Касьянов А. О., Обуховец В. А. Таганрозький державний радіотехнічний університет (ТРТУ) Некрасовский провулок, д.44, Таганрог – 347928, Росія Тел.: +7 (863) 4393061; e-mail: vao@tsure.ru

Анотація – Представлений пакет прикладних програм для аналізу та синтезу мікрополоскових відбивних антенних решіток (ОАР). Наведено алгоритми аналізу і синтезу. Описано інтерфейс, прийоми роботи з пакетом програм. Даний пакет програм застосуємо для рішення широкого кола завдань антеною техніки.

I. Введення

Технологія виготовлення мікрополоскових антен з її низькою вартістю і високим ступенем інтеграції з ланцюгами харчування, активними і керуючими елементами, фазовращателямі знаходить все більш широке застосування в області телекомунікацій, супутникового зв’язку і т.д.

Коло комерційних додатків, в яких використовуються мікрополоскових антени, вельми широкий: стільниковий телефонія, пейджинговий зв’язок, системи супутникового позиціонування, супутниковий зв’язок, GSM, супутникове телебачення, локальні бездротові комп’ютерні мережі і т.д. Для більшості цих додатків рівень продажів має порядок 10 ТОВ пристроїв на місяць. У 1994 в Тихоокеанському регіоні було 11 млн. абонентів стільникового телефонного мережі, в 2000 році число абонентів перевищило 78 млн. Подібні рівні зростання очікуються для пейджингового зв’язку та GSM. Число пристроїв супутникового зв’язку в усьому світі досягла 30 млн. в 2000р. В цілому, ринок мікрополоскових антен, виростає більше ніж на 35% щорічно з 1995 по 2000р., Продажу збільшилися з 400 млн. доларів США до 2000 млн. протягом цього періоду.

Для скорочення часу розробки конкретних конструкцій антен необхідно побудувати такі САПР, в основі яких лежать ефективні математичні моделі, що дозволяють аналізувати і синтезувати пристрої із заданими характеристиками для широкого спектра радіотехнічних пристроїв.

Серед подібних комерційних програм, таких як, Sonnet (www.sonnetusa.com), Microwave Office (www.mwoffice.com), Ensemble (www.ansoft.com), XFDTD (www.remcom.com) цей пакет відрізняє те, що він дозволяє аналізувати не поодинокі антени, а антенні решітки (АР), що для багатьох додатків в області радіотехніки є важливим фактором.

II. Основна частина

Комплекс програм аналізу відбивних антенних решіток. Програма завдання топології елементів АР написана на мові Паскаль з використанням Delphi 5.0 і призначена для роботи під управлінням операційної системи Windows98, що дозволяє повністю реалізувати можливості програмного комплексу для подання та аналізу отриманих результатів. Мінімальні системні вимоги: Intel Pentium 2-300, 64 МБ ОЗУ, відео карта, що підтримує стандарт акселерації OpenGI 1.2. Для аналізу великих обсягів даних рекомендується збільшити ОЗУ до 128 МБ і процесор до Intel Pentium 3-600. Всі розрахункові модулі написані на мові Фортран 90, що є стандартним інструментом в області інженерних розрахунків [1]. На рис 1. наведена блок-схема програмного комплексу Microstrip Foundry.

Рис. 1. Склад САПР Microstrip Foundry.

Fig. 1. Content of CAD Microstrip Foundry

Програма MF Designer максимально проста у використанні і має дружній інтерфейс, розрахований на можливість експлуатації програми навіть непідготовленим користувачем. При роботі з програмою, можна використовувати шаблони, якими є конструкції, опубліковані у вітчизняній та зарубіжній літературі, і які можуть проілюструвати правильність роботи розрахункових алгоритмів програми. При створенні нових конструкцій для спрощення завдання топології елементів можуть бути використані такі примітиви як: лінія, коло, квадрат, квадратне й кругле кільце, хрест, спіраль і т.д. Передбачена можливість просторового уявлення конструкцій елементів решітки, розташованих в різних шарах.

Електродинамічні характеристики (ЕДХ) мік-рополосковой антеною решітки (МАР) розраховуються в програмному модулі MF Runner. У цьому модулі передбачено відображення часу і необхідного обсягу пам’яті, необхідних для розрахунку. Для прискорення розрахунку використовується дзеркальна симетрія електродинамічної структури та інші специфічні особливості алгоритмізації розв’язуваних при проектуванні задач математичної фізики, а саме, блочно-клітинний вид матриць коефіцієнтів систем лінійних алгебраїчних рівнянь (СЛАР), до яких зводиться рішення крайових задач. При цьому обчислюються не все підряд, а тільки неповторювані коефіцієнти СЛАР. Для вирішення завдань оптимізації матриця коефіцієнтів кешується для повторного використання в розрахунках, що дозволяє істотно скоротити час розрахунку в порівнянні з іншими програмними комплексами. Механізм кешування прозорий і дозволяє користувачеві регулювати обсяг займаного дискового простору.

Рис. 2. Блок-схема генетичного алгоритму. Fig. 2. Genetic algorithm

Зручну форму подання розрахованих ЕДХ забезпечують спеціально розроблені програми візуалізації чисельних даних. Вони дозволяють спостерігати і документувати, не тільки первинні параметри проектованих МАР (розподілу струмів на конструкційних елементах грат), а й отримувати широкий спектр вторинних параметрів, а саме: діаграми спрямованості і характеристики розсіювання. Для більш глибокого розуміння хвильових процесів, що відбуваються при порушенні МАР, передбачена можливість анімації отриманих характеристик в залежності від зміни того чи іншого вхідного параметра (наприклад, частоти – f або кутів падіння електромагнітної хвилі (ЕМХ) – 0 або ф).

Рис. 3. Схема зіставлення елемента антени і його хромосоми.

Fig. 3. Scheme of comparison of antenna element and its chromosome

Конструктивний синтез мікрополоскових відбивних антенних решіток. В основу роботи модуля конструктивного синтезу покладено генетичний алгоритм [2]. Генетичні Алгоритми (ГА) – це адаптивні методи пошуку, часто вживані останнім часом для вирішення задач функціональної оптимізації. Вони засновані на генетичних процесах біологічних організмів: біологічні популяції розвиваються протягом кількох поколінь, підкоряючись законам природного відбору і за принципом “виживає найбільш пристосований” (survival of the fittest), відкритому Чарльзом Дарвіном. Відмінною рисою генетичних алгоритмів є те, що вони: 1) працюють не з параметрами, а з закодованим безліччю параметрів, 2) здійснюють пошук з популяції точок, а не з єдиною точки; 3) використовують цільову функцію, а не її різні приросту для оцінки інформації; 4) використовують не детерміновані, а імовірнісні правила.

Блок-схема роботи простого генетичного алгоритму показана на рис.2. На першому етапі конструюється початкова популяція структур. Популяція є набір рішень (хромосом). Хромосома в нашому випадку представляє собою бінарний код, що складається з нулів і одиниць в відповідність якому ставиться конфігурація микрополосковой випромінювача ОАР (рис. 3), де “темним” підсекцій розбиття елемента грати, наприклад, відповідають металеві ділянки випромінювача, а “світлим” – випромінюючі щілини. На наступному кроці відбувається обчислення пристосованості хромосом популяції. В якості міри пристосованості виступає fitness-функція / (,). Значення fitness-функції визначаються за правилом: f (i) = mir ^ S ^ ri), де fl – кількість точок розрахунку функції Spq{^), В якості якої може виступати частотна (£ = f) або кутова (£, = б’ілі <