Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук.
Рязань, Рязанская государственная радиотехническая академия, 2002.
– 384 с.
Специальность: 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и
комплексы программ, 05.12.07 - Антенны, СВЧ-устройства и их технологии. Цель диссертационной работы - исследование и разработка численных методов математического моделирования и синтеза многоэлементных тонкопроволочных излучающих структур и устройств СВЧ, создание эффективных методик и программного обеспечения для автоматизированного анализа антенных решеток, получение и исследование на этой базе новых технических решений с улучшенными показателями качества. Научная новизна.
Получены новые модификации интегральных уравнений галленовского типа и интегро-дифференциальных уравнений, отличающихся от известных тем, что охватывают более широкий класс тонкопроволочных излучающих структур.
Предложен и исследован комплексный двухэтапный метод численного решения многоэкстремальных задач синтеза антенных решеток и устройств СВЧ, основанный на том, что на первом этапе решения оптимизационной задачи определяется область некоторого, быть может, глобального экстремума целевой функции с применением метода типа динамического программирования или генетического алгоритма, а на втором этапе отыскивается точное значение экстремума модифицированным методом Фиакко и Мак-Кормика. Установлена его эффективность.
Разработаны методики анализа (включая статистический) и параметрического синтеза широкого класса антенных решеток, на этой основе исследованы возможности оптимизации их характеристик. Решены задачи параметрического синтеза и найдены технические решения с оптимальными электродинамическими и конструктивно-технологическими характеристиками для ФАР ДМВ с широкоугольным сканированием, расположенных на опорной поверхности ограниченных размеров, кольцевых концентрических антенных решеток с изменяемой структурой пассивных элементов, несимметричных ЛПА с контурными элементами, а также ФАР, построенных на основе таких ЛПА.
Разработаны математическая модель и методика параметрического синтеза, исследованы потенциальные возможности адаптивных антенных решеток с реактивным управлением.
Предложен и исследован новый способ уменьшения рассеянного поля минимально рассеивающих антенн, работающих в приемном режиме, обеспечивающий повышенную глубину компенсации и более высокий КПД антенны.
Предложено и исследовано семейство новых вариантов облучателей для ЭМ-диатермии и терапии, обеспечивающих более точную локализацию электродинамического воздействия на облучаемый объект.
На основе разработанных математических моделей и комплексного двухэтапного метода решения экстремальных задач создан программный комплекс для автоматизированного анализа (включая статистический) и параметрического синтеза антенных решеток и устройств СВЧ. Практическая значимость и реализация результатов работы состоит в создании программного комплекса для автоматизированного анализа и параметрического синтеза антенных решеток и устройств СВЧ, в основу которого положены разработанные математические модели, гибкий и эффективный, применимый для широкого круга задач комплексный двухэтапный метод решения многоэкстремальных оптимизационных задач, методики синтеза электродинамических и конструктивно-технологических характеристик многоэлементных тонкопроволочных излучающих структур. Использование такого программного комплекса позволяет разрабатывать антенные решетки и устройства СВЧ, оптимальные как по электродинамическим, так и по конструктивно-технологическим показателям качества. Важными для многих практических целей являются результаты разработки сканирующих антенных решеток с учетом влияния опорной поверхности конечных размеров, семейства антенн для систем связи и телевидения, кольцевых концентрических антенных решеток, обеспечивающих широкоугольное сканирование, способ уменьшения рассеянного поля минимально рассеивающих антенн, результаты исследований, послужившие основой для разработки новых вариантов облучателей и способов для ЭМ-диатермии и терапии. Введение.
Раздел 1. Интегральные уравнения теории многоэлементных тонкопроволочных.
излучаюш;их структур с диэлектрическим покрытием.
Вводные замечания.
Принцип эквивалентности.
Модифицированное интегродифференциальное уравнение тонкопроволочных излучающих структур с диэлектрическим покрытием.
Модифицированное интегральное уравнение типа Галлена для тонких проводников с диэлектрическим покрытием.
Численное решение интегральных и интегро-дифференциальных уравнений многоэлементных тонкопроволочных излучающих структур.
Результаты тестовых расчетов, сравнение с экспериментальными данными.
Математическое моделирование электродинамического взаимодействия материального тела и многоэлементной изолированной излучающей структуры.
Интегральные и интегродифференциальные уравнения многоэлементной системы излучателей, возбуждаемой фазирующе-распределительной системой.
Выводы.
Раздел 2. Методика проектирования антенных решеток и устройств СВЧ, двухэтапный метод численного решения многоэкстремальных оптимизационных задач.
Вводные замечания.
Методика и структурная схема машинного проектирования с использованием двухэтапной процедуры многоэкстремальной оптимизации.
Постановка многокритериальной задачи параметриского синтеза.
Модифицированный метод Фиакко и Мак-Кормика.
Метод типа динамического программирования.
Генетический алгоритм.
Оценка эффективности двухэтапного метода многоэкстремальной оптимизации.
Выводы.
Раздел 3. Исследование и разработка ФАР с широкоугольным сканированием, расположенных на опорной поверхности конечных размеров, кольцевых концентрических антенных решеток, антенн для телекоммуникаций и систем связи.
Численное исследование широкоугольного сканирования вибраторных ФАР ДМВ на опорной поверхности ограниченных размеров.
Кольцевая концентрическая антенная решетка с варьируемой структурой пассивных элементов.
Результаты разработки антенн для ТВ вещания и связи.
Выводы.
Раздел 4. Исследование и разработка логопериодических антенн с несимметричными контурными элементами и ФАР, построенных на их основе.
Вводные замечания.
Математические модели, параметрический синтез и результаты разработки ЛПА с несимметричными контурными излучателями.
Методика и результаты исследования сверхширокополосной линейной ФАР, построенной на основе ЛПА с несимметричными контурными излучателями.
Выводы.
Раздел 5. Математическое моделирование и синтез адаптивных антенных решеток с реактивным управлением, способ уменьшения рассеянного поля минимально рассеивающих антенн.
Вводные замечания.
Математическая модель A A P с реактивным управлением.
Параметрический синтез и результаты машинного проектирования AAP с реактивным управлением.
Способ уменьшения рассеянного поля минимально рассеивающих антенн.
Результаты разработки облучателей для электромагнитной УВЧ-диатермии и терапии.
Выводы.
Раздел 6. Программный комплекс для автоматизированного анализа и параметрического синтеза антенных решеток, разрабатываемых с применением тонкопроволочных моделей, и устройств СВЧ.
Структура и особенности реализации программного.
комплекса.
Пользовательский интерфейс программы SAR-32.
Пользовательский интерфейс программы Модель-С.
Выводы.
Заключение.
Библиографический список.
Приложение 1. Обоснование оценки вихревой компоненты электрического поля тонкого диэлектрического покрытия.
Приложение 2. Аналитические представления интегралов.
Приложение 3. Декомпозиционный циклический алгоритм анализа многоэлементных устройств СВЧ.
Приложение 4. Итерационный алгоритм решения интегральных уравнений тонкопроволочных излучающих структур.
Приложение 5. Акты внедрения результатов работы.
Специальность: 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и
комплексы программ, 05.12.07 - Антенны, СВЧ-устройства и их технологии. Цель диссертационной работы - исследование и разработка численных методов математического моделирования и синтеза многоэлементных тонкопроволочных излучающих структур и устройств СВЧ, создание эффективных методик и программного обеспечения для автоматизированного анализа антенных решеток, получение и исследование на этой базе новых технических решений с улучшенными показателями качества. Научная новизна.
Получены новые модификации интегральных уравнений галленовского типа и интегро-дифференциальных уравнений, отличающихся от известных тем, что охватывают более широкий класс тонкопроволочных излучающих структур.
Предложен и исследован комплексный двухэтапный метод численного решения многоэкстремальных задач синтеза антенных решеток и устройств СВЧ, основанный на том, что на первом этапе решения оптимизационной задачи определяется область некоторого, быть может, глобального экстремума целевой функции с применением метода типа динамического программирования или генетического алгоритма, а на втором этапе отыскивается точное значение экстремума модифицированным методом Фиакко и Мак-Кормика. Установлена его эффективность.
Разработаны методики анализа (включая статистический) и параметрического синтеза широкого класса антенных решеток, на этой основе исследованы возможности оптимизации их характеристик. Решены задачи параметрического синтеза и найдены технические решения с оптимальными электродинамическими и конструктивно-технологическими характеристиками для ФАР ДМВ с широкоугольным сканированием, расположенных на опорной поверхности ограниченных размеров, кольцевых концентрических антенных решеток с изменяемой структурой пассивных элементов, несимметричных ЛПА с контурными элементами, а также ФАР, построенных на основе таких ЛПА.
Разработаны математическая модель и методика параметрического синтеза, исследованы потенциальные возможности адаптивных антенных решеток с реактивным управлением.
Предложен и исследован новый способ уменьшения рассеянного поля минимально рассеивающих антенн, работающих в приемном режиме, обеспечивающий повышенную глубину компенсации и более высокий КПД антенны.
Предложено и исследовано семейство новых вариантов облучателей для ЭМ-диатермии и терапии, обеспечивающих более точную локализацию электродинамического воздействия на облучаемый объект.
На основе разработанных математических моделей и комплексного двухэтапного метода решения экстремальных задач создан программный комплекс для автоматизированного анализа (включая статистический) и параметрического синтеза антенных решеток и устройств СВЧ. Практическая значимость и реализация результатов работы состоит в создании программного комплекса для автоматизированного анализа и параметрического синтеза антенных решеток и устройств СВЧ, в основу которого положены разработанные математические модели, гибкий и эффективный, применимый для широкого круга задач комплексный двухэтапный метод решения многоэкстремальных оптимизационных задач, методики синтеза электродинамических и конструктивно-технологических характеристик многоэлементных тонкопроволочных излучающих структур. Использование такого программного комплекса позволяет разрабатывать антенные решетки и устройства СВЧ, оптимальные как по электродинамическим, так и по конструктивно-технологическим показателям качества. Важными для многих практических целей являются результаты разработки сканирующих антенных решеток с учетом влияния опорной поверхности конечных размеров, семейства антенн для систем связи и телевидения, кольцевых концентрических антенных решеток, обеспечивающих широкоугольное сканирование, способ уменьшения рассеянного поля минимально рассеивающих антенн, результаты исследований, послужившие основой для разработки новых вариантов облучателей и способов для ЭМ-диатермии и терапии. Введение.
Раздел 1. Интегральные уравнения теории многоэлементных тонкопроволочных.
излучаюш;их структур с диэлектрическим покрытием.
Вводные замечания.
Принцип эквивалентности.
Модифицированное интегродифференциальное уравнение тонкопроволочных излучающих структур с диэлектрическим покрытием.
Модифицированное интегральное уравнение типа Галлена для тонких проводников с диэлектрическим покрытием.
Численное решение интегральных и интегро-дифференциальных уравнений многоэлементных тонкопроволочных излучающих структур.
Результаты тестовых расчетов, сравнение с экспериментальными данными.
Математическое моделирование электродинамического взаимодействия материального тела и многоэлементной изолированной излучающей структуры.
Интегральные и интегродифференциальные уравнения многоэлементной системы излучателей, возбуждаемой фазирующе-распределительной системой.
Выводы.
Раздел 2. Методика проектирования антенных решеток и устройств СВЧ, двухэтапный метод численного решения многоэкстремальных оптимизационных задач.
Вводные замечания.
Методика и структурная схема машинного проектирования с использованием двухэтапной процедуры многоэкстремальной оптимизации.
Постановка многокритериальной задачи параметриского синтеза.
Модифицированный метод Фиакко и Мак-Кормика.
Метод типа динамического программирования.
Генетический алгоритм.
Оценка эффективности двухэтапного метода многоэкстремальной оптимизации.
Выводы.
Раздел 3. Исследование и разработка ФАР с широкоугольным сканированием, расположенных на опорной поверхности конечных размеров, кольцевых концентрических антенных решеток, антенн для телекоммуникаций и систем связи.
Численное исследование широкоугольного сканирования вибраторных ФАР ДМВ на опорной поверхности ограниченных размеров.
Кольцевая концентрическая антенная решетка с варьируемой структурой пассивных элементов.
Результаты разработки антенн для ТВ вещания и связи.
Выводы.
Раздел 4. Исследование и разработка логопериодических антенн с несимметричными контурными элементами и ФАР, построенных на их основе.
Вводные замечания.
Математические модели, параметрический синтез и результаты разработки ЛПА с несимметричными контурными излучателями.
Методика и результаты исследования сверхширокополосной линейной ФАР, построенной на основе ЛПА с несимметричными контурными излучателями.
Выводы.
Раздел 5. Математическое моделирование и синтез адаптивных антенных решеток с реактивным управлением, способ уменьшения рассеянного поля минимально рассеивающих антенн.
Вводные замечания.
Математическая модель A A P с реактивным управлением.
Параметрический синтез и результаты машинного проектирования AAP с реактивным управлением.
Способ уменьшения рассеянного поля минимально рассеивающих антенн.
Результаты разработки облучателей для электромагнитной УВЧ-диатермии и терапии.
Выводы.
Раздел 6. Программный комплекс для автоматизированного анализа и параметрического синтеза антенных решеток, разрабатываемых с применением тонкопроволочных моделей, и устройств СВЧ.
Структура и особенности реализации программного.
комплекса.
Пользовательский интерфейс программы SAR-32.
Пользовательский интерфейс программы Модель-С.
Выводы.
Заключение.
Библиографический список.
Приложение 1. Обоснование оценки вихревой компоненты электрического поля тонкого диэлектрического покрытия.
Приложение 2. Аналитические представления интегралов.
Приложение 3. Декомпозиционный циклический алгоритм анализа многоэлементных устройств СВЧ.
Приложение 4. Итерационный алгоритм решения интегральных уравнений тонкопроволочных излучающих структур.
Приложение 5. Акты внедрения результатов работы.