Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ПРЕОБРАЖЕНСКИЙ Андрей Петрович
МОДЕЛИРОВАНИЕ И АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДИФРАКЦИОННЫХ СТРУКТУР В САПР РАДИОЛОКАЦИОННЫХ АНТЕНН
Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Воронеж - 2009
Работа выполнена в Автономной некоммерческой образовательной организации высшего профессионального образования Воронежский институт высоких технологий.
Научный консультант доктор технических наук, профессор Львович Игорь Яковлевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Макаров Олег Юрьевич, доктор технических наук, профессор Хохлов Николай Степанович, доктор технических наук, профессор Чевычелов Юрий Акимович.
Ведущая организация Московский государственный университет приборостроения и информатики.
Защита диссертации состоится 22 мая 2009 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.034.03 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Воронежская государственная лесотехническая академия по адресу: 394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева, д. 8, а 240.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВГЛТА.
Автореферат разослан 20 апреля 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Е. А. Аникеев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Проблема создания радиолокационных объектов отвечает требованиям обеспечения обороноспособности страны и развития средств связи для гражданского применения. Она всегда отличалась сложностью решений, прежде всего потому, что рассеиватели радиолокационных сигналов (радиолокационные цели (РЦ) космического, воздушного, наземного и водного базирования) и преобразователи энергии электромагнитных волн (ЭМВ) (транспаранты, средства уменьшения заметности в радиодиапазоне волн, антенные устройства СВЧ и КВЧ диапазонов волн), как правило, характеризуются большими электрическими размерами (ЭР), сложной геометрией, наличием поглощающих и нелинейных элементов. Анализ и синтез вышеупомянутых электродинамических объектов на основе грубого представления о протекающих в них физических процессах несут в себе опасность появления существенных и трудно контролируемых погрешностей оценки их основных характеристик, которые, как правило, очень быстро изменяются при изменении частоты, вида поляризации и угла падения ЭМВ.
В последнее время создание радиолокационных объектов значительно усложнилось. Это связано с тем, что возросли требования к техническим характеристикам таких объектов, которые определяются увеличением дальности обнаружения цели, быстродействии его идентификации, большими углами обзора и т.п. Для этого необходимо знание ряда тонких характеристик рассеивателей и антенных устройств (уровня кросс-поляризационного излучения, фазовой диаграммы направленности, а также уровня боковых и задних лепестков амплитудной диаграммы направленности (ДН)), свободное от искажающих воздействий, вызываемых ЭМВ, рассеянными на конструктивных элементах, корпусах измерительной аппаратуры и т.д. Особенно эта задача остро стоит для объектов сложной формы с большими электрическими размерами.
Для создания современных радиолокационных объектов необходимо усовершенствовать средства их проектирования. При этом одной из основных проблем является моделирование работы базовых элементов дифракционных структур в широком диапазоне требуемых характеристик и расчет характеристик рассеяния антенн, отвечающих современным требованиям.
Так как зарубежные средства моделирования данных характеристик являются секретом фирм-производителей и не продаются на мировом рынке, а известные программные комплексы, системы и подсистемы не обеспечивают моделирования всего комплекса свойств в новых условиях в области теории САПР были выдвинуты актуальные задачи, которые потребовали комплексного подхода к их решению, начиная от совершенствования физических моделей процессов и заканчиваю программной реализацией.
Данная работа посвящена разработке средств проектирования дифракционных структур больших ЭР и радиолокационных антенн с заранее заданными техническими характеристиками и потому является актуальной.
Работа выполнена в рамках одного из научных направлений Воронеж ского института высоких технологий САПР и системы автоматизации производства.
Диссертационная работа выполнена на кафедре информатики и вычислительной техники Воронежского института высоких технологий в рамках госбюджетной НИР по теме Моделирование информационных технологий; разработка и совершенствование методов и моделей управления, планирования и проектирования технических, технологических, экономических и социальных процессов и производств (N г.р. 01.2005.2305).
Часть алгоритмов были использованы при выполнении работ по гранту РФФИ № 09-04-97503-р_центр_а.
Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы заключалась в создании комплекса методов, моделей, алгоритмов и программных средств проектирования дифракционных структур и радиолокационных антенн, входящих в состав объектов техники, обеспечивающих повышение эффективности функционирования САПР радиолокационных объектов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
провести анализ современных отечественных и зарубежных электродинамических САПР, выделить основные существующие проблемы в данной области, выяснить причины их появления и определить пути повышения эффективности автоматизированного проектирования дифракционных структур и радиолокационных антенн;
определить требования к САПР, целевые задачи проектирования, архитектуру технических средств и функциональную схему САПР;
разработать математические модели поведения базовых элементов дифракционных структур в широком диапазоне требуемых характеристик;
построить математические модели работоспособности базовых элементов антенн в зависимости от их размеров и формы;
разработать алгоритмы расчета характеристик рассеяния антенн на основе использования алгоритмов расчета базовых дифракционных структур;
построить алгоритмы расчета параметров антенн, позволяющих получать требуемые характеристики;
разработать информационное, методическое и программное обеспечение АПР дифракционных структур и радиолокационных антенн;
провести промышленную апробацию, определить экономический эффект разработки и внедрить результаты исследования на предприятиях и в учебных заведениях.
Методы исследования. При выполнении работы использованы основные положения теории систем автоматизированного проектирования, методы технической электродинамики, теории дифракции электромагнитных волн на металлодиэлектрических структурах, стандартные методики измерений характеристик антенно-фидерных устройств СВЧ диапазона волн, методы исследования операций, математического моделирования и программирования. Общей методологической основой являлся системный подход.
Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:
методология построения, архитектура технических средств автоматизации проектирования дифракционных структур и радиолокационных антенн, обеспечивших унификацию технического, математического и программного обеспечения и заложивших основу создания единого информационного пространства проектирования объектов сложной формы и радиолокационных антенн;
математические модели и алгоритмы численного анализа дифракции плоских однородных ЭМВ на дифракционных структурах, входящих в состав объектов сложной формы, антенно-фидерных трактов и радиолокационных антенн, отличающиеся возможностью проектирования устройств с заданными требованиями по характеристикам рассеяния ЭМВ в широком секторе углов наблюдения;
математические модели и алгоритмы расчета характеристик двумернопериодичных решеток, дающие возможность проводить исследования при высокой точности расчета характеристик рассеяния ЭМВ, в отличие от существующих эвристических приближенных моделей;
математические модели расчета характеристик металлодиэлектрических антенн, позволившие расширить класс исследуемых металло-диэлектрических антенн при их синтезе и анализе;
методика сбора, обработки, хранения, представления и обмена данными и особенности реализации лингвистических и информационных средств в рамках единого информационного пространства, соответствующих базовым принципам современных информационных технологий и позволяющие создавать устройства с заданными характеристиками.
Практическая значимость и результаты внедрения. Практическая ценность полученных результатов заключается в том, что разработанные методики, проблемно-ориентированные модели и алгоритмы послужили основой для создания и внедрения программных средств для проектирования дифракционных структур и радиолокационных антенн. Создана библиотека базовых схем дифракционных антенн, позволяющая повысить эффективность САПР. Использование в САПР простых и эффективных методов, физико-математических моделей и алгоритмов позволяет исследовать характеристики дифракционных структур, входящих в состав антенн и создавать такие структуры с необходимыми для практического использования характеристиками. Основные возможности предложенных математических моделей и алгоритмов апробированы на практике путем сравнения с литературными данными и экспериментальными данными.
Полученные в работе результаты позволяют проводить расчет радиолокационных характеристик дифракционных структур, когда по различным причинам нельзя провести экспериментальные исследования.
На защиту выносятся:
1. Принципы построения, архитектура технических средств автоматизации проектирования дифракционных структур и радиолокационных антенн.
2. Математические модели и алгоритмы численного анализа дифракции плоских однородных ЭМВ на дифракционных структурах, входящих в состав объектов сложной формы, антенно-фидерных трактов и радиолокационных антенн.
3. Математические модели и алгоритмы расчета характеристик двумернопериодичных решеток.
4. Математические модели расчета характеристик металлодиэлектрических антенн.
5. Методика сбора, обработки, хранения, представления и обмена данными и особенности реализации лингвистических и информационных средств в рамках единого информационного пространства Научные результаты внедрены в процесс автоматизированного проектирования дифракционных элементов, входящих в состав объектов техники и антенных систем на предприятии ИРКОС (г. Москва, Воронежский филиал).
Подсистемы моделирования, оптимизации и автоматизированного проектирования дифракционных элементов и СВЧ антенн сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн используются при выполнении курсового и дипломного проектирования студентами специальности Системы автоматизированного проектирования в Воронежском государственном техническом университете и в учебном процессе для специальности Информационные системы и технологии в Воронежском институте высоких технологий.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции Воронежской высшей школы МВД России (1996, 1997), 3-м и 4-м Международных симпозиумах по ЭМС (Санкт-Петербург, 1997, 2001), 4-й, 11-й, 12-й и 13-й Международных научно-технических конференциях "Радиолокация, навигация и связь" (Воронеж 1998, 2005-2007), 5-й межвузовской научно-технической конференции Воронежского института радиоэлектроники (1998), 3-й Международной научно-технической конференции "Антенно-фидерные устройства, системы и средства радиосвязи" (Воронеж 1997), Всероссийских научно-практических конференциях "Охрана-97" и "Охрана-99" (Воронеж, 1997, 1999), 28-й Международной конференции "Теория и техника антенн" (ТТА'98), (Москва, 1998), Второй Всероссийской конференции Математическое моделирование, (Самара, 2005), научно-технической конференции Информационные технологии (ИТ2005, Воронеж), 6-й Международной научно-практической конференции Моделирование. Теория, методы и средства (Новочеркасск, 2006), 12 республиканской открытой научной конференции Современные проблемы информатизации (Воронеж, 2006), Международной научно-практической конференции Актуальные проблемы обеспечения безопасности в чрезвычайных ситуациях при техногенных катастрофах (Воронеж, 2006, 2007), отчетной научной конференции профессорско-преподавательского состава ВИВТ (Воронеж, 2006).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 62 научных работах, в том числе 20 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ).
В работах выполненных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: разработка алгоритмов рассеяния электромагнитных волн на трехмерных структурах, а также полученные расчетные результаты [5, 26, 27, 33, 37, 39, 41], расчетные результаты [1, 4, 6, 23, 34, 35, 36, 42], разработанные алгоритмы расчета и полученные результаты [9, 10, 18, 30, 31, 53], рекомендации по выбору методов моделирования [19, 23, 24, 37, 38], предложения по структуре и обеспечению САПР [20, 21], алгоритмы расчета характеристик рассеяния элементов антенн [7, 11-15, 29], элементы алгоритмов расчета характеристик рассеяния трехмерных структур [8, 16, 17, 25], результаты расчетов, полученных на основе тестовой модели [40], программная реализация алгоритмов [56-62].
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы (280 наименований), изложена на 2страницах, содержит 90 рисунков, 8 таблиц, 1 приложение.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показаны цель и задачи исследования, научная и практическая значимость, структура и объем работы.
Первая глава посвящена анализу структур современных отечественных и зарубежных САПР дифракционных структур и антенн, используемых в них математических методов и моделей и исследованию основных возможностей и характеристик САПР данного класса.
В настоящее время происходит постоянное повышение требований к параметрам целей (дальность, быстрота обнаружения, время идентификации, более широкие углы обзора и т.п.), которые могут быть достигнуты обеспечением некоторых характеристик дифракционных структур и антенн, связанных с их геометрией, взаимном расположении узлов и т.п. Для их создания необходимо совершенствование САПР, для получения объектов с заданными техническими требованиями.
При проектировании дифракционных структур и радиолокационных антенн необходимо соблюдать следующие требования по следующим техническим характеристикам: высокая точность расчета характеристик рассеяния (диаграмм обратного рассеяния (ДОР)) дифракционных структур и радиолокационных антенн, отслеживание тонкой структуры характеристик рассеяния, точное определение рабочих частот антенн в рамках заданных ограничений по размерам антенн и типам входящих в их состав базовых элементов, что достигается высокой точностью расчета токов на поверхности объектов, учетом физических процессов, проходящих в рассеивателях. Точность расчета характеристик за счет предложенных подходов в среднем повысилась в 2-3 раза.
В главе проведен анализ отечественных и зарубежных САПР дифракционных структур антенно-фидерных устройств. Основными тенденциями зарубежных САПР дифракционных структур антенно-фидерных устройств являются: универсальная направленность симуляторов, легко осуществимый доступ к другим пакетам анализа СВЧ аппаратуры и антенн, поддержка многих форма тов данных, широкое использование анимации для наглядного представления токов и полей в электродинамических структурах.
Наиболее часто в подобных САПР используются метод конечных элементов и метод Галеркина решения интегральных уравнений Фредгольма 2-го рода, практически не имеющие ограничений по сложности геометрии и материальных свойств анализируемых объектов.
В отечественных электродинамических моделирующих программах, как правило, основная ставка делается на использование значительного числа аналитических методов, являющихся оптимальными для решения узкого круга метод проекционного сшивания на основе теоремы Грина, модифицированный и стандартный метод вычетов, метод Винера-Хопфа, метод разрывного интеграла ВебераШафхейтлина, метод задачи Римана-Гильберта) задач (метод частичного обращения матричного оператора задачи, методы частичных и частично пересекающихся областей, метод интегрального уравнения. Отличительной чертой данных САПР являются развитые базы данных, содержащие матрицы рассеяния большого числа стандартных элементов антенно-фидерных трактов и дифракционных структур.
Исключением из данного ряда может служить серия электродинамических пакетов TAMIC, разработанная под руководством Б. В. Сестрорецкого.
Особенностью математического аппарата этого программного продукта является использование концепции импедансных сеток и введение топологических ограничений, позволяющих сводить трехмерный анализ электродинамического объекта к двухмерному.
Проведен анализ основных методов определения характеристик вторичного излучения объектов и методов математического моделирования рассеяния электромагнитных волн на таких структурах.
Показано, что повышение эффективности автоматизированного проектирования дифракционных структур и радиолокационных антенн может быть достигнуто при выполнении следующих условий:
использовании универсальных математических методов Галеркина и конечных элементов для анализа нестандартных электродинамических объектов наряду с применением мощных аналитических методов при исследовании широко распространенных дифракционных структур и элементов антеннофидерных трактов;
внедрении принципа перехода к задачам дифракции меньшей размерности при математическом моделировании трехмерных объектов больших ЭР;
применении приближенных методов, которые в рамках инженерной погрешности позволяют получать важные для практики результаты за значительно меньшее время, чем при использовании строгих методов;
внутренней и внешней интеграции с существующими системами проектирования: внутренняя интеграция - на микроэлектронном уровне, внешняя интеграция - в системы управления.
Разработана функциональная схема САПР дифракционных структур и радиолокационных антенн, учитывающая особенности моделирования и оптимизации базовых элементов и структур (рис. 1).
Программы диалогового Головная Средства лингвистичесвзаимодействия программа кого описания объектов Программы графи- Программы обработки объектно-ориентированных ческого интерфейса сообщений Блок формализованного задания на проектирование дифракционных структур и антенн Компилятор баКомпилятор базовых зовых режимов структурных схем Компилятор базовых элементов Библиотека баБиблиотека базовых зовых режимов Библиотека базовых элементов схем антенн Компилятор алгоритмов обработки Библиотека алгоритмов обработки характеристик рассеяния характеристик рассеяния Компилятор моделирования Библиотека методов моделирования нестандартных узлов нестандартных узлов Компилятор прикладной математической модели АР Блок предварительного анализа Компилятор целевой функции струкКомпилятор прикладных математических моделей основных функциональных свойств турного синтеза антенн базовых элементов антенн Библиотека программ структурного Блоки параметрического синтеза синтеза антенн (дискретное, динамибазовых и нестандартных элементов ческое программирование, корреляантенн ционный анализ) Программы параметрического синтеза Блок структурного синтеза Блок параметрического синтеза Блок компиляции конструкторской Блок структурного синтеза документации базовых элементов Блок параметрического синтеза Библиотека конструкторской доку ментации базовых структурных схем Библиотека конструкторской документации базовых элементов Блок компиляции конструкторской документации нестандартных элементов Программное обеспечение внешних устройств Блок изготовления конструкторской документации Программы поддержки систем Mathcad, Maple, Scientific Work (трехмерная графика, поверхности одинакового уровня, векторные и скалярные поля, анимация и др.).
Блок отображения информации на дисплее Рис. 1. Функциональная схема САПР дифракционных структур и антенн.
Ядром блока формализованного задания на проектирование антенн является головная программа, осуществляющая режим диалогового автоматизированного проектирования с оператором посредством программ диалогового взаимодействия (графического интерфейса и обработки объектноориентированных сообщений) и управляющая средствами лингвистического описания объектов проектирования.
Блок формализованного задания на автоматизированное проектирование выдает команды на построение основных программ САПР дифракционных структур и радиолокационных антенн: компилятор прикладной математической модели антенны, блоки структурного и параметрического синтеза, блок изготовления конструкторской документации и блок отображения информации на дисплее (в функции которого входит программная поддержка универсальных программ математического моделирования, оснащенных мощным графическим интерфейсом - Mathcad, Maple, Scientific Work).
Особенностью компилятора прикладной математической модели антенн является использование аналитических и численных моделей для анализа основных базовых элементов и универсальных математических методов (моментов Бубнова-Галеркина и конечных элементов) решения задач дифракции электромагнитных волн на базовых элементах.
Блок структурного синтеза осуществляет процедуры минимизации (максимизации) целевой функции ряда дискретных аргументов при наложении функциональных и топологических ограничений, базирующиеся на методах дискретного и динамического программирования, а также корреляционного анализа, развитых в работах Д. И. Батищева, Я. Е. Львовича и В. Н. Фролова.
Блок изготовления конструкторской документации характеризуется наличием уровней подготовки конструкторской документации элементов антенн и их структурных схем.
Во второй главе Определены основные задачи проектирования, разработана методика проектирования, предложены базовые лингвистические средства и единая информационная платформа, обоснована архитектура технических средств и определены математические модели расчета базовых элементов дифракционных структур.
Основными задачами
при проектировании дифракционных структур и радиолокационных антенн являются: определение требований к дифракционным структурам по функциональным возможностям и необходимым уровням отраженного электромагнитного поля, которые в ряде случаев являются достижением определенного компромисса между функциональными возможностями и обеспечением необходимого уровня отраженного электромагнитного поля; выбор оптимальной формы дифракционной структуры и ее состава (металл, диэлектрик и т.д.) за счет алгоритмов минимизации уровня характеристик рассеяния, анализа на тестопригодность; логическая верификация и моделирование характеристик рассеяния базовых дифракционных структур и далее на их основе определение характеристик рассеяния антенн с учетом реальных характе ристик типовых антенн, режимов их функционирования, оценка адекватности рассматриваемых моделей и алгоритмов.
Решение поставленных задач обеспечивается предложенной методикой автоматизации проектирования дифракционных структур и радиолокационных антенн, позволяющей формировать требования к объектам элементной базе с возможностью расчета характеристик при проектировании с высокой точностью. Основными этапами данной методики являются: анализ основных характеристик базовых элементов антенны; синтез антенны; анализ основных характеристик антенны; принятие проектного решения. Данная методика отличается формированием требований к базовым дифракционным элементам на ранней стадии проектирования с учетом максимума коэффициента корреляции параметров выбранных базовых элементов и режима функционирования антенны, а также стоимостных характеристик антенны с требуемыми характеристиками технического задания на автоматизированное ее проектирование.
В работе предложен входной язык описания базовых элементов на всех уровнях проектирования. Он строится на основе модульного многоуровневого принципа - типовой элемент представляется в виде совокупности более простых конструктивных элементов как на одном уровне иерархии проектирования, так и при прямом и обратном переходе с уровня на уровень. Таким образом, наблюдается иерархический процесс проектирования, обеспечивающий возможность реализации принципа непрерывности.
Модуль также содержит описание геометрической модели дифракционного элемента, описания функционально-логических и электродинамических характеристик, символьного представления геометрической модели. Библиотека модулей может расширяться.
Для входного языка используется буквы алфавита и набора ключевых командных слов, которые делятся на две группы - для описания начала и конца записей и имен атрибутов остальных записей. Основной структурной единицей языка описания модулей служит запись. Тело записи заключается между ключевыми словами начала и конца и состоит из набора атрибутов, их значений.
<КЛЮЧЕВОЕ СЛОВО >: :=<ИМЯ ТИПА/<КОМАНДНОЕ СЛОВО> <ИМЯ ТИПА>: := TIP/RAD/GRAF/ PARAM /INP/OUT <КОМАНДНОЕ CЛOBO>::=END/REP/END_FILE где TIP, RAD, PARAM, GRAF, INP, OUT - имена типов записи базового элемента, электродинамических параметров, изображение базового элемента, входных и выходных характеристик соответственно;
END, END_FILE - признаки конца записи и файла;
REP - оператор повторения.
Во вторую группу ключевых слов входят имена атрибутов основных записей.
В лингвистические средства входит разработанный язык описания входных воздействий (определенные значения параметров падающих ЭМВ) и задания на проектирования. Данный язык позволял как символьные, так и графические способы описания, использование сокращенных и командных форм опи сания и автоматического формирования наиболее объемных данных, рациональных процедур манипулирования данными.
Исходя из общей концепции построения информационных сред САПР, типа решаемых задач даны требования к информационному обеспечению подсистемы.
В соответствии со сформулированными требованиями разработана система единой подготовки исходной информации, использующая особенности предложенного языка структурно-модульного описания как текстовых, так и графических данных, которые дополнены графосимволическим языком описания дифракционных структур.
Для построения информационного обеспечения системы предложено использовать списочную структуру данных. При этом элементы списка могут быть головными для списка элементов другого типа, с использованием меток связи между подчиненными и подчиняющими элементами. Таким образом, массивы изображения могут быть выбраны и вставлены в произвольном порядке с небольшим временем поиска. Также с учетом документирования, в рисунок помещаются специальные метки, позволяющие проводить его разбиение на страницы.
Характеристики элементов хранятся в базе данных, созданной средствами MS SQL Server 2005. Вызов данных при подаче задания на проектирования осуществляется стандартными средствами базы данных.
В работе обоснована архитектура технических средств. Она представляет собой сетевую трехуровневую систему, построенную по следующей модели:
клиент - сервер приложений - сервер данных. Необходимыми условиями эффективной работы средств проектирования являются надежность и быстродействие программного обеспечения. Поэтому нами в модели был выделен сервер приложений.
Основным элементом системы являются АРМ, на которых производится проектирование дифракционных структур и антенн. Реализация автоматизированных рабочих мест быть проведена на основе рабочих станций, или PC с большим объемом внешней и оперативной памяти.
Все технические средства объединены в локальную вычислительную сеть.
Взаимодействие АРМ и серверов осуществляется по физическим соединениям с использованием сети Ethernet.
В главе рассмотрены проектные процедуры моделирования базовых элементов САПР дифракционных структур, которые усовершенствованы для достижения требуемой точности. Базовыми структурами являются двумерные и трехмерные полые структуры. Двумерные могут использоваться для объектов, которые имеют одинаковый размер в определенном направлении. Они могут быть использованы при моделировании, как антенных решеток, так и апертурных (рупорных) антенн. Основными характеристиками, которые используются при проектировании, являются размеры базовых элементов, секторы углов наблюдения, уровни отраженного электромагнитного поля.
На основе метода интегральных уравнений проводится построение алгоритма расчета характеристик рассеяния электромагнитных волн двумерных полых структур с радиопоглощающими покрытиями (РПП). Расчет токов на поверхности структуры основан на решении интегрального уравнения Фредгольма 2-го рода. Показано, что данный алгоритм может быть использован для определения характеристик рассеяния трехмерных полых структур прямоугольного поперечного сечения.
Построен алгоритм расчета характеристик рассеяния электромагнитных волн идеально проводящих полых структур. Если размер апертуры полой структуры a, а длина ее - L, то в случае a, L<10 расчет проводится на основе метода интегральных уравнений, иначе - на основе комбинации модального метода и метода физической оптики+метод краевых волн. Указанный подход позволяет получить выигрыш на порядок и более по сравнению со случаем применения только строгого метода и был применен в САПР дифракционных структур.
Используемые на практике полости могут иметь не параллельные боковые стенки, а иметь некоторые углы (, ) к ее оси. Была определена зависи1 мость сектора углов наблюдения, в которых возможно применение модального метода для определения характеристик рассеяния таких структур, в зависимости от размеров апертуры и длины полости и от углов наклона боковых стенок.
Разработанный в работе алгоритм расчета характеристик рассеяния полостей с наклонными боковыми стенками следующий:
1. Задаются размеры структуры - апертура a, длина L, углы наклона боковых стенок и ;
1 2. Если размеры апертуры и длина структуры составляют менее 10, где - длина падающей ЭМВ, то необходимо проводить расчет на основе модального метода, следя за зависимостью величины допустимого сектора угла наблюдения в зависимости от углов наклона боковых стенок и полости;
1 3. Если размеры апертуры и длина структуры составляют более 10, то расчет характеристик рассеяния необходимо проводить на основе комбинации модального метода, метода физической оптики и метода краевых волн;
4. На основе выбранного метода проводится расчет характеристик рассеяния (рассеянного электромагнитного поля и эффективной площади рассеяния (ЭПР)).
Проводится исследование возможности построения алгоритма оценки максимальных средних характеристик рассеяния полых структур. Необходимо было определить значения размера апертуры a при заданной общей длине контура полости L дающие максимальные значения ЭПР. Получены значения коa эффициентов полинома, аппроксимирующего зависимость L (a) для различa ных секторов углов наблюдения.
Таким образом, предложенный алгоритм имеет следующие основные этапы:
1. Задаются величина апертуры и сектор углов наблюдения ;
2. Определяются коэффициенты полинома для заданного ;
3. Проводится расчет L на основе полинома.
a Проведенный анализ показал, что для практических применений достаточно использовать полиномы невысокого порядка (степень полинома не более 5). Рассчитанные значения полинома могут храниться в соответствующей библиотеке САПР, и существует возможность прогнозирования максимальной ЭПР.
С использованием разработанного алгоритма было проведено проектирование полых структур с максимальными значениями ЭПР в заданном секторе углов наблюдения.
Далее в главе рассмотрено применение нейросетевых технологий для анализа дифракционных структур.
В третьей главе рассматриваются физико-математические модели трехмерных полых структур, использующиеся в САПР дифракционных структур, и алгоритмы расчета характеристик рассеяния таких структур.
Данные структуры не могут быть описаны при помощи двумерных моделей, рассмотренных во второй главе. Для обеспечения необходимых характеристик (ДОР) в САПР таких структур предусмотрены проектные процедуры исследования базовых структур. Разработаны модели, учитывающие сложные дифракционные процессы. В качестве методов математического моделирования были выбраны метод интегральных уравнений и модальный метод. Метод интегральных уравнений обеспечивает высокую точность расчета поверхностных токов.
Основными характеристиками, которые используются при проектировании, являются размеры базовых элементов, секторы углов наблюдения, уровни отраженного электромагнитного поля.
Алгоритм расчета характеристик рассеяния идеально проводящей полой структуры круглого поперечного сечения, основанный на методе интегральных уравнений, состоит из следующих основных этапов:
1. Записывается интегральное уравнение Фредгольма второго рода для электрического тока J (r) с учетом граничных условий на поверхности идеS ально проводящей полой структуры.
2. С целью определения неизвестных поверхностных электрических токов J (r) на поверхности рассматриваемой структуры интегральное уравнение S решается методом моментов с кусочно-постоянными базисными функциями и пробными функциями - - функциями Дирака.
В результате этого интегральное уравнение дискретизуется и приводится к системе линейных алгебраических уравнений (СЛАУ):
U U U J R xx xy xz x x U U U J R, (1) yx yy yz y y U U U J R zx zy zz z z где Jx, Jy, Jz - компоненты плотности поверхностного электрического тока.
3. После решения приведенной СЛАУ (1) вычисляется рассеянное электромагнитное поле в дальней зоне, связанное с найденным электрическим током J (r).
s 4. Рассчитывается ЭПР полой структуры.
Проводилось сравнение результатов теоретических расчетов, полученных на основе этого алгоритма, с экспериментальными данными.
С использованием предложенного алгоритма возможно проектирование трехмерных полых структур с заданными значениями характеристик рассеяния.
Входными данными при этом являются размер апертуры, длина полости, толщина боковых стенок, сектор углов наблюдения.
Далее в третьей главе приводится предложенный алгоритм расчета характеристик рассеяния полых структур эллиптического поперечного сечения.
Рассмотрим полую структуру эллиптического поперечного сечения с размером полуосей a и b и длиной L (рис. 2). Пусть на апертуру полости падает плоская ЭМВ (множитель exp(j t) в дальнейшем будем опускать):
i i i Ei ( I I )exp( jk r), (2) i i i i i где k k[(xcos sin )sin cos ] - волновой вектор падающей волны, k=2 / - волновое число свободного пространства; I, I - амплитуды, соответствующие E- и H-поляризациям падающей плоской ЭМВ.
Рис. 2. Рассеяние электромагнитных волн на полой структуре эллиптического поперечного сечения Алгоритм расчета ЭПР полой структуры эллиптического поперечного сечения, основанный на модальном методе, состоит из следующих основных этапов:
1. Тангенциальные составляющие электрического и магнитного поля, возбуждаемого падающей плоской ЭМВ (2) на апертуре полости (z=0), представляются в виде разложений по модам эллиптического волновода с соответствующими модальными коэффициентами. Причем, модальные коэффициенты относятся к TE-модам (поперечно-электрические волны), а модальные коэффициенты - к TM-модам (поперечно-магнитные волны). Кроме того, модальные коэффициенты (рис. 2) соответствуют выходящим (в направлении +z) из полости модам, а соответствуют модам, входящим (в направлении -z) в полость.
2. Модальные коэффициенты, соответствующие входящим в полость модам, рассчитываются по формуле (3), полученной с использованием теоремы взаимности:
i i i i I D M (, ) N (, ) 2 mn mn mn. (3) i i i i I D jk W Q M (, ) N (, ) mn 0 mn mn mn В (3) использованы следующие обозначения: W0 - импеданс свободного пространства; Qmn - комплексная мощность, переносимая ТЕ или ТМ модами.
3. Модальные коэффициенты, соответствующие выходящим из полой структуры модам, определяются с использованием известного выражения для обобщенной матрицы рассеяния Rmn полости. На апертуре полости (при z=0):
G R 0 D mn mn mn. (4) G 0 R D mn mn mn 4. Вторичное поле рассеяния полой структуры эллиптического поперечного сечения, обусловленное выходящими из апертуры модами, рассчитывается с использованием принципа взаимности в рамках приближения Стрэттона-Чу:
exp( jkr) s S E ( S ), kr, (5) r где коэффициенты матриц были получены в данной работе:
S S S I. (6) S S S I При определении -компоненты бистатической ЭПР расчет проводится по следующей формуле:
4 S. (7) Аналогичные выражения записываются для других компонент ЭПР поi i лости. Полагая в формулах (5) (, ) = (, ), мы можем определить моностатическую ЭПР полой структуры.
Проводилось сравнение теоретических результатов, полученных на основе разработанного алгоритма, с экспериментальными данными.
С использованием указанного алгоритма возможно проектирование дифракционных структур эллиптического поперечного сечения с заданными значениями характеристик рассеяния. Входными данными при этом являются размер полуосей эллипса апертуры, длина полости, толщина РПП, характеристики РПП, сектор углов наблюдения.
В четвертой главе разрабатываются алгоритмы расчета характеристик рассеяния объектов сложной формы.
Рассмотренные во второй и третьей главах модели и алгоритмы обобщаются для групп базовых элементов. В качестве дополнительных характеристик, которые рассматриваются при проектировании объектов с требуемыми значениями характеристик рассеяния (ДОР), в проектных процедурах моделирования помимо характеристик базовых элементов, рассматриваются такие как, взаимное расположение этих элементов или расстояние между ними. В качестве метода моделирования полых структур предлагается использовать модальный метод. Для расчета рупорных антенн этот метод дополняется методом краевых волн. Для выпуклых объектов (например, цилиндры) предлагается модификация метода интегральных уравнений, рассмотренного во второй главе, - итерационный метод.
Использование нескольких радиопоглощающих покрытий с определенными параметрами (например, толщина) позволяет добиться требуемых значений рассеянного электромагнитного поля в определенных секторах углов наблюдения.
Рассмотрим характеристики рассеяния (ЭПР) волноводных полостей круглого поперечного сечения с плоской поглощающей нагрузкой (рис. 3).
Рис. 3. Полость круглого поперечного сечения с плоской поглощающей нагрузкой Матрица рассеяния полости с РПП определяется с использованием выражений для обобщенных матриц рассеяния волновода круглого поперечного сечения и отрезка волновода с РПП.
Поле в дальней зоне рассчитывается в приближении Кирхгофа для трехмерного случая.
По известным значениям ЭПР полостей круглого поперечного сечения могут быть синтезированы характеристики радиопоглощающих покрытий, помещаемых на заднюю стенку полости.
Плоская поглощающая нагрузка представляет собой два слоя РПП (рис. 3).
Для примера, в качестве поглощающей нагрузки были рассмотрены материалы с = 7,3, = 0,91 - j0,32 - РПП из поли-2,5-дихлоростирола и = 14 - j 18,2, = 1 - 1 2 РПП марки Eccosorb LS-D80 (1-й случай), а также материалы с = 12 - j0,144, = 1 1,74 - j3,306 - РПП марки Crowloy BX113 и = 14 - j 18,2, = 1 - РПП марки Ec2 cosorb LS-D80 (2-й случай). Рассматриваемая полость имела радиус a = 5 и длину L = 15. Толщины слоев РПП d1 и d2 менялись от 0 до 0,1.
Было показано, что при использовании поглощающей нагрузки в виде двух слоев РПП при увеличении толщины одного РПП (d2) при постоянной толщине другого РПП (d1) возможно достижение значительного снижения уровня ЭПР в области максимума основного лепестка диаграммы обратного рассеяния (ДОР) при постоянном уровне ЭПР в области нескольких первых боковых лепестков (изменение ЭПР составило не более 3 дБ при изменении d2 от 0 до 0,1 ). С использованием предложенного подхода существует возможность проектирования полостей круглого сечения со сниженными значениями амплитуд характеристик рассеяния в заданных секторах наблюдения.
Далее приводится разработанный нами итерационный алгоритм для расчета характеристик рассеяния периодических структур.
Идея данного подхода заключается в том, что при дифракции ЭМВ на теле, состоящем из нескольких частей (в данном случае одинаковой формы, поскольку рассматривается периодическая структура), проводится решение задачи дифракции на отдельной части на основе метода интегральных уравнений.
Затем учитывается переотражение ЭМВ между ближайшими частями, которые дают вклад в отраженное электромагнитное поле и в дальнейшие переотражения между ближайшими частями. Путем сравнения результатов, полученных на основе строго метода ко всей структуре и итерационного подхода, было установлено, что таких переотражений необходимо брать небольшое число (не более 5), что дает выигрыш во времени при расчете минимум в два раза по сравнению с подходом на основе метода интегральных уравнений.
Далее рассматривается алгоритм расчета характеристик рассеяния объектов сложной формы на основе метода краевых волн.
При математическом моделировании объект представляется в виде совокупности N жестко связанных отражателей с постоянными параметрами.
Для каждого из простейших компонентов, входящих в состав объекта сложной формы (например, пластины, из которых состоят многие объекты) известны выражения для рассеянного поля. Существует возможность определения рассеянного электромагнитного поля от всего объекта с использованием этих выражений и известных сдвигов фаз между рассеянными волнами от различных простейших компонентов.
Было установлено, что для некоторых объектов, представленных в виде совокупности пластин, может быть небольшое отличие (2-3 дБ) в средних характеристиках рассеяния объектов для различных размеров объектов.
Указанная особенность может использоваться при проектировании объектов сложной формы с заданными значениями средних характеристик.
Предложенный в работе алгоритм состоит из следующих этапов:
1. Задаются размеры объекта на определенной частоте.
2. Задается сектор углов наблюдения.
3. Проводится расчет средней ЭПР в заданном секторе углов наблюдения при заданных значениях размеров объекта.
4. Из базы данных выбираются значения размеров объекта, для которых отличия от рассчитанной ЭПР лежат в пределах инженерной погрешности. Эти значения могут отличаться от исходных на несколько процентов.
Далее рассматривается разработанный алгоритм расчета характеристик рассеяния рупорной антенны на основе приближенного метода.
На рис. 4 изображена исследуемая антенна. Рассматривается двумерный случай (E-поляризация).
Пусть размеры волноводной части следующие: размер апертуры a, длина волновода L.
Для расчета характеристик рассеяния волновода при не слишком больших углах рассеяния в передней полусфере может быть использован модальный метод. Этот метод, как известно из литературы, эффективно работает, когда размер апертуры превышает 2 3. При больших углах наблюдения основной вклад в ЭПР дает отражение от внешней боковой поверхности волновода.
Рупор представлен в виде двух пластин. Длина каждой пластины - A.
Рассеянное электромагнитное поле от пластин рассчитывается на основе комбинации метода физической оптики и метода краевых волн.
Таким образом, можно построить алгоритм расчета характеристик рассеяния рупорной антенны, основанный комбинированном методе: комбинации модального метода и метода физической оптики+метод краевых волн. Следует отметить, что данный алгоритм будет эффективнее работать для антенн с большими электрическими размерами.
ЭПР рупорной антенны, состоящей из N отражателей, может быть рассчитана с использованием значений ЭПР каждого элементарного отражателя i и с учетом разности фаз электромагнитных волн, отраженных от различных отражателей:
N N, (8) 2 cos r i i j ij i 1 i j где r r r, ri - расстояние от центра i-го отражателя до точки наблюдения.
ij i j В качестве примера на рис. 7 приведены результаты расчетов для идеально проводящей полой структуры, когда a=10, L=3, L=10, =120.
Рис. 4. Схема рассеяния электромагнитных волн на рупорной антенне На рис. 6 приведены графики времени вычисления в зависимости от размеров антенны.
Рис. 5. Разница в расчете ЭПР на основе 2 методов Рис. 6. Время расчета характеристик рассеяния рупорной антенны Пятая глава посвящена разработке алгоритмов расчета характеристик антенн, состоящих из базовых дифракционных структур.
Рассмотренные в предыдущих главах дифракционные элементы определяют характеристики антенн, в состав которых они входят. Созданы проектные процедуры моделирования, позволяющие создавать антенны с заданными требованиями по уровню характеристик рассеяния (ДОР) или требуемыми рабочими частотами. Основными характеристиками, используемыми при проектировании антенн, являются размеры базовых элементов, их форма, а также уровень отраженного электромагнитного поля. Используется принцип суперпозиции, в рамках которого объекты проектирования антенны представляются в виде совокупности более простых объектов. В качестве метода моделирования был выбран метод интегральных уравнений, который позволяет проводить расчеты характеристик с высокой точностью.
Необходимость исследования дифракции ЭМВ на отражательной гребенке с двойной периодичностью, накрытой слоем диэлектрика (рис.7), вызвана тем, что подобная структура может быть использована для создания плоских СВЧ антенн дифракционного типа с электронным управлением поляризационной чувствительностью.
Основная идея электронной селекции по поляризационному признаку заключается в том, что гребенка имеет ортогонально расположенные друг относительно друга пазы (вдоль осей x и y), являющиеся поляризационноизбирательными элементами: при параллельной взаимной ориентации магнитных силовых линий падающей на структуру электромагнитной волны и пазов дифракционной решетки (ДР), в последних возбуждаются стоячие волны значительной интенсивности. При этом реакция пазов, расположенных вдоль другой координатной оси, на поле падающей волны является весьма незначительной (в силу их запредельности к волнам данной поляризации).
Рис. 7. Двумерно-периодичная идеально проводящая ДР типа УгребенкаФ со слоем диэлектрика Задача определения токов на гребенке при рассеянии на ней электромагнитной волны решалась методом интегральных уравнений. На одном периоде для плотности тока может быть записано интегральное уравнение. Это уравнение для бесконечной одномерной линейной гребенки превращается в бесконечную систему интегральных уравнений. Обобщая далее на двумерный случай, один из элементов гребенки назовем нулевым и пронумеруем остальные эле менты (рис. 8). Тогда уравнение системы, в котором точка наблюдения лежит на нулевом элементе, будет иметь вид J (x, y, z ) 2 [n(x, y, z ) [J 00 00 00 00 00 00 00 Sexp(in ) exp(i ) gradG(x, y,z,x' nd, y' d,z' )]]dS = 1 2 00 00 00 00 00 n i 2 [n H (x, y, z )], (9) 00 00 где d sin cos, d sin sin.
1 Функция Грина для гребенки может быть разложена по волнам Флоке, периодическим по x и y. Для определения в (9) неизвестных на поверхности элемента гребенки величин J (x, y, z ) выберем систему базисных функ00 00 00 ций, по которым разложим электрические и магнитные поля. Для простоты ограничимся кусочно-постоянными функциями. Далее введм систему пробных функций из -функций Дирака, использование которых физически означает, что граничные условия будут выполняться не на всей поверхности S, а лишь в некоторых е точках.
Интегральное уравнение приводится с СЛАУ, после решения которого можно определить распределение плотности тока на поверхности элемента гребенки. По этому распределению плотности тока можно определить рассеянное им электромагнитное поле.
Рис. 8. Двумерная гребенка (вид сверху) Для учета влияния на характеристики рассеянного поля планарного диэлектрического волновода, расположенного параллельно двумернопериодической гребенке, был использован метод обобщенных матриц рассеяния для сшивания полей, рассеянных от гребенки и плоской диэлектрической пластины. Преимущество алгоритма моделирования дифракции Е- и Н- поляризованных волн на металлической гребенке с диэлектрическим слоем, опираю щегося на метод обобщенных матриц рассеяния, состоит в сокращении необходимого машинного времени на 25 30% по сравнению с алгоритмом непосредственного применения метода полуобращения ко всей структуре в целом (а не только к гребенке).
В ходе экспериментальных измерений и математического моделирования изучались свойства одномерно- и двумерно-периодичных структур со следующими параметрами: =2.56, t=6 мм, d=24 мм, W=8 мм, глубина ДР h1 соr ставляла 4 мм, 6.6 мм и 9.2 мм. Интервал изменения прицельного расстояния R составлял 0 25 мм. Исследования выполнены в диапазоне частот 8 12.4 ГГц.
Далее в работе была построена математическая модель плоской дифракционной антенны с электронным управлением поляризации принимаемых волн.
Внешний вид и размеры такой антенны показаны на рис. 9.
Основными элементами конструкции антенны с электронным управлением поляризацией излучения являются установленные на плоском основании 1 четыре дифракционные решетки 7 размером 231 231 мм, преобразующие в режиме приема падающие пространственные электромагнитные волны в поверхностные. Энергия поверхностных волн посредством плоских диэлектрических волноводов 8 передается облучателю.
Облучатель антенны состоит из двух частей: нижней 3, которая крепится к медному желобу с фторопластовым стержнем 6, и верхней 5, выполняющей функции делителя мощности.
Раскрывы на краях облучателя улучшают условия возбуждения поверхностных волн в плоских диэлектрических волноводах 8.
а) б) Рис. 9. Дифракционная антенна а) - Конструкция дифракционной антенны с электронным управлением поляризации, б) - Размеры антенны в сечении AЦA На верней грани фторопластового стержня 6 нанесены парные полоски из алюминиевой фольги с периодом 18 мм, являющиеся излучающими элементами. Возбуждение поверхностных волн в плечах облучателя осуществляется при помощи щелей, прорезанных в стенках волновода квадратного сечения, установленного перпендикулярно, в центре основания 1. С обратной стороны к этому волноводу подключается электрически управляемый фарадеевский поляризатор. Подавая на него управляющее напряжение, соответствующее повороту плоскости поляризации электромагнитных волн на входе антенны 0 или 90, происходит направление потока СВЧ мощности в вертикальный (или горизонтальный) канал облучателя, что соответствует вертикальной (или горизонтальной) поляризации излучения антенны.
Отражатели 2 и 4, устанавливаемые на торцах антенны, повышают коэффициент использования поверхности.
При расчете характеристик этой антенны нами была использована математическая модель расчета характеристик двумерно-периодичной идеально проводящей ДР типа УгребенкаФ со слоем диэлектрика.
Разработанный на основе метода интегральных уравнений и теории периодических структур алгоритм позволил провести расчет характеристик плоских дифракционных антенн и оценить их рабочие частоты для различных размеров.
Была разработана математическая модель металлодиэлектрических антенн на основе метода интегральных уравнений. Антенна состоит из диэлектрического волновода, помещенного в металлический корпус, и металлических полосок, размещенных поверх диэлектрика. Диэлектрический волновод с торца возбуждается плоской волной.
Задача определения токов на гребенке при рассеянии на ней электромагнитной волны решалась методом интегральных уравнений. На одном периоде плотности тока может быть записано интегральное уравнение i i n E n ( J G Z n J grad'(G) Div(J) grad'(G))ds', (10) S где n - вектор внешней нормали в точке наблюдения;
E - вектор напряженности электрической компоненты падающей на анализируемую структуру волны;
- круговая частота электромагнитной волны;
и - абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости воздуха;
J - вектор поверхностной плотности тока в точке интегрирования (источника) q ;
G - функция Грина свободного пространства;
Z - величина поверхностного импеданса диэлектрической подложки;
S - поверхность интегрирования (поверхность анализируемой металлодиэлектрической антенны).
Все элементы структуры идентичны, и у одинаковых точек элементов отличаются только координаты на величину, кратную периоду d. Отличие фаз плотностей токов в одинаковых точках элементов составляет =kdcos. Таким образом, можно использовать теорию периодических структур для расчета токов на гребенке.
Интегральное уравнение приводится к СЛАУ, определяются характеристики рассеяния ЭМВ на каждом элементе гребенки.
Рис. 10. Вариант конструкции антенной решетки с оптическим питанием Разработанный алгоритм расчета характеристик данной структуры следующий:
1. Проводится расчет плотностей токов на одном периоде;
2. Проводится расчет плотностей токов на решетке с использованием теории периодических структур;
3. Определяется рассеянное поле и ДН.
Далее проводится моделирование СВЧ антенны на основе фокусирующей отражательной решетки с помощью трехмерных векторных интегральных уравнений Фредгольма второго рода. На рис. 10 изображен пример конструкции такой антенны.
При оценке ДН мы использовали интегральное уравнение Фредгольма 1-го рода.
С использованием строгого подхода в работе разработан алгоритм определения рабочих частот антенны.
Построен алгоритм определения рабочих частот рупорно-щелевых антенн (РЩА).
Далее приводится алгоритм определения рабочих частот вибраторных антенн.
В шестой главе рассмотрены особенности развития научной и промышленной инфраструктуры автоматизации проектирования дифракционных структур и радиолокационных антенн, структура программного пакета автоматизации проектирования, результаты моделирования, внедрения и эффективность его использования.
В разделе описывается развитие научной и промышленной базы автоматизации проектирования дифракционных структур и радиолокационных антенн. С этой целью создано техническое обеспечение по проектированию дифракционных структур и радиолокационных антенн, которое состоит из высокопроизводительных компьютеров с использованием серверов баз данных, и приложений и рабочих станций.
Создано программное обеспечение как интеграция разработанной головной программы моделирования характеристик и базы данных на основе MS SQL Server 2005.
Головная программа осуществляет управление всеми блоками САПР и координацию обмена информацией между функционально взаимосвязанными блоками. Блоки данной программы проиллюстрированы на рис. 11.
Как видно из рис. 11, САПР дифракционных структур и антенн состоит из двух основных частей - анализа дифракционных структур и анализа дифракционных антенн.
К основным программным модулям собственных разработок относятся: интерфейс пользователя; управления комплексом в целом; расчет характеристик базовых элементов; расчет характеристик антенн.
Созданы маршруты проектирования различного класса антенн, обеспечивающие проектные работы в небольшие сроки с высоким качеством с требуемыми характеристиками. Разработано методические обеспечение в виде нормативно технической документации использования средств автоматизации проектирования дифракционных структур и радиолокационных антенн. Создана библиотека типовых дифракционных структур позволяющая проектировать объекты различной степени сложности. Дано описание основных блоков в разработанной функциональной схеме САПР дифракционных структур и радиолокационных антенн.
Блок расчета характеристик рассеяния Блок расчета характеристик плоской двумерных полых структур дифракционной антенны Блок расчета характеристик рассеяния Блок расчета характеристик металлотрехмерных полых структур круглого диэлектрических антенн поперечного сечения Блок расчета характеристик антенны Блок расчета характеристик рассеяна основе фокусирующей отражатель- ния трехмерных полых структур элной решетки липтического поперечного сечения Блок расчета характеристик РЩА Блок прогнозирования радиолокационных характеристик Блок расчета характеристик вибраторБлок решения обратных задач ных антенн Блок вывода характеристик исследуемой дифракционной структуры или антенны Рис. 11. Структурная схема головной программы САПР Оценка эффективности разработанных средств проводилась при создании антенн различных типов. Анализ результатов испытаний показал, что расхождение расчетных и экспериментальных значений не превышало 20%. Кроме того, заданная точность была получена практически с первых спроектированных структур, что сокращало время реализации проекта, объем проведения физического моделирования и очень трудоемких и дорогостоящих экспериментальных исследований. Внедрение данных средств позволило существенно развить аппарат автоматизации проектирования, который заключалось в предложенных оригинальных методах, моделях и алгоритмах.
В актах о внедрении, приведенных в приложении к диссертационной работе, говорится об эффективном использовании разработанных математических моделей и алгоритмов в производстве и в учебном процессе.
Экономический эффект от применения разработок, приведенных в диссертации, составляет несколько десятков миллионов рублей.
В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Проведен анализ основных путей развития современных САПР дифракционных структур и антенно-фидерных устройств; выявлены общие черты в их информационном, математическом и аппаратном обеспечении; выявлены основные задачи, возникающие при решении проблемы автоматизации проектирования дифракционных структур и антенно-фидерных устройств.
2. Обоснованы требования, целевые задачи, принципы построения, архитектура технических средств автоматизации проектирования дифракционных структур и радиолокационных антенн.
3. Обоснован выбор функциональной структуры автоматизации проектирования дифракционных структур и радиолокационных антенн.
4. Созданы математические модели и алгоритмы численного анализа дифракции плоских однородных ЭМВ на дифракционных структурах, входящих в состав объектов сложной формы, антенно-фидерных трактов и радиолокационных антенн.
5. Предложены математические модели и алгоритмы расчета характеристик двумерно-периодичных решеток.
6. Разработаны математические модели расчета характеристик металлодиэлектрических антенн.
7. Построен алгоритм определения рабочих частот рупорно-щелевых антенн.
8. Разработан алгоритм определения рабочих частот вибраторных антенн.
9. Предложена методика обработки, хранения, представления и обмена данными и особенности реализации лингвистических и информационных средств в рамках единого информационного пространства.
10. Проведена программная реализация разработанных средств и создана единая программная среда проектирования дифракционных структур и радиолокационных антенн.
11. Разработано методическое обеспечение средств комплексной автоматизации проектирования.
12.С помощью разработанных средств создана библиотека типовых элементов дифракционных структур, на основе которой проектируются антенны с заданными характеристиками.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Михайлов, Г.Д. Моделирование рассеяния электромагнитных волн на полостях круглого поперечного сечения с поглощающим материалом [Текст] / Г.Д.Михайлов, А.П.Преображенский // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2003. - №3. - С. 16-18.
2. Преображенский, А.П. Оценка возможностей комбинированной методики для расчета ЭПР двумерных идеально проводящих полостей [Текст] / А.П.Преображенский // Телекоммуникации. - 2003. - № 11. - С. 37-40.
3. Преображенский, А.П. Исследование возможности определения формы объекта в окрестности восстановления локальных отражателей на поверхности объектов по их диаграммам обратного рассеяния [Текст] / А.П.Преображенский // Телекоммуникации. - 2003. - № 4. - С. 29-32.
4. Преображенский, А.П. Алгоритмы прогнозирования радиолокационных характеристик объектов при восстановлении радиолокационных изображений [Текст] / А.П.Преображенский, О.Н.Чопоров // Системы управления и информационные технологии. - 2004. - №5с - С. 85-87.
5. Преображенский, А.П. Алгоритм расчета радиолокационных характеристик полостей с использованием приближенной модели [Текст] / А.П.Преображенский, О.Н.Чопоров // Системы управления и информационные технологии: научн.-техн. журнал. - 2005. - №4. - С. 17-20.
6. Преображенский, А.П. Моделирование объектов сложной формы с максимальными средними значениями характеристик рассеяния [Текст] / А.П.Преображенский, О.Н.Чопоров // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2005. - Т.1. - №10. - С. 120-123.
7. Авдеев, В.Б. Моделирование и алгоритм автоматизированного проектирования сверхширокополосных печатных щелевых антенн бегущей волны [Текст] / В. Б. Авдеев, А. В. Ашихмин, В. М. Некрылов, Ю. Г. Пастернак, А.П.Преображенский // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2005. - №11-12. - С. 10-18.
8.Львович, И.Я. Программный комплекс для автоматизированного анализа характеристик рассеяния объектов с применением математических моделей [Текст] / И.Я.Львович, А.П.Преображенский, Р.П.Юров, О.Н.Чопоров // Системы управления и информационные технологии: научн.-техн. журнал. - 2006 - №2 - С. 96-98.
9.Львович И.Я. Математическое моделирование и экспериментальные исследования рупорно-щелевого возбуждающего элемента дифракционных антенных решеток [Текст] / И.Я.Львович, А.П.Преображенский, Ю.Г.Пастернак // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2005. - Т.1.
- №11. - С.118-122.
10. Львович, И.Я. Антенна с электронным управлением поляризации принимаемых волн [Текст] / И.Я.Львович, А.П.Преображенский, О.И.Шерстюк // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2005 - Т.1. - №11. - С.78-82.
11. Львович, И.Я. Модель расчета характеристик двумерно-периодичных гребенок с диэлектрическим волноводом [Текст] / И.Я.Львович, А.П.Преображенский, К.Б.Меркулов, Ю.Г.Пастернак // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2005. - Т.1. - №11. - С.167-171.
12. Львович, И.Я. Результаты исследования характеристик двумернопериодичных гребенок с диэлектрическим волноводом [Текст] / И.Я.Львович, А.П.Преображенский, К.Б.Меркулов, Ю. Г.Пастернак // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2005. - Т.1. - №11. - С.139-145.
13. Львович, И.Я. Моделирование СВЧ антенны на основе фокусирующей отражательной решетки [Текст] / И.Я.Львович, А.П.Преображенский, О.И.Шерстюк // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2005. - Т.1. - №11. - С.184-188.
14. Львович, И.Я. Расчет характеристик металлодиэлектрических антенн [Текст] / И.Я.Львович, А.П.Преображенский // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2005. - Т.1. - №11. - С.26-29.
15. Львович, И.Я. Расчет характеристик рассеяния вибраторных антенн [Текст] / И.Я.Львович, А.П.Преображенский // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2005. - Т.1. - №11. - С.95-98.
16. Пастернак, Ю. Г. Применение итерационного алгоритма для оценки характеристик рассеяния объектов [Текст] / Ю. Г.Пастернак, А.П.Преображенский // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2006. - № 1 - т.2 - C.63-65.
17. Преображенский, А.П. САПР радиолокационных устройств и систем [Текст] / А.П.Преображенский, Р.П.Юров // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2006, т.2, № 1, C.63-65.
18. Львович, И.Я. Разработка принципов построения САПР дифракционных структур и радиолокационных антенн [Текст] / И.Я.Львович, А.П.Преображенский // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2006. - т.2. - № 12. - C.125-127.
19. Львович, И.Я. Разработка информационного и программного обеспечения САПР дифракционных структур и радиолокационных антенн [Текст] / И.Я.Львович, А.П.Преображенский // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2006. - т.2. - № 12. - C.63-68.
20. Питолин, А.В. Прогнозирование характеристик рассеяния объектов на основе нейросетевых технологий [Текст] / А.В.Питолин, Р.П.Юров, А.П.Преображенский // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2006. - т.2. - № 12. - C.211-212.
Монографии 21. Авдеев, В.Б. Моделирование малогабаритных сверхширокополосных антенн [Текст] : монография / В.Б.Авдеев, А.В.Ашихмин, А.В.Бердышев, С.В.Корочин, В.М. Некрылов, А.В. Останков, Ю.Г.Пастернак, И.В.Попов, А.П.Преображенский. /под ред. В.Б. Авдеева и А.В. Ашихмина. - Воронеж: Воронежский государственный университет, 2005. - 223 с.
22. Преображенский, А.П. Моделирование и алгоритмизация анализа дифракционных структур в САПР радиолокационных антенн: [Текст] : монография / А.П.Преображенский - Воронеж: Научная книга, 2007. - 248 с.
23.Львович, И.Я Математическое и программное обеспечение САПР дифракционных структур и антенн [Текст] : монография / И.Я.Львович, Преображенский А.П., С.О.Головинов, Р.П.Юров. - Воронеж: Научная книга, 2008. - 96 с.
Статьи и материалы конференций 24. Кутищев. С.Н. Рассеяние электромагнитных волн на полостях сложной формы [Текст] / С.Н. Кутищев, Г.Д.Михайлов, А.П.Преображенский // Зарубежная электроника. Успехи современной радиоэлектроники. - 1998. - № 10. - С.26Ц39.
25. Кутищев, С.Н. Эффективная поверхность рассеяния металлических полостей сложной формы с радиопоглощающими покрытиями [Текст] / С.Н. Кутищев, Г.Д.Михайлов, А.П.Преображенский // Известия ВУЗов. Сер. Радиофизика. Ц1999. - № 6. - С.561Ц565.
26. Кутищев, С.Н. Моделирование рассеяния электромагнитных волн на полостях эллиптического поперечного сечения [Текст] / С.Н. Кутищев, Г.Д.Михайлов, А.П.Преображенский // Известия ВУЗов. Сер. Радиофизика.
2000. - № 5. - С.426-432.
27. Кутищев, С.Н. Моделирование рассеяния электромагнитных волн на металлических полостях сложной формы круглого поперечного сечения [Текст] / С.Н. Кутищев, Г.Д.Михайлов, А.П.Преображенский // Зарубежная электроника.
Успехи современной радиоэлектроники. - 2000. - № 4. - С.77-80.
28. Преображенский, А.П. Применение итерационного алгоритма для оценки средних значений характеристик рассеяния объектов [Текст] / А.П.Преображенский // Информационные технологии моделирования и управления: научн.-техн. журнал. - 2005. - №7. - С.970-974.
29. Авдеев, В.Б. Моделирование функционирования в сверхширокой полосе частот радиопеленгаторной вибраторной антенной решетки с учетом влияния корпуса мобильного носителя [Текст] / В. Б. Авдеев, А. В. Ашихмин, В. М. Некрылов, Ю. Г. Пастернак, А.П.Преображенский // Антенны. Ц№ 2. - 2006. - C.45-51.
30. Головинов, С.О. Алгоритм оценки характеристик объектов сложной формы с использованием метода краевых волн [Текст] / С.О.Головинов, Е.А.Круглякова, А.П.Преображенский // Территория науки. - 2006. - №1. - С.56-59.
31. Головинов, С.О. Построение алгоритма расчета характеристик рассеяния рупорных антенн [Текст] / С.О.Головинов, А.П.Преображенский //Информационные технологии моделирования и управления: научн.-техн.
журнал. - 2007. - №1. - С.54-58.
32. Преображенский, А.П. Итерационный метод для расчета характеристик рассеяния объектов [Текст] / А.П.Преображенский // Моделирование систем и информационные технологии: Межвуз. Сб. Научн. Тр., Воронеж: Издательство Научная книга. - 2005. - Вып.3. - С.229-233.
33. Михайлов, Г.Д. Моделирование рассеяния электромагнитных волн на волноводной полости круглого поперечного сечения. [Текст] / С.Н. Кутищев, Г.Д.Михайлов, А.П.Преображенский // Сборник трудов научно-практической конференции Воронежской высшей школы МВД России. - Воронеж. - 1996. - Т.2. - С.54Ц55.
34. Михайлов, Г.Д. Оценка ЭМС-характеристик полуоткрытых полостей круглого поперечного сечения [Текст] / Г.Д.Михайлов, А.П.Преображенский // Те зисы докладов Международного симпозиума по ЭМС. - СПб. - 1997. - С.113 - 115.
35. Преображенский, А.П. Моделирование рассеяния электромагнитных волн на полуоткрытой полости круглого поперечного сечения с поглощающим материалом [Текст] / А.П.Преображенский, С.А.Гайворонская // Антеннофидерные устройства, системы и средства радиосвязи: докл. III Междунар.
НТК. Воронеж, 1997, Т.2, С.248Ц255.
36. Михайлов, Г.Д. Частотные зависимости характеристик вторичного электромагнитного излучения от полуоткрытых полостей круглого поперечного сечения [Текст] / Г.Д.Михайлов, А.П.Преображенский // Тезисы докладов научнопрактической конференции ВВШ МВД. - Воронеж. - 1997. - С. 27Ц28.
37. Кутищев, С.Н. Методика расчета эффективной поверхности рассеяния охраняемых объектов в виде полостей сложной формы [Текст] / С.Н. Кутищев, Г.Д.Михайлов, А.П.Преображенский // ОхранаЦ97. Тез. докл. научнопрактической конференции ВВШ МВД. ЦВоронеж. - 1997. - С. 123Ц125.
38. Кутищев, С.Н. Методы оценки вторичного поля рассеяния полостей, входящих в состав средств радиоэлектронного подавления [Текст] / С.Н. Кутищев, Г.Д.Михайлов, А.П.Преображенский // Тезисы докладов 5 Межвузовской научно-технической конференции ВИРЭ. - Воронеж. - 1998. - С.206.
39. Кутищев, С.Н. Методика расчета ЭПР полостей круглого поперечного сечения сложной формы [Текст] / С.Н. Кутищев, Г.Д.Михайлов, А.П.Преображенский // Радиолокация, навигация и связь: докл. 4 Междунар.
науч.-техн. конференции. - Воронеж. - 1998. - С.1718Ц1722.
40. Kutishchev, S.N. Hybrid method based on the conception of plane waves for estimation of RCS of metallic cavities of complex shape with radar absorbing coatings.
/ S.N.Kutishchev, G.D.Mikhailov, A.P.Preobrazhensky // Proceedings of 28 Moscow Intern. Conf. On Antenna Theory and Technology (ATTТ98). - 22Ц24 Sept., 1998. - Moscow, Russia. - pp. 139Ц142.
41. Кутищев, С.Н. Методика расчета характеристик рассеяния волноводных излучателей эллиптического поперечного сечения [Текст] /С.Н. Кутищев, Г.Д.Михайлов, А.П.Преображенский // Охрана-99. Тез. докл. III науч.Цпракт.
конф., 1999, С. 58Ц59.
42. Михайлов, Г.Д. Оценка ЭМС-характеристик полостей круглого поперечного сечения с радиопоглощающим материалом [Текст] / Г.Д.Михайлов, А.П.Преображенский // Доклады IV Международного симпозиума по ЭМС. - СПб. - 2001. - С.414-416.
43. Преображенский, А.П. Построение моделей объектов с максимальными средними значениями характеристик рассеяния [Текст] / А.П.Преображенский // Радиолокация, навигация и связь: доклады 11 Междунар. НТК, Воронеж. - 2005. - Т.3. - С.1440-1446.
44. Преображенский, А.П. О возможности разработки подсистемы анализа САПР радиолокационных антенн [Текст] / А.П.Преображенский // Информационные технологии: материалы Всерос. науч.-техн. конфер. - Воронеж: Издательство Научная книга. - 2005. - С.140-141.
45. Преображенский, А.П. Аппроксимация радиолокационных характеристик, полученных с использованием метода интегральных уравнений, приближенной моделью [Текст] / А.П.Преображенский // Труды второй Всерос. конфер. Математическое моделирование и краевые задачи. - Самара. - 2005. ЦС.211-214.
46. Преображенский, А.П. Расчет характеристик рассеяния объектов на основе итерационного алгоритма [Текст] / А.П.Преображенский // Радиолокация, навигация и связь: Докл. 12 Междунар. НТК. - Воронеж. - 2006. - Т.3. - C.
1525-1530.
47. Преображенский, А.П. Моделирование рупорно-щелевого возбуждающего элемента дифракционных антенных решеток [Текст] / А.П.Преображенский // Актуальные проблемы обеспечения безопасности в чрезвычайных ситуациях при техногенных катастрофах: материалы науч.-практ. конфер. - Воронеж:
Научная книга. - 2006. - C.102.
48.Преображенский, А.П. О возможности прогнозирования формы объектов по данным о значениях средних характеристик рассеяния [Текст] / А.П.Преображенский // Моделирование. Теория, методы и средства: материалы 6 междунар. науч.-практ. конфер. - Новочеркасск: ЮРГТУ. - 2006. - Ч.5. - С.62-63.
49. Преображенский, А.П. Расчет характеристик двумерно-периодичных гребенок с диэлектрическим волноводом [Текст] / А.П.Преображенский // Материалы отчетной научной конференции профессорско-преподавательского состава ВИВТ за 2005-2006 учебный год. - Воронеж: Воронежский институт высоких технологий. - 2006. - 276 с.
50. Преображенский, А.П. Принципы построения САПР дифракционных структур и радиолокационных антенн [Текст] / А.П.Преображенский // Современные проблемы информатизации: материалы 12 республиканской открытой науч. конф. - Воронеж. - 2006. - С. 277-278.
51.Преображенский, А.П. Информационное и программное обеспечение САПР дифракционных структур [Текст] / А.П.Преображенский // Современные проблемы информатизации: материалы 12 республиканской открытой науч. конф.
- Воронеж. - 2006. - С. 367-368.
52.Преображенский, А.П. Алгоритм расчет характеристик металлодиэлектрических антенн [Текст] / А.П.Преображенский // Современные проблемы информатизации: материалы 12 республиканской открытой науч. конф. - Воронеж. - 2006. - С. 246-247.
53. Головинов, С.О. Расчет характеристик рассеяния рупорных антенн на основе комбинированного метода [Текст] / С.О.Головинов, А.П.Преображенский // Радиолокация, навигация и связь: докл. 13 Междунар. науч.-технич. конф.
Воронеж. - 2007. - С.580Ц585.
54. Преображенский, А.П. Расчет плоской дифракционной антенны с электронным управлением поляризации принимаемых волн [Текст] / А.П.Преображенский // Актуальные проблемы обеспечения безопасности в чрезвычайных ситуациях при техногенных катастрофах: материалы научн.практ. конф. - Воронеж: Научная книга. - 2007. - С.120.
55. Преображенский, А.П. Задачи моделирования двумерно-периодичных гребенок с диэлектрическим волноводом [Текст] / А.П.Преображенский // Актуальные проблемы обеспечения безопасности в чрезвычайных ситуациях при техногенных катастрофах: материалы научн.-практ. конф. - Воронеж: Научная книга. - 2007. - С.121.
Свидетельства о регистрации программ 56. Львович, И.Я. Программа расчета характеристик рассеяния полых структур на основе двумерных моделей / И.Я.Львович, А.П.Преображенский // Зарегистрирована в Государственном фонде алгоритмов и программ (г. Москва), рег.
номер 50200500632 от 20.05.05 г.
57. Львович, И.Я. Расчет характеристик рассеяния полости круглого сечения на основе модального метода (E-поляризация) / И.Я.Львович, А.П.Преображенский // Зарегистрирована в Государственном фонде алгоритмов и программ (г.Москва), рег.номер 50200501616 от 28.11.05 г.
58. Львович, И.Я. Расчет характеристик рассеяния полости прямоугольного сечения на основе модального метода (H-поляризация) / И.Я.Львович, А.П.Преображенский // Зарегистрирована в Государственном фонде алгоритмов и программ (г.Москва), рег.номер 50200501617 от 28.11.05 г.
59. Львович, И.Я. Программа расчета радиолокационных характеристик полости круглого поперечного сечения / И.Я.Львович, А.П.Преображенский // Зарегистрирована в Государственном фонде алгоритмов и программ (г. Москва), рег. номер 50200501214 от 18.08.05 г.
60. Львович, И.Я. Расчет характеристик рассеяния полости прямоугольного сечения на основе приближенной модели / И.Я.Львович, А.П.Преображенский // Зарегистрирована в Государственном фонде алгоритмов и программ (г. Москва), рег. номер 50200600297 от 03.03.06 г.
61. Львович, И. Я. Расчет характеристик рассеяния рупорной антенны на основе комбинированного метода / И.Я.Львович, А.П.Преображенский, С.О.Головинов// Зарегистрирована в Государственном фонде алгоритмов и программ (г.Москва), рег.номер 50200700067 от 15.01.07 г.
62. Львович, И. Я. Расчет характеристик рассеяния объектов сложной формы на основе метода краевых волн / И.Я.Львович, А.П.Преображенский, С.О.Головинов // Зарегистрирована в Государственном фонде алгоритмов и программ (г.Москва), рег.номер 50200700068 от 15.01.07 г.
Подписано в печать. 19.01.2009.
Формат 60х84/16. Бумага для множительных аппаратов.
Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Зак. № _4_.
3Отпечатано в ООО ИП - Научная книга г. Воронеж, ул. 303 Стрелковой дивизии, д. 1а.
тел. (4732) 205-715, 29-79-69 www.n-kniga.ru Е-mail: ipc@sbook.ru
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям