕМ- рупора с диэлектрической линзой и проведения сравнительного анализа сплошного и сетчатого пирамидального ТЕМ-рупора

4.4. Выводы по четвертой главе

Актуальность темы. В настоящее время наиболее часто используются следующие виды математических моделей антенно-фидерных устройств: строгие (аналитические) модели (большой вклад в развитие которых внесла школы академика Шестопалова В.П., проф. Воскресенского Д.И., проф. Ильинского A.C. и др.); модели, основанные на численном решении уравнений Максвелла, сформулированных в интегральной, дифференциальной, либо интегро-дифференциальной форме (проф. Фока В.А., проф. Васильева E.H., проф. Сазонова Д.М., проф. Никольского В.В., проф. R. Mittra, проф. К. Yee, проф. Т. Weiland), с учетом заданных граничных условий; эвристические модели, основанные на упрощенных физических представлениях (проф. Сестрорецкий Б.В.), эквивалентных схемах проектируемых устройств, а также использовании эвристических подходов к анализу протекающих физических процессов (нейронные сети) и синтезу их структуры и параметров (генетические алгоритмы).

Строгие математические (аналитические) модели (в частности, основанные на использовании методов теории функций комплексного переменного -метода Римана-Гильберта-Привалова, метода вычетов (а также модифицированного метода вычетов), метода интеграла Коши; методов функционального анализа - метода Крамера решения бесконечных систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), метода полуобращения оператора решаемой задачи, метода факторизации Винера-Хопфа-Фока, характеризуются существенными ограничениями по геометрии и электродинамическим свойствам моделируемых антенных устройств и систем.

Математические модели, основанные на численном решении уравнений Максвелла с граничными условиями, являются наиболее универсальным средством проектирования и исследования антенно-фидерных устройств с различной геометрией и материальными свойствами, функционирующих в произвольных диапазонах частот. Подобные модели сочетают в себе наиболее универсальный, «лобовой», способ решения уравнений Максвелла и систему подходов, направленных на ускорение процесса численного моделирования не только одиночных антенных устройств, но и антенных решеток, характеризующихся сложной топологией и значительным числом элементов.

Наиболее часто употребляемыми эвристическими методами анализа ан-тенно-фидерных устройств являются метод наведенных электродвижущих (или магнитодвижущих) сил, а также методы интегрального уравнения Халлена и интегро-дифференциального уравнения Поклингтона, используемые для моделирования и синтеза антенных устройств и систем, выполненных в виде тонкопроволочных конструкций.

Эффективным методом параметрического синтеза антенно-фидерных устройств является эвристический метод генетических алгоритмов, однако, для своей реализации, особенно - при использовании строгих численных моделей анализа, он требует весьма значительных затрат машинного времени, причем не всегда удается предсказать момент окончания оптимизации.

Столь широкий спектр подходов, использующихся для построения математических моделей антенно-фидерных устройств, создает существенные трудности при попытке объединения всех существующих методов и средств анализа и синтеза антенно-фидерных устройств в рамках одного интегрированного программного продукта.

Одной из актуальных задач процесса анализа и синтеза антенных устройств и систем, при решении которой, в рамках настоящей диссертации, оказалось возможным рационально сочетать использование строгих аналитических и численных моделей, а также моделей, построенных с использованием эвристических предпосылок и полуэмпирических подходов, является создание методики анализа и синтеза сверхширокополосных антенн мобильного базирования, а также антенн коротковолнового (КВ) диапазона, при функционировании которых необходимо строгим образом учитывать влияние земной поверхности (в КВ диапазоне земля не может быть представлена ни идеальным металлом, ни идеальным диэлектриком, а только полупроводником (с комплексной диэлектрической проницаемостью)).

Работа выполнена в соответствии с межвузовской научно-технической программой «Информационные технологии в образовании и науке» в рамках основных научных направлений ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» «Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы» и «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства, системы передачи, приема, обработки и защиты информации».

Целью диссертационной работы является создание многоуровневой системы математических моделей сверхширокополосных антенн, размещенных вблизи земной поверхности или корпуса мобильного носителя, позволяющих анализировать и учитывать влияние рассеянных электромагнитных волн на точностные и энергетические характеристики программно-аппаратных комплексов радиоконтроля. Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

- анализа состояния и перспектив развития программных средств математического моделирования электродинамических объектов, размещенных около металлических рассеивателей сложной геометрии и границы раздела сред воздуха и полупроводника;

- разработки и исследования комплекса математических моделей, используемых для анализа и синтеза сверхширокополосных антенн, расположенных над подстилающей поверхностью с конечной проводимостью;

- создания и исследования комплекса математических моделей сверхширокополосных антенн мобильного и бортового базирования;

- создания алгоритмов структурного и параметрического синтеза сверхширокополосных антенн, расположенных вблизи земной поверхности или корпуса носителя;

- разработки структуры и состава комплекса программ, предназначенного для анализа и синтеза сверхширокополосных антенн мобильного и бортового базирования.

Методы исследования. В ходе выполнения работы использовались основные положения теории математического моделирования; методы вычислительной электродинамики; стандартные методики измерения характеристик антенно-фидерных устройств СВЧ диапазона.

Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:

- комплекс математических моделей сверхширокополосных антенных устройств и систем, расположенных вблизи подстилающей поверхности, отличающийся возможностью программной реализации процедуры параметрического синтеза устройств на основе различных уровней представления о протекающих физических процессах в анализируемых объектах;

- комплекс моделей сверхширокополосных антенн мобильного и бортового базирования, на основе которых разработаны процедуры их анализа и синтеза, отличающиеся рациональным выбором степени строгости описания моделируемых объектов (от численного решения краевых задач, сформулированных с использованием векторных интегральных уравнений, до использования эвристических подходов к описанию анализируемых явлений - метода наведенных электродвижущих сил);

- алгоритмы автоматизированного анализа, параметрического и структурного синтеза сверхширокополосных антенн, отличающиеся возможностями учета и оптимизации влияния корпуса мобильного носителя на точность и разрешающую способность комплексов радиопеленгации мобильного базирования;

- структура и состав специального программного обеспечения анализа и синтеза сверхширокополосных антенных устройств и систем, отличающегося минимизацией затраченного машинного времени путем комплексного применения современных пакетов электродинамического моделирования и созданных специализированных программных средств.

Практическая ценность работы. Разработанные и исследованные математические модели и алгоритмы являются основой для практической реализации комплекса программных средств, предназначенного для синтеза и анализа сверхширокополосных антенн с учетом влияния корпуса мобильного носителя и подстилающей поверхности. Его использование позволило разработать ряд высокоэффективных сверхширокополосных антенн, предназначенных для применения в программно-аппаратных комплексах радиоконтроля.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы использованы в ОСП ЗАО «ИРКОС» (г. Воронеж), НКТБ «Феррит» (г. Воронеж), а также внедрены в учебный процессы: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» и ВВТУ ФСО России (г. Воронеж).

Основные положения, выносимые на защиту:

- математические модели сверхширокополосных антенн коротковолнового диапазона, построенные с учетом зависимостей диэлектрической проницаемости и проводимости земли от степени ее влажности, позволившие создать на их основе комплекс радиопеленгаторных антенных решеток, состоящих из направленных элементов;

- комплекс математических моделей сверхширокополосных антенных устройств и систем, расположенных на корпусе мобильного или бортового носителя, позволивших значительно повысить эффективность (до 5 раз) процессов автоматизированного анализа и синтеза сверхширокополосных антенн аппаратуры радиоконтроля;

- алгоритмы автоматизированного анализа и синтеза радиопеленгаторных антенн мобильного базирования, реализованные в программном обеспечении, интегрированном с пакетом численного электродинамического моделирования CST Microwave Studio, использование которых позволило существенно уменьшить систематическую погрешность (с 8.5 до 2 градусов) пеленгования источников радиоизлучения в сверхширокой полосе частот;

- структура и состав специализированного программного обеспечения, предназначенного для моделирования и проектирования сверхширокополосных антенных устройств и систем аппаратуры радиопеленгования и радиомониторинга с учетом влияния реальной подстилающей поверхности и корпуса мобильного (или бортового) носителя.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Х1-Й и ХП-й международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 2005-^2006), «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (Воронеж, 2005), «Инноватика 2007» (Сочи, 2007), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, студентов и аспирантов Воронежского государственного технического университета (Воронеж, 2005-т-2008), научных семинарах ВГТУ.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 14 печатных работах, в том числе 9 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит: [1-4, 10-12] — проведение моделирования, сравнительный анализ полученных входных характеристик; [5] - исследование модели антенного устройства, построенной на основе использования генетического алгоритма; [6-9] - разработка модели сверхширокополосной антенны; [13-14] -проведение моделирования, оптимизация, исследование входных характеристик, выбор наилучших геометрических параметров исследуемой модели.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы, включающего 151 наименование. Работа изложена на 161 странице, содержит 72 рисунка.

4.4. Выводы по четвертой главе

Разработана структура программного комплекса, предназначенного для анализа и синтеза сверхширокополосных антенн, взаимодействие различных элементов между собой, алгоритм функционирования программного комплекса, позволяющий осуществить синтез и анализ как структур на основе тонкопроволочных моделей, так и структур на основе сплошных металлических элементов.

Создана методика анализа и синтеза сверхширокополосных антенн аппаратуры радиоконтроля мобильного и стационарного базирования с помощью разработанного программного комплекса, приведен состав и порядок функционирования программы «Electrodynamics» основанной на структуре комплекса программ.

Произведен синтез сверхширокополосного конического ТЕМ- рупора с диэлектрической линзой, позволивший применить разработанный комплекс программ на практике и подтверждающий правильность синтеза результатами эксперимента.

Проведен сравнительный анализ входных характеристик и направленных свойств пирамидального ТЕМ- рупора со сплошными металлическими полосками и сеточной тонкопроволочной конструкции, позволяющий подтвердить адекватность выбранной сеточной модели для анализа и синтеза антенн в KB диапазоне.