20 ноября 2016г.
Работа посвящена компьютерному моделированию полевых и энергетических диаграмм направленности микрополосковых эквиугольных спиральных антенн, а также моделированию процесса излучения наносекундных импульсов спиральными антеннами на многослойных подложках, включая метаматериалы. Особое внимание уделяется алгоритму моделирования и основанной на нем программе на языке программирования С++, позволяющей моделировать форму излученного импульса при заданных параметрах системы.
При разработке программы «EqSpiral Impulse» выбор был сделан в пользу языка С++, как одного из наиболее распространенных, гибких и с хорошей поддержкой объектно-ориентированного программирования (ООП) [1]. Для поставленной задачи важнейшим фактором является удобная работа с математическими функциями. Ввиду сложности разрабатываемой программы, также немаловажно удобство и быстрота разработки графического интерфейса. В качестве среды разработки был выбран пакет Embarcadero RAD Studio, имеющий хорошо проработанную библиотеку VCL, содержащую много необходимых функций, а также единственный продукт, позволяющий создавать приложения для разных платформ, таких как Windows, Linux и MacOS. Библиотека VCL имеет в своем составе класс Canvas, позволяющий легко рисовать в окне программы, что будет полезно при отображении графиков и диаграмм.
Одним из основных отличий С++ с математической точки зрения является отсутствие встроенного базового класса комплексных чисел и операций для работы с ними. Тем не менее, этот недостаток легко компенсируется широким выбором уже готовых открытых библиотек для работы с комплексными числами на языке С++, реализующих все операции с ними и включающие все необходимые функции. Важным фактором для поставленной задачи является возможность работы в С++ с числами с плавающей точкой с очень высокой точностью. Это позволит проводить расчеты для частот порядка 100 – 1000 ГГц и выше. Для повышения эффективности вычислений на многоядерных и многопроцессорных системах и распределения вычислительных мощностей разработан модуль программы для обеспечения вычислений на максимальном возможном количестве потоков. В многоядерных процессорах число параллельно обрабатываемых потоков равно количеству ядер. Технология Hyper-Threading компании Intel позволяет увеличить это число в два раза. Схематично последовательность действий при выполнении расчетов приведена на рис. 1.
При отображении результатов моделирования вывод диаграмм направленности
производится на плоскости с полярными координатами. В верхней части отображается составляющая Eθ, в нижней части – составляющая Еφ. На рис. 2,а приведен вид диаграмм при волновом числе k = 2010 (частоте 95,9 ГГц) для набора параметров, который
был определен
как один из оптимальных. На диаграмме частотной зависимости величины главного лепестка (ЧЗГЛ) график выводится
на координатной плоскости, где по оси абсцисс отсчитывается частота в гигагерцах, а по оси ординат – нормированная величина главного лепестка полевой диаграммы направленности (ПДН). В левом нижнем углу
диаграммы указаны значения параметров, для которых был произведен расчет. Вид такой
диаграммы приведен на рис. 2,б.
При проведении серии расчетов для разных параметров диаграммы ЧЗГЛ
сохраняются
в отдельную папку для упрощения последующего анализа. На основе полученных в результате нахождения диаграммы направленности данных рассчитывается форма излученного импульса путем применения обратного дискретного преобразования
Фурье. Математический аспект данного
вопроса был подробно рассмотрен в [2]. В программе изучается поведение антенны при излучении прямоугольного
импульса длительностью порядка наносекунды. Вывод диаграммы излученного импульса
производится на координатной плоскости, где по оси абсцисс отсчитывается время t, а по
оси ординат – нормированная величина импульса SN(t). Увеличение в разумных пределах значения ∆k позволяет
уменьшить общее
время
расчетов,
не
влияя
на
качественную оценку формы сигнала. На рис. 3 приведена обобщенная блок-схема основного
процесса программы EqSpiral Impulse – проведения серии расчетов для нескольких наборов
параметров.
Руководство по использованию
программы EqSpiral Impulse
Минимальные системные требования: процессор Intel Pentium или совместимый (Intel Core 2 Duo и выше рекомендуется); ОЗУ 1 Гбайт
(4 Гб рекомендуется);
операционная система Windows XP и выше; VGA 1024x768; 50 Мбайт свободного места
на жестком диске (для расчетов понадобится до 5 Гбайт свободного места); устройство мышь» и клавиатура.
Запуск программы: в меню «Пуск» выбирается пункт «Программы», далее в папке «EquiSpiral» запускается программа «EuqiSpiral Impulse», откроется главное окно программы (рис. 4).
Описание рабочей области: В левой колонке главного окна находятся группы
настраиваемых параметров для антенны и вычислений. В группе «Диапазон» задается конечное волновое
число диапазона и шаг, с которым ведется его изменение. Общее
количество частот ограничено 200 000. В группе «Ход вычислений» показывается информация о текущих расчетах (прошедшее и оставшееся время) и статус расчета сигнала. В группе «Параметры слоёв» задаются все параметры подложки. Все из них, кроме импеданса экрана (так как он не сильно влияет на результат)
имеют начальные и конечные значения и шаг изменения для серии расчетов. Группа параметры спирали содержит поля для ввода характеристик. В правой части расположена панель с пятью вкладками: «Полевые ДН», «Энергетическая ДН», «Зависимость от частоты» (строится
график, отражающий изменение величины главного лепестка ДН антенны
для текущего
набора параметров), «Форма импульса» (строится диаграмма формы излученного импульса с учетом искажений, вносимых антенной), «Отчет» (содержит сведения о
проведенных расчетах, их длительности, количестве частот и
времени
проведения).
В программе «EqSpiral Impulse» предусмотрено сохранение текущего набора параметров
в файл формата «eqsp» через меню «Файл» – «Сохранить». При этом, ввиду
крайне большого размера, не сохраняются рассчитанные данные. Для загрузки
сохраненного набора параметров из файла необходимо открыть его с помощью меню «Файл» – «Открыть».
В результате выполнения работы была создана специализированная программа EqSpiral Impulse для моделирования полевых и энергетических диаграмм направленности спиральных антенн, а также диаграмм формы излученных импульсов. Эта программа
позволила исследовать характеристики излучения антенн с различными параметрами материалов подложки (включая метаматериалы), геометрических размеров подложки и ленточного проводника антенны [3]. В настоящее время проводится ее доработка для исследования
(помимо прямоугольного импульса) других форм
излучаемых импульсов.
Список литературы
1.
Страуструп Б. Язык программирования C++. – Издательство: Бином. Лаборатория
знаний, 2011. – 8,84 Мб.
2.
Будагян И.Ф., Илюшечкин М.Н., Щучкин Г.Г. Анализ формы наносекундных
сигналов. Излучение и распространение: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2012. – 125 с.
3.
Будагян И.Ф., Ковальчук А.А., Чебышев В.В. Микрополосковая спиральная антенна в многослойной среде на основе диэлектрических и метаматериалов в режиме излучения
наносекундных импульсов
// T-Comm, №10, 2012. – с. 30-33.
