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 развиваетсяв 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 устройствв 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 параметроввозможности 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 являетсясоздание и исследование комплекса математических моделейсверхширокополосных антенных устройств и антенных систем для аппаратуры радиомониторинга, а также оптимизация процедур их.проектирования. Основные задачи исследования:
• - анализа возможностей, исследование и уточнениёобласти использо-' вания и выявление существующих недостатков методов вычислительной электродинамики, математического моделирования, а также ¦ существующих программных средств электродинамического моделирования в контексте их использования для моделирования иоптимизации параметровантенных 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 ТЕМрупоров 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 ТЕМрупоров, 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 ТЕМрупоров- [65,68,69,70,71,72] - процедура оптимизации входных характеристик щелевых антенн бегущей волны на основе модели антенны в виде многокаскадного соединения диссипативных четырехполюсников- [74] - модель полосково-го трансформатора- [87,91,92] - методика автоматизированного проектирования кольцевых антенных решеток- [95,96,97] - математические модели сверхширокополосных антенных элементов и составленных из них антенных решеток.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 103 наименования, и шести приложений. Работа содержит 139 страниц, 105 рисунков и 5 таблиц.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертации разработаны и исследованы математические модели и процедуры параметрической оптимизации антенных устройств и систем аппаратуры радиопеленгации и радиомониторинга, на базе которых созданы программные средства для моделирования и автоматизированного проектирования сверхширокополосных антенн для перспективных комплексов радиопеленгации и радиомониторинга стационарного и мобильного базирования.