Принципы автоматизации проектирования

К настоящему времени сформировались три направления процесса разработки антенн с использованием ЭВМ: автоматизированное проектирование (АП), автоматическое проектирование (АП), система автоматизированного или автоматического проектирования (САПР).

При АП пользователь на основе разработанной ранее математической модели объекта, позволяющей определить его выходные параметры по известным входным, имеет возможность с помощью ЭВМ рассчитать большое число вариантов и выбрать из них наилучший. При этом параметры антенны максимально приближены к заданным, но не оптимальны. Следовательно, АП, существенно облегчая процесс разработки объекта, не обеспечивает оптимального решения задачи.

При АП реализуется оптимальное решение задачи. Для этого в алгоритм проектирования вводится обратная связь между выходными и входными параметрами объекта; управление последними происходит по определенному алгоритму.

САПР помимо собственно АП (АП) должна обеспечить выпуск конструкторской и технологической документации, которым и заканчивается процесс разработки любого объекта.

Процесс АП, АП и САПР основывается принципах декомпозиции, многоуровневой модели, параметрического синтеза, формализованного входа и неформализованного выхода.

Принцип декомпозиции. При проектировании сложного устройства СВЧ неизбежно возникает необходимость его формального расчленения, т. е. декомпозиции на более простые объекты, называемые базовыми элементами (БЭ). Ими могут быть, например, отрезки волноводов, переключатели и циркуляторы, фазовращатели и фильтры, которые входят в состав антенно-фидерного тракта. Однако расчленение устройства на простые БЭ возможно далеко не во всех случаях. Например, в активных ФАР имеется много узлов, входящих одновременно в приемный и передающий тракты. Поэтому здесь базовым элементом является достаточно сложный объект – приемопередающий модуль решетки.

Принцип многоуровневой модели. Проектирование сложного устройства начинается с построения его физической модели. Универсальной физической моделью любой распределительной и излучающей систем антенны (или их БЭ) служит описание на электродинамическом уровне процесса распространения в них электромагнитного поля, которое является сложным для математической формализации. Как правило, проектировщики стремятся найти удовлетворительное приближение к физической модели, которое, сохраняя многие детали процесса в устройстве, позволит создать реализуемый на ЭВМ алгоритм его анализа (проектирования). Таковы, например, модели ФАР, учитывающие конечное число высших типов волн в БЭ; модели, не учитывающие дифракционные явления в двухзеркальных антеннах, и т. п.

Принцип параметрического синтеза. При АП параметры проектируемого объекта выбирают в процессе параметрического синтеза, в ходе которого должен быть разработан алгоритм, обеспечивающий как выполнение всех практических требований формализованного задания на проектирование, так и оптимизацию параметров устройства по заданным критериям.

Для реализации параметрического синтеза в антенне выделяют следующие базовые элементы: входное устройство (ВУ), согласующее устройство (СУ), распределительную систему (РС) и излучающую систему (ИС).

Входное устройство предназначено для передачи мощности от генератора к антенне. Оно может иметь множество (иногда сотни и тысячи) каналов, которые позволяют осуществить одновременную работу антенны на разных частотах или независимое формирование различных диаграмм направленности. Согласующее устройство обеспечивает в питающем тракте заданный коэффициент отражения электромагнитного поля во всей рабочей полосе частот. В реальных конструкциях антенн согласующее устройство может оказаться совмещенным с ними. Распределительная система создает распределение поля в излучающей системе, обеспечивающее формирование ДН с заданными параметрами.

Реальная излучающая система представляет собой некоторую поверхность, по которой протекают электрические токи, возбуждающие электромагнитные волны. При моделировании в качестве ИС используется не только эта, но и любая охватывающая ее замкнутая поверхность, по которой "текут" фиктивные электрические и магнитные токи, создающие такую же ДН, что и реальные электрические токи.

Например, в пирамидальном рупоре в качестве ИС можно рассматривать прямоугольную апертуру с распределенными на ней эквивалентными электрическими и магнитными токами. Распределительная система образована отрезком прямоугольного волновода, обеспечивающего распространение только основного типа волны, и пирамидальной горловиной рупора, осуществляющей трансформацию поля из выходного сечения волновода в апертуру. При этом СУ совмещено с распределительной системой; входным устройством является отрезок прямоугольного волновода.

Можно показать, что основными базовыми элементами любой антенны являются ИС и РС. Следовательно, задача параметрического синтеза антенной системы заключается в расчете этих двух систем. При этом решаются соответственно две задачи – внешняя (по известным требованиям к РТХ антенны определить геометрию раскрыва ИС и оптимальное амплитудно-фазовое распределение поля в нем) и внутренняя (по найденному АФР поля в раскрыве излучающей системы спроектировать реализующую его распределительную систему).

Наиболее актуальны следующие четыре класса внешних задач параметрического синтеза:

1) проектирование криволинейных излучающих систем произвольной геометрии по известным требованиям к комплексным ДН и АФР поля в раскрыве антенны;

2) проектирование ИС по заданным требованиям к амплитудной ДН и ограничениям на АФР поля в раскрыве антенны;

3) проектирование излучающей системы по заданным требованиям к амплитудной или фазовой ДН и амплитудному или фазовому распределению поля в раскрыве;

4) проектирование ИС с оптимальными интегральными параметрами – КНД, коэффициентом рассеяния и т. п.

В результате решения внешней задачи любого из перечисленных выше классов определяется один параметр – амплитудно-фазовое распределение поля в раскрыве антенны, который является основным для проектирования РС. Поэтому отличительные особенности внутренних задач связаны лишь с реализацией тех или иных физических процессов в распределительной системе с учетом электродинамических свойств конкретных ИС.

Принцип формализованного входа и неформализованного выхода. Высшей ступенью процесса проектирования является САПР, обеспечивающая не только автоматическое (автоматизированное) проектирование устройства, но и выпуск соответствующей конструкторской и технологической документации. Это возможно только в том случае, если разработан комплекс алгоритмов, осуществляющий трансформацию полученного в результате автоматического проектирования оптимального решения задачи, выраженного в числовой форме, в пространственные образы проектируемого устройства – чертежи, фотооригиналы и т. п.

Таким образом, только в САПР осуществляется принцип формализованного входа и неформализованного выхода, т. е. сквозной цикл проектирования, началом которого является формализованное задание, а концом – неформализованная информация в виде конкретной конструкторской и технологической документации. Реализация этого принципа, представляющего отдельный раздел математического обеспечения (в том числе и системного) ЭВМ, является чрезвычайно сложной и трудоемкой задачей.

Однако в условиях научно-технической революции и сравнительно быстро изменяющихся требований практики будущее, несомненно, принадлежит САПР, имеющим программные комплексы для управления данными и архивами. Существующее информационное обеспечение строится на основе архивных программ, обеспечивающих поиск запрошенного варианта в архиве, записанном на внешнем запоминающем устройстве. Архивная программа выполняет функции, связанные со спецификой внешних устройств, структурой данных и расположением их на запоминающем устройстве, функции записи информации о новых разработках на внешние носители, а также печать каталога архива, дублирование его с одного носителя на другой и т. п.

Общая структурная схема процесса АП, соответствующая изложенным принципами проектирования, представлена на рис. 4.1. Здесь

БФЗ – блок формализованного задания;

БФМ – блок физической модели;

БММ – блок математической модели;

БПММ – блок прикладной математической модели;

БС – блок синтеза.

Рис. 4.1

Очевидно, эта схема характеризует и последовательность этапов проектирования, если считать, что:

в БФЗ осуществляется анализ исходных данных и разработка ФЗ;

в БФМ происходит выбор уровня физической модели БЭ;

в БММ проводится построение математической модели БЭ, адекватной уровню физической модели;

в БПММ строится прикладная математическая модель БЭ, учитывающая практические требования из ФЗ;

в БС реализуется параметрический синтезБЭ.