Моделирование и оптимизация проектирования сверхширокополосных антенн аппаратуры радиомониторинга тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Попов, Игорь Владимирович

• Попов, Игорь Владимирович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Попов, Игорь Владимирович

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование и оптимизация проектирования сверхширокополосных антенн 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 диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Попов, Игорь Владимирович

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.