Автореферат (Автоматизация трассировки волноводных трактов фазированных антенных решеток)

На правах рукописиАНАМОВАРУШАНА РИШАТОВНААВТОМАТИЗАЦИЯ ТРАССИРОВКИ ВОЛНОВОДОВФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОКСпециальность 05.13.12.«Системы автоматизации проектирования»(авиационная и ракетно-космическая техника)Автореферат диссертациина соискание ученой степени кандидата технических наукМосква2013-2Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)» (МАИ).Научный руководитель:кандидат технических наук Рипецкий Андрей ВладимировичОфициальные оппоненты:Комков Владимир Александрович, д.т.н., профессор,Московский авиационный институт (национальныйисследовательский университет), заведующий кафедрой «Теориямашин и механизмов»Козаченко Дмитрий Александрович, к.т.н.,ООО «Аутодеск (Cи-Ай-Эс)», эксперт по корпоративным решениямВедущая организация: ОАО «Корпорация «Фазотрон-НИИР»Защита состоится «27» декабря 2013г. в 14-00 часов на заседаниидиссертационного совета Д212.125.13 Московского авиационного института(национального исследовательского университета) по адресу:125993, Москва, Волоколамское шоссе, д.

4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета).Автореферат разослан «26» ноября 2013 г.Ученый секретарьдиссертационного Совета Д212.125.13кандидат технических наук, профессорЛ.В. Маркин-3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность проблемы. В состав современных наземных системсвязи для управления воздушным движением, радиолокационных станций(РЛС) авиационных комплексов радиолокационного дозора и наблюдения,радиолокационных комплексов противоракетной и противовоздушнойобороны входят фазированные антенные решетки (ФАР). Антенная система наоснове ФАР является одним из наиболее сложных и дорогостоящих элементовРЛС. Совершенствование антенной техники, повышение тактико-техническихтребований по дальности действия, по точности и качеству распознаванияцелей влечет за собой значительное увеличение мощности излучаемогосигнала, повышение рабочей частоты станций и расширение полосыизлучаемого и принимаемого сигнала.

Зачастую это приводит к увеличениюколичества излучающих элементов ФАР и, как следствие, к усложнениюконструкции. Неотъемлемой частью ФАР являются линии передачиэлектромагнитной энергии (тракты). Тракты располагаются внутриконструкции апертуры, внутри опорно-поворотного устройства и за егопределами и могут быть выполнены на основе коаксиальных и оптическихкабелей или на основе волноводов, что зависит от передаваемой мощностивысокочастотных колебаний. Особую важность представляет задачапроектирования волноводных трактов, расположенных внутри конструкцииапертуры (рис.1), поскольку к ним предъявляются жесткие радиотехническиетребования (равнодлинность волноводных ветвей, соединяющих выходыделителя мощности с излучателями, минимальная длина тракта, минимальноеколичество изгибов волноводов), при реализации которых проектировщиксталкивается с массой ограничений: конструкторских (ограниченноепространство для размещения), технологических (стандартные радиусы изгибаволноводов,унификациядлиниконфигурацийволноводов),Делитель мощностиМеталлоконструкцииа)б)Рис.1.

Размещение волноводных трактов внутри конструкции апертуры:а) ФАР; б) подрешетка ФАР (вид со стороны монтажа трактов)-4эксплуатационных (удобство сборки и ремонта конструкции). Определениеконкретного исполнения тракта является сложной задачей и выполняетсяинженером высокой квалификации. Поиск оптимальной по заданнымкритериям конструкции волноводного тракта значительно увеличиваеттрудоемкость проектирования антенной системы, что создает предпосылкидля автоматизации процесса конструирования тракта. Такая задача актуальнадля крупноапертурных ФАР, у которых размер антенного полотна достигаетнескольких сотен и даже тысяч длин волн.Проведенный анализ систем автоматизированного проектирования(САПР), применяемых для проектирования радиолокационных комплексов,показал, что задача автоматизированной трассировки волноводных трактовФАР, соединяющих выходы делителя мощности с излучателями, не решена вполном объеме и является актуальной как с точки зрения выбора методатрассировки, так и с позиции разработки методики автоматизациипроектирования.

Это обусловлено, прежде всего, тем, что частьсуществующих программ трассировки волноводов не предназначена длятрассировки с обеспечением условия равнодлинности волноводных ветвейтракта (например, программный модуль CATIA «Waveguide Design»), а частьпрограмм для трассировки волноводов внутри конструкции апертуры ФАР(например, программный модуль «ТРАКТ» в среде AutoCAD) не обладаетинтеграцией с системами 3D-моделирования и не позволяет выполнятьмногослойную пространственную трассировку с произвольными угламиизгиба.

Трассировка волноводов с произвольными углами изгиба позволилабы эффективнее использовать монтажное пространство и сократитьсуммарную длину тракта за счет более компактного исполнения.Необходимо отметить, что произвольные углы изгиба возможнореализовать не для всех волноводных трактов. Часто многомодовыеволноводы, имеющие круглое сечение, целесообразно изгибать только под 90°.В связи с тем, что системы 2D-проектирования в настоящее времяпочти полностью вытеснены системами 3D-проектирования, актуальнойявляется разработка методов пространственной трассировки, а также процедурперехода к 3D-модели после получения эскиза пространственной трассировки.3D-модель открывает возможности обмена данными с САПР длярадиотехнических и инженерных расчетов (в виде файлов нейтральногоформата) и позволяет решать задачу проектирования тракта комплексно:построение модели – предварительный радиорасчет – проработка конструкции– окончательный радиорасчет – расчет на резонансные воздействия –корректировка конструкции.

В настоящее время построение твердотельноймодели трактов, расположенных внутри апертуры, как правило,осуществляется вручную и занимает длительное время.Методологические и теоретические основы исследования включаютфундаментальные труды, посвященные:9 методам и алгоритмам трассировки объектов (Абрайтис Л.Б., БазилевичР.П., Забалуев Н.Н., Петренко А.И., Тетельбаум А.Я., Широ Г.Э., Lee C.I.,Gomory R.E.),-59 разработке математических моделей объектов проектирования(Курейчик В.М., Деньдобренько Б.Н.),9 автоматизированному проектированию антенн и устройств СВЧ(Воскресенский Д.И., Гринев А.Ю., Кременецкий С.Д.).В работах Гумербаева Р.Р., Курейчика В.М., Лебедева Б.К.рассмотрены особенности применения генетических алгоритмов для решениязадач трассировки. Работы Базилевича Р.П., Дмитриева П.И., Петросяна Г.С.,Полубасова О.Б.

посвящены методу гибкой трассировки на моделикрупнодискретного топологического рабочего поля с триангуляцией Делоне.Топологические алгоритмы трассировки многослойных печатных платрассмотрены в работах Забалуева Н.Н., Петренко А.И. и Тетельбаума А.Я.Некоторые положения вышеперечисленных авторов легли в основуразработанной соискателем методики обеспечения равнодлинности сприменением топологических приемов на квазисегментном рабочем поле.Изученные источники содержат работы по трассировке печатных плати больших интегральных схем (Дмитриев П.И., Лузин М.С., Петросян Г.С.,Полубасов О.Б.

и др.), по трассировке трубопроводов (Егоров С.Я., МалыгинЕ.Н., Немтинов В.А. и др.). Анализ работ показал, что задача трассировкиволноводов в случае многослойной разводки более близка к задачетрассировки многослойных печатных плат по характеру накладываемыхограничений к геометрии трасс и по принципу трассировки. Выявленнаяаналогия между трассировкой дифференциальных пар в печатном монтаже итрассировкой волноводных трактов внутри апертуры ФАР по накладываемымусловиям равнодлинности трасс позволиларассмотреть возможностьприменения решений по трассировке проводников печатных плат длятрассировки волноводов.Целью диссертационной работы является разработка научнометодическогоипрограммногообеспечения(ПО)САПРдляпространственной трассировки волноводных трактов внутри конструкцииапертуры ФАР с заданными ограничениями.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующиезадачи:• выявить геометрические особенности волноводных трактов;• разработать математические модели монтажного пространства и элементовконструкции ФАР, участвующих в трассировке;• разработать методику пространственной трассировки волноводов,• разработать методику обеспечения равнодлинности волноводных ветвейтракта;• разработать алгоритмическое и программное обеспечение САПР длятрассировки волноводов;• осуществить интеграцию разработанного ПО с современной системойгеометрического моделирования (СГМ);• провести верификацию разработанного ПО на предмет корректностиполучаемых результатов и применимости на этапах проектирования ФАР.-6Объект исследования – геометрическая модель волноводного тракта,соединяющего выходы делителя мощности с излучателями и расположенноговнутри конструкции апертуры ФАР.Предмет исследования - математические модели и методытрассировки, позволяющие реализовать трассировку волноводного тракта сучетом заданных радиотехнических требований и конструкторскотехнологических ограничений.Методы исследования.

Для решения вышеуказанных задач в работеприменялись методы теории графов, теории множеств, методы линейногопрограммирования, технологии баз данных. Выявление особенностейгеометрии тракта осуществлено на основе анализа конструкцийкрупноапертурных ФАР наземного базирования. Математическая задачатрассировки волноводных трактов внутри конструкции апертуры ФАРпредставлена как задача многокритериальной дискретной оптимизации.Научная новизна:1.

Разработана методика трассировки волноводных трактов внутриконструкции апертуры ФАР, отличающаяся от известных пространственнойреализацией (однослойной и многослойной трассировки) и произвольнымиуглами изгиба трасс.2. Разработана методика обеспечения равнодлинности трасс, основаннаяна переходе к квазисегментному рабочему полюи отличающаяся отсуществующих методик тем, что позволяет проводить трассы равной длиныпод произвольным углом и с минимальным количеством изгибов.3.

Предложена модель сегментного рабочего поля на основе адаптивнойрадиальной сетки, отличающаяся от известных моделей рабочего полявозможностью проведения неортогональных трасс и свойством адаптивности,позволяющим уменьшить время решения задачи.4.

Разработан алгоритм корректировки длин трасс. Алгоритм не требуетбольших вычислительных и временных затрат.5. Разработанаархитектурапрограммногомодулятрассировкиволноводных трактов, отличающегося от существующих программныхрешений по трассировке волноводных трактов внутри конструкции апертурыФАР интеграцией с СГМ SolidWorks.Практическая ценность.1.На основе разработанного методического и алгоритмическогообеспечения создан программный модуль пространственной трассировкиволноводных трактов Waveguide Design Solution (WDS), поддерживающийинтеграцию с СГМ SolidWorks. Разработанный программный модульпозволяет:• производить однослойную и многослойную трассировку волноводоввнутри апертуры ФАР с заданными ограничениями;• реализовывать трассы произвольной конфигурации с обеспечениемусловия их равнодлинности;• экспортировать рассчитанные трассы в SolidWorks в виде 3D-модели.-72.