Моделирование сверхширокополосных антенн с учетом влияния корпуса носителя и подстилающей поверхности

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 условийэвристические 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 переменногометода Римана-Гильберта-Привалова, метода вычетов (а также модифицированного метода вычетов), метода интеграла Кошиметодов 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 моделированияметоды вычислительной электродинамикистандартные 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 ТЕМрупора 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 ТЕМрупора со сплошными металлическими полосками и сеточной тонкопроволочной конструкции, позволяющий подтвердить адекватность выбранной сеточной модели для анализа и синтеза антенн в KB диапазоне.