Программа для автоматизированного проектирования зеркальных параболических антенн

Программа предназначена для расчета основных электрических характеристик зеркальных параболических антенн с прямоугольной или эллиптической формами раскрыва методами геометрической оптики, а также расчета основных электрических характеристик облучателей методом моментов. Среди облучателей доступны для расчета пирамидальный и конический рупоры, вибраторная и турникетная антенны над экраном и спиральная антенна; среди зеркальных антенн доступны однозеркальная прямофокусная антенна, двухзеркальные антенны по схеме Грегори и по схеме Кассегрена, антенна со смещенным рефлектором. Программа позволяет строить диаграммы направленности в декартовой, полярной и сферической системах координат, рассчитывать распределение напряженности электрического поля в раскрыве зеркала, коэффициенты направленного действия и использования поверхности антенны, выводить эскизы облучателей и всей антенной системы.

ВВЕДЕНИЕ

Зеркальные антенны в настоящее время являются наиболее широко применяемым типом остронаправленных антенн. Их используют в радиорелейной связи, системах сотовой связи, где необходимо обеспечить большие дальности покрытия (например, автомобильные трассы), в телевидении, в спутниковой связи и связи между космическими аппаратами. Данные антенны также используются для радиотелескопов и в составе радиолокационных станций.

Залогом успешной разработки любой антенны является расчет ее геометрии на основе существующих методик и проверка ее характеристик с по- мощью программ численного моделирования. В настоящее время существуют различные программы для моделирования различных типов антенн [1]–[5]; кроме того, некоторые программы, такие как MATLAB, имеют встроенный функционал для расчета характеристик некоторых типов антенн [6]. Однако,большая часть современного программного обеспечения стоит очень дорого (десятки и сотни тысяч долларов США); кроме того, процесс создания модели антенны часто занимает достаточно много времени (до нескольких часов) и требует специальных навыков [1], [2]. Чтобы упростить создание модели антенны, часто применяются дополнительные программы, например, Antenna Magus для CST [3] и PathWave для EMPro [4].

Большинству современных программ трехмерного высокочастотного моделирования требуется от нескольких часов до нескольких суток для рас- чета характеристик антенны с большими размерами. Это подходит для реальных промышленных проектов, где точность является наиболее важным фактором, но для образовательных приложений или предварительных расчетов, где необходимо провести несколько итераций, время расчета имеет решающее значение. Кроме того, у некоторых программ есть ограничения на размер и форму антенны, например, MATLAB Antenna Toolbox позволяет рассчитывать зеркальные параболические антенны только с круглой формой апертуры [6].

В ходе работы создана программа для автоматизированного проектирования зеркальных антенн. Программа имеет достаточно простой и понятный графический интерфейс. Пользователь может задать рабочую частоту, тип и размеры облучателя (вибратор над экраном, турникетная антенна, спиральная антенна, пирамидальный или конический рупор), тип поляризации (линейную или круговую) тип зеркальной антенны (прямофокусная, со смещенным рефлектором, двухзеркальная по схеме Грегори или Кассегрена), форму и размеры раскрыва зеркала. На основе введенных данных пользователь может просмотреть конструкцию облучателя или антенной системы, рассчитать диаграмму направленности (ДН) в полярной, прямоугольной или сферической системах координат, рассчитать распределение поля в раскрыве зеркала, а также определить КНД (коэффициент направленного действия) и КИП (коэффициент использования поверхности) антенны. Программа позволяет просмотреть диаграмму направленности антенны в главных плоскостях или при произвольном угле φ. Предусмотрены функции экспорта графиков в стандартные форматы отображения рисунков, а также в табличный формат.

Для проверки применяемой модели расчета были выполнены несколько тестов: расчет характеристик антенн достаточно точен. Разработанная про- грамма выполнена как модуль (APP) для MATLAB и написана на языке MATLAB R2019b с использованием Antenna Toolbox и Symbolic Math Toolbox.

При разработке использовался дистрибутив с академической лицензией Matlab (academic use, version: 9.7.0.1261785 (R2019b) Update 3, лицензия No 40762999 Уральского федерального университета). Для текста представленной программы получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Полный текст работы доступен в разделе файлы ниже.

Также в разделе файле можно ознакомиться с результатами исследований, выполненных в рамках разработки программы. Можно скачать установочный файл программы на английском или русском языке, а также инструкцию по работе с программой.